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1、SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學生姓名 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 指導教師姓名 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 題目名稱 HQJ-500型節(jié)油車車架優(yōu)化設(shè)計 一、課題研究現(xiàn)狀,選題的目的、依據(jù)和意義 1、節(jié)油車車架的研究現(xiàn)狀 1.1節(jié)油車簡介 節(jié)能、環(huán)保、低碳已逐漸成為當今在能源領(lǐng)域的主題。汽車領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)對節(jié)約能源也至關(guān)重要。以節(jié)能為主題的節(jié)油車競賽在國內(nèi)外開展的也越來越多。 本田（?Honda）科研工業(yè)（中國）投資有限公司曾主辦過以“挑戰(zhàn)一升、環(huán)保一生”為口號的?Honda中國節(jié)能競技大賽。

2、節(jié)能競技大賽積累的技術(shù)和經(jīng)驗，以所具備的專業(yè)知識及理論，將符合“節(jié)能減排”要求的創(chuàng)意融進節(jié)能競技大賽，通過調(diào)研、方案對比、優(yōu)化，最終設(shè)計出合理、有效的“節(jié)能”參賽車的設(shè)計方案，為制作新型“節(jié)能車”提供依據(jù)。去年我校（黑龍江工程學院）的汽車與交通工程學院的師生們攜自主研制的節(jié)能車到上海參加了比賽，并在比賽中獲得佳績，其他高校也展示了各自的成果。 由日本本田公司舉辦的節(jié)能競技大賽從1981年開始，至今已成功舉辦了27屆，曾有人以參加本田節(jié)能大賽的參賽車(簡稱節(jié)能車)為基礎(chǔ)，在比賽規(guī)則范圍內(nèi)，對影響車輛燃油消耗的相關(guān)因素進行了研究，并通過發(fā)動機臺架試驗、道路試驗及軟件模擬，對發(fā)動機部件及車輛結(jié)構(gòu)進

3、行改進，對比改進前后的燃油消耗量，得出降低燃油消耗的一些可行性方案。以此為基礎(chǔ)，把試驗結(jié)果運用到節(jié)能車的研發(fā)中，比賽結(jié)果證明取得了顯著效果。改進方案中包括了壓縮比的改進，供給系統(tǒng)的改進，發(fā)動機散熱片的改進，發(fā)動機其他部件的改進等。 除了發(fā)動機部件改進對整車油耗有重要影響外，節(jié)能車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配質(zhì)量對油耗也有一定影響。如車架及車身外型設(shè)計是否滿足強度和空氣動力學要求，轉(zhuǎn)向及制動是否操控靈活，輪胎的選型及傳動比選擇是否合理，發(fā)動機裝配位置及安裝姿態(tài)是否恰當?shù)?。結(jié)合以上因素，先用軟件對節(jié)能車進行建模，并通過計算機模擬分析得到最優(yōu)設(shè)計方案，按照此方案制造出節(jié)能車實車，通過大量道路試驗，再對車輛整體

4、結(jié)構(gòu)及細節(jié)進行對比改進，再與改進后的發(fā)動機進行匹配，達到了降低油耗的目的。 目前的很多節(jié)能賽車根據(jù)人機工程學的要求，對車手的體型和坐姿定下整車的初步控制尺寸進行各項數(shù)據(jù)的測量，并在CATIA中建模，確立車架的寬度長度、車身高度等。車身設(shè)計成流線型，車身高度盡量低矮，一般可以取發(fā)動機豎直放置時的最高點，這個高度車當手躺下時的視野一般是可以保證的。底盤高度要保證有盡量大的離地間隙，同時又不能使得重心太高，以免高速轉(zhuǎn)彎時翻車。輪距軸距不必考慮太多。輪距軸距的計算、前后載荷分配等是為了保證有足夠的地面附著力。 1.2 車架設(shè)計要考慮的因素、優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵和幾種優(yōu)化分析 車架的很多尺寸都來源于其他

5、部分的設(shè)計。車架的作用主要是連接其他組件，并保證安裝的穩(wěn)定性。所以設(shè)計車架要了解轉(zhuǎn)向、車身和后軸，思考怎么將他們可靠地定位。設(shè)計節(jié)油車車架要先了解鋼材和焊接，怎么對各種鋼材加工，并把車架搭出來。有些節(jié)能車采用第23號鋼（含碳量0.23%）料焊接而成，分別采用了車架20×20×1，20×20×2焊接矩形鋼管、20×20×2角鋼。車架采用邊梁形式，中間主要承載部份以金型材搭建，前橋以及后橋等受力較大部分由焊接矩形鋼管以及20×20×2角鋼搭建，前懸以及發(fā)動機支架等非大承載部位由20×20×2角鋼搭建。 在整車質(zhì)量中，車架是輕量化設(shè)計的主要對象之一，故車架的輕量化程度對于節(jié)能車的節(jié)能成效來講固然有

6、重要意義。而車架的輕量化程度還不得不考慮其剛度，強度等性能指標。因此，需在保證足夠剛度和強度的前提下，采用較優(yōu)的結(jié)構(gòu)、材料使車架質(zhì)量達到最輕。完成車架優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是建立合理的力學模型、優(yōu)化參數(shù)模型、有限元模型、優(yōu)化數(shù)學模型，并且熟悉SNSYS參數(shù)化設(shè)計。 1.2.1 車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 車架是汽車主要的承載部件,汽車大部分部件如:動力總成、駕駛室、貨廂和車橋等都與車架直接相連。因此車架就必須具有足夠的剛度和強度以保證有承受沖擊載荷和承受各種工況的能力。目前節(jié)油賽車的車架結(jié)構(gòu)主要有兩種類型：上浮式和下沉式。最后取兩種性能均較好的一種作為車架結(jié)構(gòu)。對于上浮式和下沉式兩種車架，主要由于橫梁的數(shù)

7、量和布置不同，帶來了剛度和強度上的差異。 （1）建立有限元模型 在ANSYS8.0中建立車架模型時,略去對整體強度影響較小的孔及其他工藝特征，上浮式車架由左右分開的兩根縱梁和若干根橫梁組成，縱梁和橫梁是由薄壁型鋼沖壓而成，再通過焊接和鉚接形成整體。有限元單元選用2節(jié)點梁單元Beam188，該單元可以有效地模擬細長或中等厚度的梁及其線性彎曲變形和應力水平分析，且計算速度快，單元每個節(jié)點均有6個自由度，即x、y、z 向平動自由度和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動自由度。梁與梁之間進行節(jié)點耦合，車輪和車架是剛性連接，無需用彈簧單元來模擬懸架。對于車架材料的選擇，通常是采用16Mn 鋼。但是基于本項目是要達

8、到節(jié)能的效果，在同樣強度下無需大的壁厚，因此選用的是Q360 高強度鋼材。 （2）載荷及約束的處理 汽車在行駛過程中要承受各種載荷的作用，在建立車架的有限元模型時就必須對載荷進行適當?shù)奶幚?，以便施加在相應的?jié)點或單元上。由于是行駛于良好路面，無需急轉(zhuǎn)彎掉頭和急剎車。也不可能經(jīng)受外界的猛烈撞擊，故可將車架主要承受的載荷簡化為只受駕駛員和發(fā)動機的重力,將它們作為集中載荷加載到相應的節(jié)點上，其他質(zhì)量較小的部件可以忽略。由于賽道是環(huán)形瀝青路面，路況比較良好，沒有諸如臺階或凹坑之類的路況。可以將其約束情況按彎曲工況和彎扭工況分別處理。 （3） 結(jié)構(gòu)分析計算 在此計算過程中，將兩種結(jié)構(gòu)的車架材料均

9、取外廓尺寸為40 mm*20 mm，壁厚1 mm 的矩形截面鋼，在彎扭工況下進行有限元分析。聽過分析可以看出，用同樣材料、截面尺寸的上浮式和下沉式車架，下沉式車架結(jié)構(gòu)的剛度和強度比較好。且結(jié)構(gòu)更為簡單，質(zhì)量更輕。 1.2.2車架的輕量化分析 輕量化設(shè)計可從材料上入手,如采用碳纖維或鋁合金等輕質(zhì)材料來替代傳統(tǒng)的鋼,但成本偏高,且制作上存在難度(鋁合金不易焊接),所以從車架梁的截面形狀和面積來入手顯得更為實際.隨著計算機技術(shù)發(fā)展所逐漸興起的有限元法可有效地計算車架在各種工況下的響應，為設(shè)計提供有力的理論依據(jù)。 （1） 有限元模型及載荷處理 這部分的有限元模型建立方法和載荷處理方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

10、中完全相同。 （2） 截面分析計算 車架各梁之間的幾何位置關(guān)系由上述結(jié)構(gòu)選型時確定.但在進行有限元分析時,車架結(jié)構(gòu)的薄壁梁截面特性(包括截面形狀、截面尺寸大小)是可以很方便地進行調(diào)換的，當車架所用梁的截面類型不同時，計算得出的車架強度和剛度也不同，通過比較，就可以選出在剛度與強度水平相一致的情況下，質(zhì)量最輕的梁淵即截面面積最小。 1.2.3 車架的模態(tài)分析 固有頻率和振動向量是進行車架動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計中必不可少的參數(shù)。因此有必要對車架進行固有特性的模態(tài)分析，因為結(jié)構(gòu)較低階固有頻率及相應振型對動態(tài)特性的影響最大，故在研究結(jié)構(gòu)的響應時，往往只需要了解前幾階的固有頻率和振動特性，需要考慮的是低階

11、頻率應避開發(fā)動機的的怠速運轉(zhuǎn)頻率，以免發(fā)生共振。 2、車架優(yōu)化設(shè)計的目的 對節(jié)油車的車架進行優(yōu)化設(shè)計的目的從狹義上講：當代大學生可以理論聯(lián)系實際，將所學用于所用，激發(fā)創(chuàng)新意識，深化專業(yè)技能，了解汽車某領(lǐng)域的發(fā)展步伐，使得工科類的大學生有一種責任感和使命感，為將來的節(jié)油車產(chǎn)品創(chuàng)造出大批設(shè)計人才；同時對節(jié)油車的車架進行優(yōu)化設(shè)計更會是對我個人的一次歷練，對個人的發(fā)展同時也起到一定的奠定作用。通過設(shè)計節(jié)油車不僅可以把課堂所學的理論知識和實際操作掛鉤，還可以更多地體會設(shè)計創(chuàng)作帶來的樂趣，充分發(fā)揮個人創(chuàng)作才能。 對節(jié)油車的車架進行優(yōu)化設(shè)計的目的從廣義上講：目前國際國家能源緊縮，節(jié)油車的問世具有一

12、定的可行性和現(xiàn)實意義。目前這種國際國內(nèi)的以這種競賽為導向的節(jié)油車優(yōu)化設(shè)計必然會對將來經(jīng)濟型汽車的問世起到一定的奠定作用。而通過車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對車架進行輕量化設(shè)計又能有效的減少車重，從而降低油耗。 3、車架優(yōu)化設(shè)計的意義 經(jīng)濟意義體現(xiàn)在：隨著我國經(jīng)濟全球化的不斷加快，我國對國際能源及原材料市場的依賴程度不斷加大，從目前來看，國際油價和工業(yè)原材料的價格也是在不斷攀升，我國經(jīng)濟在能源領(lǐng)域比較棘手。我國的汽車保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以節(jié)能減排是中國汽車產(chǎn)業(yè)需要考慮的關(guān)鍵，也值得國家重視。車架的輕量化能夠減少整車質(zhì)量，從而能使汽車達到節(jié)能減排的目的，節(jié)油了能源和資本，從而具有一定的現(xiàn)實

13、意義和經(jīng)濟意義。 社會意義體現(xiàn)在：自從工業(yè)革命以來，世界工業(yè)發(fā)展飛速，能源開采量逐年增高，汽車工業(yè)發(fā)展尤為迅速，汽車保有量也呈遞增趨勢。有限的能源如何能用的更長久是值得人類和社會反思的意見事情，節(jié)油車型的普及功在當代，利在千秋。而通過這種節(jié)油車競賽恰恰就能為節(jié)油車產(chǎn)品的問世提供有效的依據(jù)，使得能源的利用率提高，為人類社會的順延提供了有效保證。車架的優(yōu)化設(shè)計是使得汽車能夠節(jié)能減排的主要手段之一，因此車架的優(yōu)化設(shè)計的社會意義重大。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)容 （1）進行設(shè)計賽車總體布局設(shè)計； （2）進行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計； （3）進行車架結(jié)構(gòu)

14、有限元優(yōu)化設(shè)計與分析； （4）進行車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。 （5）繪制設(shè)計總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。 2、擬解決的主要問題 通過用最少量的某種材料來設(shè)計節(jié)油車的車架，使得其在各種工況下的強度、剛度滿足必備的要求。 三、技術(shù)路線（研究方法） 分析題目，收集資料 借鑒以往經(jīng)驗，確定設(shè)計方案 HQJ-500節(jié)油車總體布局設(shè)計 節(jié)油車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計 用ANSYSY軟件對其進行優(yōu)化 對車架進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 完成裝配圖、零件圖 完成設(shè)計說明書 NO YES 四、進度安排 1周：領(lǐng)取題目，資料收集，調(diào)研； 2周：繼續(xù)調(diào)研，整理開題報告，制定完成方

15、案和路線； 3周：開題答辯，設(shè)計任務總體方案，草圖設(shè)計； 4周：總體設(shè)計方案，草圖的審核與修訂和計算； 5-10周：包括底盤，副車架，專用裝置的設(shè)計、計算與校核； 11-12周：總圖設(shè)計和部件圖的修訂，整理設(shè)計計算說明書； 13周：整理、修訂、審核； 14周：預答辯； 15周：修訂； 16-17周：答辯. 五、參考文獻 [1]劉惟信. 汽車設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2001. [2]卞學良.汽車設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008. [3]余志生. 汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000. [4]陳家瑞. 汽車構(gòu)造.下冊[M].北京:機械工

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