节能车项目组技术策划案.doc

节能车项目组技术策划案212020年4月19日文档仅供参考n节能车项目组技术策划1 发动机发动机是整个赛车的动力来源,也是燃油的化学能转变成内能、并最终转化为机械能输出出来的执行机构。对于汽车而言,发动机的效率直接决定了能量的损耗。因此,发动机的调试、改装和优化,直接关系着燃油从化学能到机械能转化的效率,对于改进我们赛车的经济性有着至关重要的作用。发动机技术组负责发动机的磨合、调试、改装、优化和维护等工作,基于我们节能赛车的实际情况,针对节能比赛中低转速、低负载、短时间、小强度的特点,我们能够从提高发动机的热效率,调高燃烧效率和机械效率以上三个方面方面入手改造我们的发动机。一曲柄连杆机构的改造 1.提高压缩比。较高的压缩比能够使稀薄的混合气能够在气缸内更充分燃烧,提高了汽油的燃烧效率,达到增大功率的同时又节省了燃油的消耗量。因此,提高压缩比对我们有很大帮助。在不改变排量的前提下对汽缸体进行打磨,提高压缩比至12,与之前减小排量至100ml并提高压缩比的汽缸进行对比实验。由于压缩比的提高,气缸内的压力增大,对气缸的密封性能要求更高,这是我们需要解决的一个重要问题,当前的解决方案是增大紧固螺栓的扭矩。 2.拆除一道活塞气环减小摩擦机械损失,为活塞匹配一道组合气环防止漏气。 3.对发动机汽缸体和汽缸盖的散热片进行部分打磨减重。我们的赛车的发动机大部分时间是在熄火状态,只有极少部分时间是在进行工作,因此,对于我们的发动机来说,散热是没有必要的,为了给赛车减重,我们将对汽缸盖以及汽缸体的散热片进行打磨。在打磨汽缸盖散热片同时配合配气机构的改造。二配气机构的改造1.由于节能车的转速范围大,最低转速与最高转速有相对差值,对进气量的要求依转速有所不同,因此,我们打算模仿现有的可变配气系统技术,为我们的发动机设计匹配的可变气门升程。在不同的转速下,使进气达到最优,提高燃烧效率,降低燃油消耗率,使发动机在最经济的状态下运行。2.尝试对凸轮轴和摇臂的接触方式进行修改,在摇臂和凸轮轴的接触处加装滚轮,减小机械损失。三供给系的改造 化油器的重点在于调化油器和点火角,把化油器和点火角调至最佳的配合工作点,其它改装方案都是在此基础上的优化方案。1.更改主油量孔内径,减少主配剂的供油量,节省燃油,同时防止动力过剩;增加微化泡沫孔,提高雾化质量。具体措施:(1)为了减小主量孔的内径,能够采用在主量孔内径塞铜丝的方法,虽然很有效,但相对比较麻烦,且有安全隐患,不稳定。(2)自己设计做主油量孔(3)能够将不同化油器上的主油量孔互换使用,。对化油器的油水平面,油针工作位置先不要进行调整,可根据摩托车使用情况再作调整。改装完成后可起动发动机进行加速试验,如果出现加速不畅,高速供油不足现象。这是由于主量孔内径过小,供油量过少引发的,能够使用小工具将主量孔内径稍微扩大一点,增加一点供油量。再与未改装的化油器进行对比试验。2.重做排气管。从理论上讲,排气管应做成渐扩形。与进气管类似,内壁应光滑并做成螺旋状,方可使排气更加彻底。我们的节能车,空燃比已经很大了,混合气较稀,双火花塞使得稀薄燃烧更加充分,废气可利用价值小。原车由于空间所限,排气管的布置很不合理,今年在空间允许范围内,尽量使排气顺畅。3.重做进气管,模仿现有技术为我们的节能车设计可变进气道,采用电控阀门控制进气道间的切换.使发动机不同转速的性能得到优化。 4.对混合气加热,或进气管内布置蜂窝状PTC电热陶瓷,以提高雾化效果。 5.发动机熄火时由于惯性,发动机会继续运转,从而会再吸入一部分油,这些油根本就不燃烧,造成燃油浪费。我们准备在熄火瞬间切断燃油供给;喉管处设通气阀,在发动机熄火瞬间进行补气,降低真空度。四点火系的改造1.加装双火花塞,采用双点火电路控制。采用双火花塞能够改进燃烧,提高燃烧效率,这个改动能够使点火能量提高,使燃烧彻底,还能够抑制我们因提高压缩比产生的爆燃,以及有效防止表面点火现象,防止产生积碳。2.使用”超级点火器”优化点火正时,采用分时点火。我们会经过大量的实验完善点火曲线。试验方法如下: 1)实验验证不同转速的发动机工况,标出怠速区间和稳定区间范围。 2)对发动机点火曲线进行点标定,采用双火花塞同时点火方式标定一部分点的最佳点火提前角,描绘点火曲线。 3)切断一个点火电路,对原装单火花塞进行点火标定,描绘点火曲线。 4)保证单火花塞的点火曲线,对进气门侧的火花塞点火提前角进行试验微调,与双火花塞同时点火进行对比,调整出优化的分时点火曲线。预计双火花塞得工作情况为怠速工况为进气门侧火花塞提前点火的分式点火,稳定工况同时点火。 3.更换Denso铱金火花塞,使用高品质的高压线,保证点火的可靠和稳定。五润滑系的改造去年发动机机体切割及润滑系统改造方案为基础,和发动机与车架定位的定位销位置不变,发动机下部机体切割与去年不同,保留离合器和飞轮的圆形外壳,沿圆形外壳分为2个面切割。该种改动的优点为发动机能够倾斜放置,减小车身高度;方案成熟。 我们将以去年润滑系统改造方案为基础,沿用外置机油泵,发动机下部与铝合金板焊接为新的油底壳。去年主要面临的问题是主轴末端滤油转子和壳体间以及主轴轴上的孔漏油严重,可将末端的普通轴承换成油封轴承。直接堵住从曲轴轴线经过的油路,因为曲轴输出动力这侧(漏油就发生在曲轴输出动力这侧)能够不润滑。如下图所示黄色线路为润滑油路,处溢出来的机油是用来与离合器接触处润滑,根据我发动机改装方法,曲轴和离合器的相对运动时间很少,此处不需润滑,或装配钱涂抹润滑脂即可。处本是一用滤油转子,而滤油转子和离合器一体,除去滤油转子,打通处,机油直接流向曲轴,给曲轴润滑。六起动系的改造。 该部分的改造包括寻找匹配我们发动机的快速启停装置,或对现有电磁起动机进行改造,以达到减少怠速时间,减小燃油消耗的理想结果。七电控方面的改造。1.采用步进电机精准控制油门开度,协调驾驶员操控的同时一定程度上控制进油量。2.发动机台架实验尝试使用氧传感器对排气进行检测,根据反馈信息对进气和化油器进行调整。 2 车身与车架08、 的比赛,我车队都使用碳纤维上下全封闭的车身,自己设计建模,进行CFD分析,采购材料,然后由玻璃钢厂为我们制作模具以及制作碳纤维车身。由于设计和工艺均存在不同的问题,今年我们将对这两方面都进行相应的改进。 赛车 赛车一.改进车身制作工艺。碳纤维车身重量以及稳定性等方面都表明它是暂时为止,我们发现最适合我们车身的材料, 赛车依然使用碳纤维车身,将对车身工艺进行改进。08、09都是由人工完成模具的开发,费用高但质量并不理想。车身方面采用了玻璃钢的成型工艺制作碳纤维车身,总重在10KG左右,但主要受力的碳纤维成分只有2.8KG,起结合作用的树脂占了大部分比重,今年需要改进这种制作模具以及碳纤维材料成形的工艺。为达到上述目标,今年将集中力量调研用石膏或木材制造模具、碳纤维布和碳纤维的成型工艺以及采用蜂窝板制作一体化下车身等资料。力争用石膏制作整模,提高成形后的表面质量,采用新的成型工艺在确保车身强度和刚度的前提下减小车身重量,对蜂窝板的成型和制作储备技术。同时,进行调研,考虑由专业厂家根据我们的设计方案进行全套的模具开发及车身制作。不排除寻找外地厂家。二.优化、探索新的车身造型和车架设计方案。1.局部优化原有车型并制作新车型以对比使用:由于 总布置轮距较小致使赛车稳定性不足、造型空间局促、视野不好,今年将对轮距进行适当加宽,在此基础上车身造型设计提出以下改进方案:(1)车窗造型由凸改凹,以改进视野。(2)适当降低油瓶高度并在油瓶开口位置的前后设置导流板,以减少因开设孔洞带来的风阻的增加。(3)将车身延伸至车轮下部,尽量减少车轮外露部分,减小风阻。(4)参考富士白的车身形式设计车轮与车身主体分离的分体式新造型,并对比因较少用料而减轻的重量与可能增加的风阻之间对节油效果的影响,选择最优的设计方案。世界纪录保持者日本富士白赛车2.车架沿用铝合金材料08, 赛车均使用了铝合金车架, 无论在重量还是强度上都达到了我们之前的要求。出于对镁合金性能部分优于铝合金的考虑, 赛车上,我们也尝试采用了镁合金车架,事实上由于材料本身变形和工厂达不到焊接工艺要求,效果很差。在没有发现更好的材料之前,今年我们将继续采用铝合金焊接车身。同时我们将在考虑大会工程师的建议,为铝合金车架作T6处理,以进一步提高强度。同样我们依然对车架进行有限元分析,以从理论上确保车架的强度和刚度。3 行驶、传动及转向系统行驶组主要负责后轮传动部分、前轮转向部分的设计、试验、制造,以及车轮的选型和对比试验。具体做出以下几方面的策划:一.传动部分 根据 对可分离式棘轮离合器、摇把式离合器和牙嵌式离合器三套方案的实验,其中牙嵌式离合器相对前两种具有突出的优势,因此今年我们将牙嵌式离合器作为基础方案。今年将继续在牙嵌离合器基础上进行改进,解决离合器控制机构动作慢、结合冲击的问题。同时进行新型离合器的设计开发。 离合器结合时有冲击,这是机械离合器不可避免的弊端,我们所能做的就是尽可能的去减小它。经过 的重复试验和调试,我们最终采用的牙嵌离合器已经将冲击减小到了较小的程度。今年将采用继续优化牙签离合器和设计全新离合器两个方向。初步拟定方案:1. 离合器方案(1)扭转减震式牙嵌离合器:就是在 离合器的基础上,参考汽车离合器摩擦盘的构造,设计扭转减震式牙嵌离合器。即在从动链轮和主动牙嵌之间安装扭转减震器,减小牙嵌结合时的冲击。09牙嵌式离合器汽车离合器从动盘和扭转减震器 (2)链轮固定牙嵌离合器:08、 比赛所用牙嵌离合器存在分离结合是需链条左右移动的问题,为保持其传动稳定,需限制离合器上左右尺寸的分布,另外,链条移动时对轴施加的侧向力会对轴造成强烈冲击,使轴弯曲,加速直线轴承对轴的磨损。为解决此问题,我们设计了链轮不移动的牙嵌离合器,并将进行相关实验。(3)可变传动比的牙嵌离合器。参考山地车变速机构,在链轮固定牙嵌离合器的基础上开发可变传动比牙嵌离合器。采用可变速比离合器能够更好的匹配赛车的动力,可是与此同时也会较大幅度增加赛车的重量。条件允许情况下我们将进行可变速比离合器的试验。2控制机构方案 赛车采用了步进电机加杠杆的方式,控制机构不稳定;09赛车采用了电推杆,工作稳定可是动作过慢。今年我们将尝试采用电磁机构。同时继续采用电控离合器。采用电磁结构的优点在于:l 避免了由于电机移位所造成的分离不彻底;l 电磁机构的反应速度相对要快,使动作延迟缩短,能减小主动牙嵌和从动牙嵌的速差,能够很大程度上减小冲击。二.行驶部分 行驶中的车辆在不进行刹车的情况下,如果没有驱动力的作用,会慢慢降速。这种作用于行驶车辆的力称为”行驶阻力”。轮胎在路面上滚动时产生的阻力称为”滚动阻力”。当道路有左右倾斜坡度和转向时,车辆容易向倾斜的方向或离心力方向滑动,轮胎会产生将车辆拉回原处的力。这种阻力称为过弯阻力,这也会增加行驶阻力。滚动阻力和轮胎和地面的滑动、摩擦都会产生阻力。降低行驶阻力是实现节能关键之一。今年我们将采取以下措施:(1)继续采用高压轮胎。胎压过低时,轮胎被压扁,轮胎的接地面积增大,行驶中轮胎会重复变形,在滚动过程中轮胎、内胎会产生摩擦,造成能量损失,从而增大阻力。气压越高滚动阻力系数越小。右图为节能竞技大赛官方提供的胎压与滚动阻力系数之间的关系。(2)对轮胎花纹及尺寸进行选型。光头胎的滚动阻力系数最小,可是抓性能相对较差。车辆行驶过程中(特别是加速与转向时)轮胎与路面之间产生滑动也会增加滚动阻力。参考顶级自行车轮胎生产商Schwalbe的产品,不同花纹轮胎的速度性和抓地力有以下表现,其中图片右侧图框第一项表示速度性能,第二项为抓地性能,部分轮胎下方有具体的性能表现。以蓝色的五格为最佳,灰色五格次之。无花纹速度性能 抓地性能 花纹描述斑点状浅纹颗粒状花纹(公路用)颗粒状花纹(山地用)在我们搜集的资料中,其它品牌的不同花纹的自行车胎也有相似的规律,从这些资料分析前轮较适合采用无花纹的轮胎,后轮较适合采用带斑点状浅纹的轮胎。可是轮胎的粗细以及胎压对相关性能也有较大影响,需要综合考虑。今年将经过实车试验,至少对20X1.25、20X1.50、20X1.75三个规格不同花纹的车胎进行对比试验,从中选出最适合节能车的轮胎。(3)前轮节能车采用单悬臂轮组或单悬臂轴承。车轮与车轴轴承之间的阻力广义上也属于轮胎滚动阻力。普通轴承或车轴多为满足两侧支撑而设计,是考虑到其不会受到横向上较大的力和弯矩的情况下制作的。而节能车前轮为单侧支撑,会产生较大弯矩,转弯处也会受到横向的离心力。加之节能车重量比一般自行车大,使用普通车轴或者轴承不但车轴变形量大,而且轴承工作阻力增大。使用专门设计的单悬臂车轴有利于减小车轴形变,有利于实现前轮的零定位,也能减小轴承工作阻力,从而减小行驶阻力。今年我们将首先对市场上现有的单悬臂车轮进行试验和分析。在掌握单悬臂车轴的使用性能、设计中需解决的问题后,进行针对节能车的单悬臂车轮设计制造。一种单侧支撑车轮毂结构捷安特单悬臂自行车前轮 (4) 使用胶粘剂把轮胎内侧与轮圈粘合起来。传递到轮胎上的应力随速度的提高而增大,车轮不但直线向前行驶,而且也会转向行驶,为了减少直接作用于轮胎上的复杂的应力,用胶粘剂把轮胎内侧与轮辋全部粘合起来,使其能更好的承受在行驶中产生的负荷。这样能减小轮胎形变,也能减少内胎和轮圈的摩擦。使用胶粘剂也能防止轮胎爆胎。粘剂层在侧向力作用下的变形一般胶粘剂的涂布量(获得最大粘合力)为4050um。可是胶粘剂不但要粘接轮胎与轮圈,还要与弹性体一起缓和施加于轮胎各个方向上的应力。节能车在以小曲率半径过弯时轮胎要承受与普通自行车更大的横向力,为了保证此时保证轮圈与轮胎的接合,提高在高胎压、重负载条件下的安全性,需要使用更厚更强力的粘着剂层,初步估计我们赛车车轮粘接层厚度应该在120200 um这样一个范围。另外磨损轮胎的胎面胶相较于新轮胎较薄,阻力也小。今年在确保安全的情况下也会进行相关试验。由于我们的赛车平均速度在30Km/h以内,速度区间主要在1545Km/h,速度对行驶阻力的影响不大。下图为节能竞技大赛官方提供的路面阻力系数与车速、轮胎磨损程度之间的关系。三.转向部分转向部分的优化并不直接产生节能效果,可是转向系统关乎赛车能否按照驾驶员的驾驶意图和预定行驶线路行驶、转向过程中是否能尽量实现车轮的纯滚动。而且与安全密切相关,因此同样不能疏忽。(1)转向拉杆由长短杆改为双短杆。采用双短杆有利于空间的利用和减重,而且相较于去年采用的长短杆能提高赛车的操控性。我们将根据赛车行驶时转向角度密集区间优化转向梯形。(2)对前轮主销等采取零定位。我们将在设计的过程中考虑材料和结构的变形,使前轮在行驶状态下实现零定位,进一步减小行驶阻力。(3)提高焊接精度。将转向系统和车架总成进行焊接时,今年将继续使用工装夹具等较为精确的加工方式。根据去年经验,转向部分的定位精度跟车架有直接关系,今年将尝试将车架和转向交由一家工厂整体制作夹具进行加工。4 信息采集系统和驾驶员辅助系统为提高各技术组实车试验的数据采集精度,并帮助驾驶员实现对赛车的进一步优化控制,今年我们将设计安装信息采集和驾驶员辅助系统。这个系统主要由传感器、数据记录模块、数据处理模块、驾驶员提示模块等组成。一.系统组成1.传感器(暂定)(1)氧传感器。用来采集发动机尾气中氧的含量,间接判断发动机内氧气燃烧情况。(2)温度传感器。采集发动机温度和赛车所处环境温度。(3)空气流量传感器。采集发动机进气道进气量(4)风速传感器。采集车辆外部空气相对于车辆的空气流动情况(5)转速传感器。采集发动机转速(6)车速传感器。采集车辆的行驶速度(7)转角传感器。采集车辆的转向角度(8)水平倾角传感器。采集车辆行驶过程中的路面坡度2.数据记录模块。(1)采集的数据包括车况数据和外部环境数据。车况数据包括车速、发动机转速、油门开度、油耗等;外部环境数据包括赛道坡度、风速、温度等。记录驾驶员在各个时间点对赛车的操控。(2)所有数据均以时间为横轴。另外赛道坡度须以距离为坐标做单独的记录。(3)数据采集系统在赛车制造过程中,经过采集赛车车况数据,为各技术组提供实验数据,为方案设计提供支持。在各技术组进行方案实车实验的过程中,经过采集赛车参数,进行数据对比,为实车实验提供支持。3.数据处理模块(1)对采集的数据进行基本处理,向技术人员提供可用的车辆行驶记录信息(2)根据技术人员的要求,向车手提供经处理后的提示信息。4.驾驶员信息提示系统(1)显示当前状态下驾驶员的驾驶状态。(2)准确提供当前状态下最安全最经济的驾驶方式。(3)向车手反馈当前赛车的基本状况。二系统工作流程 1.技术人员制定试验方案,进行不同情况、不同驾驶策略下的赛车油耗实验。传感器采集数据,数据记录系统记录数据。 2.技术人员对采集到的数据进行分析,制定在不同情况下安全、经济的驾驶策略。3.在不同情况下,采用相对应的驾驶策略进行试验,测定油耗值。根据试验情况校正不同情况下的驾驶策略。4.将经过验证的驾驶策略植入数据处理系统。静态测试系统的工作状况,验证可靠性。5.车辆行驶中实时采集各种数据,并根据植入的最佳驾驶策略对车手进行提示。除上述的方案之外,今年也将继续尝试整合各部分的电子设施,把发动机点火模块、化油器控制模块、传动控制模块整合在一起,使之协调工作.我们也将尝试将赛车信息经过无线模块传递给赛道外的队员,从而更好的帮助车手判断、处理所遇到的状况,实现更优的驾驶。纵观我们过去两年,我们积累了很多经验,也吸取了很多教训。 第一届节能竞技大赛,我们仅仅是模仿日本样车、按照最稳妥的方式设计了传动系统、车身和车架,而发动机其它部分则几乎没有改变。 第二届节能竞技大赛,我们在传动系统、车身和车架上进行了大胆的尝试并取得了非常理想的效果,实现了发动机核心改造的第一步,可是,对比其它车队,我们的发动机改装依然不够深入,发动机成为了我们前进的最大障碍。 第三届节能竞技大赛,我们在技术上实现了全方面的突破,特别是发动机,可是设计方式过于陈旧,设计缺乏必要的理论支撑,对于很多技术的处理手段过于粗糙。今年我们将在往年积累的经验的基础上,进一步强化理论对方案设计的指导、大幅度增加对比试验在赛车设计和匹配中的应用,用必要的理论分析和可靠实验数据为我们的赛车制造提供支撑,为实现再一次突破创造条件。 吉大汽车-肯赛车队 4月23日