基于NX的节能赛车车身设计与制造

杨涛

摘 要：论文以第9届Honda中国节能竞技大赛作为设计背景进行节能竞赛车车身正向设计。整个设计过程在满足竞赛要求的基础上，以降低整车机构复杂度和选择合理的车身材料从而降低整车整备质量，减小整车阻力为主要指导思想。基于空气动力学、人体工程学、机械工程学以及美学方面的知识对节能竞技车的车身各部位进行合理的设计与布置。论文利用NX软件勾勒车身形态特征线，再利用强大的曲面造型功能建立车身三维数字化模型。基于该模型完成节能赛车车身的制作，并在比赛中取得理想的成绩。

关键词：节能赛车;正向设计;车身设计

中图分类号：U469.6+96  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-57-05

Abstract： The paper takes the 9th Honda China Energy Conservation Competition as the design background to carry on the forward design of the car body in the energy conservation competition. On the basis of meeting the requirements of competition， the main guiding ideology is to reduce the complexity of the whole vehicle mechanism and select reasonable body materials so as to reduce the quality of the whole vehicle and reduce the resistance of the whole vehicle. Based on the knowledge of aerodynamics， ergonomics， mechanical engineering and aesthetics， the reasonable design and layout of various parts of the body of the energy-saving sports car are carried out. In this paper， the NX software is used to outline the body shape feature line， and then the powerful surface modeling function is used to build the three-dimensional digital model of the body. Based on this model， the production of energy saving racing car body is completed， and satisfactory results are achieved in the competition.

Keywords： Energy saving racing car; Forward design; Body design

CLC NO.： U469.6+96  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）05-57-05

前言

随着节能减排标准日益严厉，节能汽车和新能源汽车成为各企业未来的主要发展方向[1]。Honda节能竞技大赛由Honda创始人本田宗一郎先生发起，于1981年在日本创办，每年都有超过500支车队参加比赛。节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识，它结合了关于发动机总成改造、车架和机械机构设计、车身空气动力学、材料应用等的相关知识，让参赛车队通过各项技术挖掘1L汽油的无限潜能。车身是赛车的四大组成部分之一，在节能与美观方面起着决定性作用。国内车身设计多采用逆向工程（Rever -se Engineering，RE），由于节能车相对于家用汽车车身结构更简单，故通常采用正向工程（Forward Engineering，FE）设计全新车身结构[2]。论文采用正向设计方法设计了一套节能竞赛车车身模型，对于大学生体验比赛过程，培养动手能力，提升环保意识有重要意义。

1 节能策略分析

赛车节能的有效途径主要有采用高效发动机提高燃油效率、发展轻量化技术、减小汽车行驶阻力等。由于节能竞技车为比赛专用车，有专门的车手驾驶，使用场景单一，故从降低赛车行驶阻力和减轻赛车自身重量两方面入手分析节能措施。

1.1 车辆行驶阻力分析

汽车的空气动力性能与汽车的功率、行驶特性及舒适性密切相关。汽车具有良好的形状，不但可以提高汽車的动力性，还可以提高汽车的燃油经济性。汽车在行驶过程中受到空气阻力的作用，围绕汽车风压重心，同时产生纵向气动阻力、横向气动阻力、侧向气动阻力、侧倾力矩、纵倾力矩、横摆力矩，见图1。并且，赛车在高速行驶时，纵向空气阻力对其行驶状态影响最大[3]。

D-车身纵向气动阻力;S-车身侧向气动阻力;

L-车身横向气动阻力;PM-纵倾力矩;RM-侧倾力矩;YM-横摆力矩;

-合成气流相对速度;β-横摆角

赛车在行驶过程中受到空气阻力主要由形状阻力、干扰阻力、诱导阻力、摩擦阻力以及内部阻力5个阻力组成，总的阻力FD满足公式（1）。

由公式（1）可知，在赛车速度一定的情况下，减小赛车迎风面积或降低空气阻力系数均能够减小赛车空气阻力。通常正投影面积取决于汽车的外形尺寸，这是由设计需要决定的。因此，减小气动阻力就要减小气动阻力系数CD值。对空气动力学的主要要求有两个：其一，是减小气动阻力;其二，是减小气动升力和受横向风影响的不稳定性。由此，将节能赛车头部倾斜约35°，尾部圆滑收缩，侧面呈楔形、俯视投影成梭形。

1.2 车身轻量化策略

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;汽车整备质量每减少100Kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L;汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%[4]。车身轻量化技术主要从车身结构或零部件优化以及应用新材料两方面入手。车身材料既要满足车身设计、生产制造、装配、维护方面的要求，还要满足节能、环保、舒适、安全等要求，实现高强度、高性能和轻量化等目标[5]。汽车材料通常分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括：钢板、铸铁等重金属材料;铝、镁等轻金属材料及其合金材料。非金属材料包括：工程塑料、纤维、树脂、玻璃、橡胶、非金属复合材料、非金属泡沫材料等[6]。随着汽车技术的发展，现代汽车材料除金属材料、非金属材料外，复合材料和纳米材料也将获得广泛应用。综上所述，节能车采用碳纤维制造车身主要部件，座椅、导流罩等通过优化结构减小厚度从而保证其安全性能的同时降低车身重量。

2 人机工程学布置

2.1 人体模型分析

汽车人机工程学布置是整车布置的一部分，关乎车手的乘坐舒适性、操纵方便性、安全性、视野等驾驶体验，在设计过程中是至关重要的一环[7]。节能车作为比赛用车为达到节能的目的，由专门的车手驾驶。因此，选用身材中等或偏瘦的车手驾驶，根据车手身材选用50%男性人体模型[8]。图2所示的是2D车手模型，基于该模型调整车手坐姿，明确视野范围、手伸及面、方向盘、仪表盘安装位置等。

2.2 座椅设计

座椅根据人体坐姿背部曲线设计，采用汽车上广泛使用的工程塑料制成，直接使用轧带固定于车架上，具有质量轻、强度好、安装方便等优点。座椅后方增加隔板与发动机舱隔开，以避免座椅受热出现意外情况，能够很好的保护驾驶员。

2.3 仪表盘布置

节能赛车仪表主要包括：发动机转速、赛车速度表、里程表、秒表、车内温度计等，为便于车手驾驶时能够及时、准确、舒适、安全地查看赛车运行状况，通常以人体H点为基础点进行设计[9]。但节能车因其固定的车手身高体重，故直接根据人体模型确定车手手伸及面布置仪表盘，见图2。

3 几何造型设计

3.1 勾勒车身形态特征线

选择50%男性3D人体模型，定位H点到坐标系原点并依据2D模型确定初始坐姿。在车身几何造型正向设计过程中，通常基于设计美学勾勒出车身形态特征线，再考虑空气动力学要求利用该曲线构建曲面，从而创建车身造型[10，11]。根据大赛设计要求初定的赛车各个参数，融合现代汽车车身设计思想，考虑空气阻力的影响勾勒节能赛车形态特征线，见图3。

3.2 曲面质量评估

当基本断面发生突然变化时，气流将产生分离，CD值变大;拐角由棱角改为有曲率的圆弧外形时CD值将降低。因此在设计该节能竞赛车时，采用二次曲率，前端水平采用椭圆设计成小曲率，后面设计成抛物线，曲率逐渐增大。这样起到了很好的圆滑过渡。在NX中常见的有贝塞尔-Bézier曲线（曲面）和非均匀性有理样条-NURBS曲线（曲面）两种自由曲线（曲面）表达方法[12]。NURBS样条曲面表达更复杂，但更灵活，可通过控制顶点和插值方式来调整曲线（曲面）形状。NX造型设计模块提供了强大的高级曲面构建与分析工具，能够快速构建A级曲面与品质评估。为保证车身曲面的光顺性与高反光性，要求构建曲面的曲线曲率梳均匀或渐变、走势规律、无突变或扭曲。此外，要求曲面高光走势一致、条纹均匀、过渡光顺、无扭曲。节能车车身曲线及曲面评估结果见图4，构建车身曲面的曲线连接处曲率梳均匀、走势一致达到G2连续，符合高级曲面标准。

3.3 造型分析

3.3.1 车头造型

节能车头部盖向前倾斜，前翼子板向前收缩成“V”字型，便于融合川剧脸谱图案。为降低胎噪以及轮胎的空气阻力，设计该节能竞赛车时，采用二次曲率，前端水平采用椭圆设计成小曲率，后面设计成抛物线，曲率逐渐增大。这样起到了很好的圆滑过渡。车轮导流罩设计成带有缓缓地曲率，避免了轮胎直接收到风的冲击，防止气流在轮腔内产生气流分离，形成涡流，见图5。

3.3.2 腰部造型

车身侧面同样采用前挡风玻璃和车窗一体化设计，避免了A柱视野盲区，流线型好，保证了赛车内部空间的同时尽量缩小正投影面积A，见图6。

3.3.3 尾部造型

汽车尾部一般有阶背式、快背式和斜背式三种外形，见图7。节能竞赛车尾部秉承汽车尾部短而翘的原则，采用类似于汽车快背式的大圆弧快速收缩，避免车身过长。整车侧面投影呈楔形，正面投影呈梭形，整体流线性好，有效地降低了空气阻力。

4 结构设计与分析

4.1 零部件设计

为便于生产制造需进一步将车身拆分成车窗、翼子板、上车身、底板、车门等单独零部件，利用NX曲面造型模块设计节能车身结构见图8。各零部件单獨开模生产制造最后装配在一起。

4.2 校核分析

4.2.1 视野校核

（1）前方视野校核

方向盘一侧的风窗玻璃框架立柱称为A柱，是形成车手前方视野盲区的主要因素之一。由于该方案考虑到车手的视野和外形美观等因素，采用了挡风玻璃和车窗一体化结构。消除了汽车上A柱给车手带来的盲区并且保证了车手以正常驾驶姿势驾驶时，正前方的视野左右宽度至少90°、可视距离5m、可视高度2m，地面盲区长度在许可范围内，见图9。

（2）侧方及后方视野校核

综合赛车跑道实际情况中车手的视野和汽车内后视镜安装位置的相关要求。赛车风窗玻璃后部向下有一个大的圆角，车手可以借助左右风窗和头部斜上方的室内后视镜及时了解到车后以及左右的情况，单侧后视镜镜面面积48cm2（纵向60mm×横向80mm）确保行车安全。

4.2.2 操作方便性校核

驾驶室手伸及面是指驾驶员以正常姿势坐在座椅中、身系安全带、一手握住方向盘时另一只手能伸及的最大空间界面。驾驶室内的一切操纵扭件、杆件、开关等位置均应在驾驶员手伸及界面之内。由图11看出驾驶室空间足够大，驾驶员活动自如，四肢自然伸直，可方便地观看到方向盘上的仪表盘，坐姿舒适，操纵灵活。

4.2.3 安全性分析

为了提高安全性，车身结构必须保证行驶时车手的头盔前端位于前轮车轴的后方，在发生冲撞时车身结构必须避免身体直接受到撞击。在驾驶姿势的状态下，车身结构要确保车手的脚不会伸到车架的前方，车底板不能完全与地面脱离。车手的臀部与地面保持60mm以上的距离且脚部有足够的空间安放位置，座椅后方增加耐燃性材料（比如：石棉）制成的隔板，并且其高度必须高于发动机以备在行驶过程中发生火灾等意外情况。发生紧急情况时，车手能够从车内打开风窗玻璃很轻松的从赛车中逃出，如图11所示。若车手受伤严重可从外部破坏性拆除风窗玻璃。

5 车身制造工艺

车身流线型的曲面要求较高，在加工制造方面极具挑战性，一般工艺难以达到要求。为节约成本，论文利用NX将设计出车身零部件的模具，再通过3D打印、数控铣削等手段制造出车身模具，最后由人工浇灌碳纤维混合浆料冷却成型。该车队在比赛中取得较好的成绩，见图12。

6 结论

论文通过理论分析探索出赛车节能的两个方向：一是减小赛车行驶过程中的空气阻力;二是降低赛车自身重量。运用NX软件正向设计方案设计出赛车模型并进行了校核分析，最终在比赛中也取得了理想的成绩。有助于培养学生学习的兴趣、掌握并运用专业知识，同时，激发出他们对地球环境保护的热情，继承了大赛环保理念及挑战精神。

参考文献

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