基于新能源汽车技能大赛探索轻量化赛车制作的关键技术

兰州石化职业技术大学 王 雄，韩 振

1 研究背景

车辆“轻量化”最开始是在赛车运动中提出的，车辆质量轻了，可以获得更好的操控性和加速性能。随着“节能环保”意识的增强，“轻量化”技术被广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时汽车还能有出色的节油表现。汽车轻量化是在保证汽车整车强度和安全性能的前提下，尽可能降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗并降低排放。因此，国家从2019年开始举办汽车轻量化大赛，为全国高校提供了学习交流平台，充分体现了以赛促教、以赛促学、以赛促改，赛课融通、赛训结合的理念，旨在通过大赛培养高素质综合性技能人才，实施技能强国战略。

2 轻量化赛车制作技术对比分析

新能源汽车技能大赛是推进实施制造强国战略的重要举措。该赛项特别要求的是原创性，鼓励参赛选手自己设计、加工和装调，制作出结构合理、性能优良、节能环保、安全可靠的比赛车辆。2020年我校首次参赛，通过对比各院校的参赛车辆，在45支参赛队伍中，我校参赛车辆质量排名前五。笔者认为竞赛车辆的质量关键取决于车辆的设计和材料的选择。

（1）材料选择。根据规则要求车架采用下铝、上钢、复合材料覆盖的总体结构设计，铝制地板框架；其他参赛队采用了6063无缝铝合金25 mm×25 mm×2 mm方管，而我校采用了6061无缝铝合金25 mm×25 mm×2 mm方管，6061铝管的焊接性能好，重量轻。车架材料要求必须用外径至少25 mm、壁厚至少1.6 mm的管件制作，其他参赛队则采用了25 mm×1.8 mm的钢管，符合规则但是质量重；笔者通过受力分析测试外径25 mm、厚1.6 mm的4130管件即可通过车检也能满足强度要求，所以我校采用了25 mm×1.6 mm的4130钢管制作车架，质量轻、焊接性能好、强度高。

竞赛规则要求车身面板的厚度不得小于1.0 mm，底板厚度不得小于2.0 mm；材料可以使用铝合金板、钢板、碳纤维板，80%的参赛队使用了铝合金板，铝合金板价格低、制作方便、便于修改；而我校选用了碳纤维板覆盖件，碳纤维板质量轻、柔韧性好、强度高，有较高的韧性。

（2）车架设计。竞赛规则要求车架的防滚架最高点距离车辆座椅下方，底板上平面的垂直距离不得小于950 mm；我校车辆是以驾驶人的身高为准，高度为952 mm；而其他参赛队做的余量较大，导致质量增加。驾驶人位置左右护栏中心线的最大宽度不得小于1 000 mm；我校车辆的实际尺寸为1 010 mm，由于其他车辆的驾驶人身材略胖所以要求增加尺寸，从而增加了车重；车辆横向梁管件之间的垂直距离不得小于100 mm，由于我校驾驶人身材瘦小刚好满足要求，其他参赛队都远远大于此要求，又导致了赛车质量增加；车手以正常驾驶的姿势坐在座舱内，车手的肩部、躯干、臀部、大腿、膝盖、手臂、手肘与防滚架管件中心构成的内侧平面之间的距离不能小于100 mm；所有安全尺寸都与驾驶人有关，我校以最小的安全尺寸设计了能通过车检的竞赛车辆，减轻了整车重量，实现了轻量化的目的，我校赛车外观如图1所示。

图1 车架设计

（3）我校轻量化赛车设计亮点。赛车设计之初，笔者与同事进行了深入思考和讨论，大量采用新型高强度轻型材料很容易实现赛车轻量化的目的，但是材料成本和特殊的加工工艺会使车辆从研发到生产的全过程中成本大幅度增加，综合能耗也成倍增加。因此，车辆轻量化需要综合考虑材料、加工工艺、安全、成本控制等各方面因素，做到合理轻量化。我校竞赛车辆以中汽恒泰教育科技有限公司搭建的平台为基础，根据竞赛规程及车手体格进行开发设计，运用三维软件进行结构、工艺优化和仿真测试，测试结果完全满足各项要求，保证整车安全使用。整车采用上钢下铝结构、高强度轻质合金材料、高强度复合材料和新型型材纯手工打造而成，最大化地减轻了整车重量。整车车身采用薄壁高强度轻型合金钢管加工而成，强度高重量轻，抗变形、抗冲击能力强；底盘采用高强度铝合金型材制作而成，抗腐蚀抗冲击；车身覆盖件采用碳纤维板裁剪制作，质量轻风阻小、免涂装；座椅等附件采用工程塑料等轻质高强度部件。整车根据不同部件和受力情况合理布局用材，达到“材尽其用”的效果，满足了整车材料、工艺、安全等各项要求，最终实现了最优性价比。

3 我校轻量化赛车加工工艺

（1）车身及底盘管材采用钨极氩弧焊焊接工艺，在保证焊接强度的情况下尽量利用材料本身进行连接，减少焊材用量。

（2）合理减材。对轮毂、立柱、支架、吊耳、方向机、转向节、座椅、支架等部件根据受力分析，采用车、铣、钻、切、磨等工艺对部件冗余部分及边角处进行加工，实现合理减小车身质量。

（3）传动系统齿轮组优化加工。对车辆减速箱齿轮组通过车和钻的加工工艺对齿轮进行了减重处理，车辆在每一次起步和加速的过程中，整个传动系统的惯性阻力减少，提高了传动系统的响应性，实现节能减排的目的。

（4）车辆组装也是考验整车各系统配合精度的重要环节。笔者严格按照仿真模拟操作步骤，使用专用工具规范有序操作。组装顺序为：铝制底盘→车架→前后悬架→车轮→转向系→减速箱→传动轴→电机→电池→控制器→制动总泵→加速油门踏板→座椅→鼻翼及尾翼。

我校设计的赛车如图2所示，整体结构合理，外形美观大方；车身部分采用绗架结构、笼式结构、利用三角支撑的方式强化车身强度；前悬架采用双横臂独立悬架结构，结构紧凑，满足车辆操控性要求；后悬架由独特的上叉臂和简化的下摆臂构成，结构简便，又能承受复杂的空间应力变化；车辆转向盘采用快拆结构和独特的可收缩方向管柱结构，能最大程度地保护驾驶人的人身安全；车辆采用前部扭力杆式防倾杆，可有效缓解车辆在高速转向时的侧倾现象，后部加装瓦特连杆式防倾装置，这种结构是为了使左右两侧车轮一直与地面保持最佳接触，产生最大抓地力，大大提高了车身的稳定性和动力性，在提高赛车舒适性的同时加强车辆的循迹性；车辆避震采用FOX倒置式空气弹簧避震器，其有效行程达到167 mm，车辆舒适性有很大提升，倒置式避震器有利于降低簧下质量，悬挂反应更灵敏，有利于车辆操控，而且倒置式避震器比传统的正置式刚性更强，重量却低于正置式，本车搭载的单个避震器质量为1 800 g。

图2 赛车整体结构

4 结语

我校制作的新能源轻量化赛车通过轻量化技术方案设计与展示、车辆装配与调试、车辆综合性能测试三个项目的比拼，最终荣获第二届全国新能源汽车关键技术技能大赛汽车装调工（新能源汽车轻量化技术）（教师组）一等奖，笔者被授予“全国技术能手”荣誉称号。此次比赛真正体现了以赛促学、以赛促教的职教观，实现了理论与实践相结合的目的。