劉建勝

(愛馳汽車有限公司，上海 200082)

0 引 言

由于科技的飛速發(fā)展和綜合國力的崛起，我國人民對(duì)汽車的需求量大大增加，導(dǎo)致我國的汽車產(chǎn)量每年都呈現(xiàn)快速增長的趨勢(shì)，這種情況雖然給人們的出行帶來了方便，但也帶來了環(huán)境隱患。隨著汽車的增加，能源消耗逐漸增加，儲(chǔ)油量逐漸減少，環(huán)境污染問題也開始引起大家的關(guān)注[1]。環(huán)境污染已成為當(dāng)今社會(huì)的研究主題，因此，在新能源汽車的設(shè)計(jì)上，不僅需要對(duì)汽車的外觀進(jìn)行要求，而且還要防止環(huán)境再污染，從而推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展前景[2]。

新能源汽車折疊底盤結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有車輛，不使用現(xiàn)有車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)施，而是通過電池發(fā)電來旋轉(zhuǎn)汽車電機(jī)和車輪，并利用有限元分析方法對(duì)汽車底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，折疊底盤結(jié)構(gòu)在行駛過程中全部由電能控制，不向外界排放污染物，非常環(huán)保。近十年來，研發(fā)人員在設(shè)計(jì)汽車底盤時(shí)，主要采用較為傳統(tǒng)的方法來設(shè)計(jì)底盤的尺寸和結(jié)構(gòu)，或直接依賴新能源對(duì)底盤進(jìn)行有限元分析和計(jì)算，由此帶來的底盤設(shè)計(jì)難題是不可避免的。底盤是汽車最基本的部分，幾乎所有的零部件都必須安裝在底盤中，因此它必須承受汽車及其零部件的所有重量、載荷和工作[3]。因此本文設(shè)計(jì)了一種新型汽車折疊底盤分析方法，旨在滿足新能源汽車的節(jié)能減排要求。

1 新能源汽車折疊底盤結(jié)構(gòu)分析方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建新能源汽車底盤折疊結(jié)構(gòu)模型

汽車的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，汽車的每個(gè)部件都可以作為一個(gè)單獨(dú)的模塊獨(dú)立開發(fā)。每個(gè)模塊都形成了特定的市場(chǎng)規(guī)模。汽車的各個(gè)部件經(jīng)過模塊化拆卸后，會(huì)形成許多相對(duì)獨(dú)立的模塊，這些模塊是獨(dú)立的，可以并行運(yùn)行[4]。此外，在模塊拆解后的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，每個(gè)模塊只需要承擔(dān)自己的風(fēng)險(xiǎn)，因此提高了汽車整體的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

最終將具有各種功能的汽車模塊組合在一起，形成理想的汽車產(chǎn)品。折疊車分為車架模塊、集成輪轂?zāi)K、集成車身模塊和電控模塊?？紤]到各部件之間的裝配和運(yùn)動(dòng)干涉問題，折疊車的尺寸主要由微型車的尺寸和MIT城市車的設(shè)計(jì)尺寸來確定，其功能由兩個(gè)液壓杠桿實(shí)現(xiàn)，基于此，設(shè)計(jì)的折疊車參數(shù)見表1。

表1 折疊車參數(shù)

由表1可知，前車身采用頭盔式的設(shè)計(jì)方式，不僅使被動(dòng)安全性提高，而且方便乘員上下車，更能節(jié)省空間。在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和車身尺寸確定后，開始對(duì)折疊車進(jìn)行實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)仿真[5]。運(yùn)用三維建模軟件UG建立了3D模型零件圖并進(jìn)行裝配及運(yùn)動(dòng)仿真，從而確定汽車的折疊功能，基于此設(shè)計(jì)的折疊汽車模型如圖1所示。

圖1 折疊汽車模型

由圖1可知，為方便底盤的安裝和制造，新能源汽車的車輪采用一體化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電機(jī)、定位參數(shù)、懸掛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)都集成在車輪中，使結(jié)構(gòu)更加緊湊[6]。整體輪轂設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，安裝位置旋轉(zhuǎn)角度小，易于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)，大大降低了使用成本，由于車身的非彈簧質(zhì)量大，對(duì)外界激振響應(yīng)慢，整車的操控性差，基于此，設(shè)計(jì)出的集成化車輪如圖2所示。

圖2 集成化車輪

根據(jù)圖2的集成化車輪，在折疊汽車實(shí)體模型建立后，為了了解本設(shè)計(jì)對(duì)于停車時(shí)節(jié)省空間所發(fā)揮出的效用，引入折疊效率的概念，折疊效率公式為：

F=(L0-L1)/L0×100%

(1)

利用該公式，可以對(duì)折疊汽車折疊功能的優(yōu)劣作出評(píng)估，折疊后，整車長度和傳統(tǒng)汽車寬度相當(dāng)，可以橫停在傳統(tǒng)汽車停車位上。這樣一個(gè)傳統(tǒng)汽車停車位能停4輛本設(shè)計(jì)中的折疊汽車，可節(jié)省大量的停車空間。

1.2 基于有限元模型分析新能源汽車折疊底盤受力

折疊汽車的底盤受力問題對(duì)其設(shè)計(jì)有重要意義，因此本文設(shè)計(jì)的方法使用了有限元模型來精準(zhǔn)地分析此時(shí)新能源汽車的折疊底盤受力情況[7]。有限元指的是自由裁量權(quán)，可被視為有限且足夠小的元素集，這些元素之間通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，如果節(jié)點(diǎn)處的受力情況發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)位移排斥現(xiàn)象，基于此，可以使用有限元模型，建立每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力的線性代數(shù)方程來分析每個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力情況。

使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析指的是將建立的三維模型離散化，將結(jié)構(gòu)的實(shí)際載荷施加到其離散后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，通過相應(yīng)的處理軟件進(jìn)行劃分，得到劃分單元，然后定義材料屬性，施加載荷，最后求解結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，建立各個(gè)劃分單元的平衡方程和線性求解代數(shù)方程，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力[8]。在進(jìn)行有限元分析之前，首先要確定汽車底盤各部分的受力。由于新能源汽車沒有傳統(tǒng)動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和動(dòng)力傳動(dòng)系，電機(jī)采用輪式電機(jī)，因此在分析荷載時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，此時(shí)的參數(shù)值見表2。

表2 額定參數(shù)值

根據(jù)表2的額定參數(shù)值，設(shè)計(jì)此時(shí)的折疊底盤受力有限元分析公式，如式(2)所示。

(2)

在有限元分析公式中，新能源汽車的底盤采用折疊式車架安裝。此時(shí)車架的分析分為三個(gè)步驟，第一步，進(jìn)行剛性分析，第二步，分析此時(shí)的靜強(qiáng)度，第三步，再進(jìn)行模態(tài)分析。由于新能源汽車的車架由前后車架的重疊部分組成，因此在分析前需要對(duì)它們進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義前后車架重疊部分的接觸面，從而準(zhǔn)確描述零件之間的傳遞力。分割網(wǎng)格時(shí)需要注意的問題有幾個(gè)，第一是原始模型的簡(jiǎn)化，第二是元素類型的選擇，第三是元素?cái)?shù)量的控制，第四是網(wǎng)格類型的選擇，最后是組件之間連接類型的處理以及載荷的應(yīng)用[9]。

有限元分析中使用的框架單元一般分為三類，即梁?jiǎn)卧?、板殼單元和?shí)體單元。在分析中，可將框架簡(jiǎn)化為空間鏈接結(jié)構(gòu)，將梁?jiǎn)卧獊泶婵蚣艿恼w結(jié)構(gòu)。這種分析方法的優(yōu)點(diǎn)是有限元模型簡(jiǎn)單，單元數(shù)少，不用消耗過多的計(jì)算機(jī)資源，且其計(jì)算速度快，此時(shí)分析框架的空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了簡(jiǎn)化，車架的結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，難以實(shí)現(xiàn)汽車底盤的處理。因此，使用這種方法分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致局部應(yīng)力響應(yīng)效果不理想。

框架的有限元分析最常用的單元為板殼單元和實(shí)體單元。板殼單元具有精確性，因此其可以直接反映縱橫梁、局部加強(qiáng)板和各種輔助支架的連接方式，解決了汽車底盤模型不易模擬的問題。此外，該單元還可以生動(dòng)和準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)變力和應(yīng)力條件，動(dòng)態(tài)地分析汽車底盤框架[10]。使用實(shí)體單元進(jìn)行框架有限元分析時(shí)，具有占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，計(jì)算周期長的缺點(diǎn)。在實(shí)際工作中，網(wǎng)格是按實(shí)體劃分的，如果網(wǎng)格劃分不正確，很容易在計(jì)算過程中出現(xiàn)內(nèi)存溢出等問題，導(dǎo)致有限元模型分析計(jì)算程序的強(qiáng)制終止，因此，本文設(shè)計(jì)的有限元模型采用板殼單元和實(shí)體單元相結(jié)合的方式來模擬汽車底盤的框架結(jié)構(gòu)。

建立的有限元模型應(yīng)具備良好的經(jīng)濟(jì)性和超高的計(jì)算精度。顯然，有限元模型建立得越完善，其計(jì)算結(jié)果就越準(zhǔn)確。但是，有限元模型并不是越復(fù)雜越好，這是因?yàn)椋邢拊Ｐ偷膹?fù)雜程度與有限元模型的精度不成正比。復(fù)雜的有限元模型在預(yù)處理、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、計(jì)算時(shí)間和處理上浪費(fèi)了大量的人力和物力，大大增加了計(jì)算成本，基于此建立的模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

由圖3可知，車架部分主要由縱梁、橫梁和桿板組成。兩根縱梁是汽車載荷和扭轉(zhuǎn)力的主要承重構(gòu)件。本文基于有限元模型分析，認(rèn)為新能源汽車的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的，在實(shí)際應(yīng)用中，拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種組合的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，可以使前后車架通過滑軌分開連接，提高底盤的最大承受力。在設(shè)計(jì)底盤受力時(shí)，要在反映結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，使有限元模型盡可能簡(jiǎn)單，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，更好地反映底盤結(jié)構(gòu)特性。

在建立有限元模型分析新能源汽車折疊底盤受力時(shí)，本文考慮到有限元模型需要實(shí)現(xiàn)自由度最大的目的。如果自由度較低的有限元能夠滿足計(jì)算要求，那么就沒有必要刻意選擇自由度較高的單元。因?yàn)樵黾佑邢拊悇e與底盤受力精度有關(guān)，所以會(huì)提高計(jì)算精度，減少計(jì)算時(shí)間。確定使用的有限元類型后，如果有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，分析新能源時(shí)會(huì)自動(dòng)將有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少。拆分底盤受力時(shí)，本文考慮到有限元模型中的網(wǎng)格的大小會(huì)影響計(jì)算精度，增加計(jì)算時(shí)間，因此在研究時(shí)，需要將有限元模型的網(wǎng)格進(jìn)行緊密劃分，保證其擁有超大內(nèi)存，單個(gè)文件大小達(dá)到1 G以上，可以不斷調(diào)整網(wǎng)格尺寸，控制文件大小，實(shí)現(xiàn)新能源汽車折疊底盤受力分析的精準(zhǔn)化操作。

1.3 進(jìn)行模態(tài)分析

模態(tài)分析是折疊汽車結(jié)構(gòu)分析的核心步驟，經(jīng)驗(yàn)表明，在進(jìn)行更詳細(xì)的動(dòng)態(tài)模擬之前，應(yīng)先進(jìn)行折疊底盤的模態(tài)分析。模態(tài)分析決定了折疊結(jié)構(gòu)的載荷量，經(jīng)過動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)新能源汽車底盤結(jié)構(gòu)在各種動(dòng)載荷下的響應(yīng)狀態(tài)會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用中部件的運(yùn)行效果。因此，在設(shè)計(jì)汽車底盤時(shí)應(yīng)避免共振，共振會(huì)在整個(gè)汽車底盤結(jié)構(gòu)中引起噪音，在嚴(yán)重的情況下還會(huì)損壞機(jī)械零件。因此在進(jìn)行分析時(shí)，需要了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率，采取相應(yīng)的措施來防止汽車底盤在一定頻率下發(fā)生共振，從而減少因共振造成的不必要的損失，因此，在模態(tài)分析時(shí)，需要求解所需的控制參數(shù)，如式(3)所示。

{M}{δ}+[C]{δ}+[K]{δ}={p}

(3)

公中，{M}代表此時(shí)的質(zhì)量矩陣；{δ}代表節(jié)點(diǎn)矩陣；[C]代表底盤阻尼；[K]代表底盤剛度；{p}代表載荷。車架底盤的振動(dòng)特性與其固有的頻率密切相關(guān)，但如果外界對(duì)車架的激勵(lì)值接近框架的固有頻率，即使激勵(lì)幅度不大，也會(huì)引起較大的共振效應(yīng)從而導(dǎo)致車架損壞。靜態(tài)分析的有限元模型可以將共振參數(shù)從載荷約束中移除，從而進(jìn)行后續(xù)的模態(tài)分析，分析結(jié)果見表3。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)表3的分析結(jié)果可知，折疊式車架結(jié)構(gòu)和展開時(shí)的車架結(jié)構(gòu)同屬于框架型，折疊前后車架結(jié)構(gòu)類型不變，車架重合后整體剛度增加，且折疊前后車架質(zhì)量不變，因此，折疊后車架的固有頻率比折疊前的固有頻率大。由以上分析可知，折疊后的固有頻率將會(huì)遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的新能源汽車結(jié)構(gòu)分析方法的分析效果，將其與傳統(tǒng)的分析方法進(jìn)行對(duì)比，使用設(shè)計(jì)的汽車仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別檢測(cè)兩種方法分析到的汽車零件受力，如下所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

查閱參考資料，根據(jù)上文的有限元分析結(jié)果，結(jié)合新能源汽車的組成零件，設(shè)計(jì)此時(shí)的驅(qū)動(dòng)車模型，在SOLIDWORKS平臺(tái)中進(jìn)行建模，建模后，新能源汽車的參數(shù)表見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)車輛參數(shù)

根據(jù)表4顯示的車輛參數(shù)，設(shè)計(jì)此時(shí)車輛模型的驅(qū)動(dòng)裝置，在驅(qū)動(dòng)裝置中配置控制模板，采集驅(qū)動(dòng)后的數(shù)據(jù)，輸入到圖像處理軟件中處理，輸出處理后的車輛模型，方便進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別使用本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析法和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析法分析此時(shí)新能源汽車各部件的受力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析法分析到的各部件受力與實(shí)際各部件受力最擬合，證明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析方法的分析效果較好。

3 結(jié)束語

綜上所述，新能源汽車的產(chǎn)生和使用對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境，維持可持續(xù)發(fā)展來說有重要意義，及時(shí)分析新能源汽車折疊底盤的結(jié)構(gòu)可以為后續(xù)新能源汽車制作提供參考數(shù)據(jù)，因此，本文設(shè)計(jì)了新的汽車折疊底盤結(jié)構(gòu)分析法，實(shí)驗(yàn)證明，該方法分析的各部件受力最準(zhǔn)確，分析效果好，有一定的應(yīng)用價(jià)值。