摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，為了滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，提高新能源汽車的續(xù)航里程和經(jīng)濟(jì)性，整車輕量化成為目前各大車企研究的重點(diǎn)方向之一。本文首先介紹輕量化對(duì)整車性能的影響，隨后介紹輕量化結(jié)構(gòu)工藝在新能源汽車上的應(yīng)用。同時(shí)，通過建立整車有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足性能和制造成本需求的輕量化材料結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比分析優(yōu)化前后的結(jié)果表明，輕量化后整車重量減輕約10 kg，續(xù)航里程提升約2%，同時(shí)車輛整體成本降低10%左右。研究表明輕量化能夠顯著提高新能源汽車的續(xù)航里程、經(jīng)濟(jì)性以及行駛安全性等。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 車身 輕量化

1 引言

基于新能源汽車輕量化技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用輕量化材料、工藝和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出滿足一定要求的輕量化純電動(dòng)單座小車。主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)：1.輕量化設(shè)計(jì)理念貫穿設(shè)計(jì)始終；2.對(duì)自主設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行有限元分析優(yōu)化，在設(shè)計(jì)凍結(jié)之前，每一個(gè)零部件重量的增加都需要經(jīng)過深入討論，嚴(yán)格保證車輛達(dá)到目標(biāo)重量；3.對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)；4.廣泛運(yùn)用新型工程材料，例如：座椅等，圖1是純電動(dòng)單座小車設(shè)計(jì)圖。

將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電池放置車輛中部，后輪驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，有利于整車布局。前后輪承載重量適中，轉(zhuǎn)向時(shí)前輪的轉(zhuǎn)彎靈活性得到提高，增強(qiáng)轉(zhuǎn)彎極限。設(shè)計(jì)全車長(zhǎng)度2160mm，駕駛員重量80kg。在盡可能減小軸距和整車尺寸的條件下合理布置各部件，使整車具有較低的質(zhì)心位置并控制好前后軸荷分配。因此在給定的條件下設(shè)計(jì)出小車總體參數(shù)，見表1。

2 車架設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)要求

車架具有足夠的強(qiáng)度，保證車輛在轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等各種工況下車輛的零部件不會(huì)因受力過大而失效。保證車輛的剛度，包括扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度，車架彎曲撓度不易過大，避免變形過大影響車架上總成的正常配合和各零部件的過早損壞。車架剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提下，車架的整體質(zhì)量盡可能的小，有效的降低車輛的整體質(zhì)量。

2.2 設(shè)計(jì)思路

底板框架采用4130合金鋼材料的輕量化材料焊接而成，底板貫徹車輛前后并清晰可見。

車架主環(huán)、前環(huán)和主環(huán)斜撐等材料采用4130合金鋼。防滾架和車架采用鋼管桁架式結(jié)構(gòu)，保證車輛在碰撞、翻車時(shí)能保護(hù)駕駛員和“三電”的安全。

車架設(shè)計(jì)完成后，對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，包括正面碰撞、前艙的側(cè)面碰撞、受垂直力的彎曲工況分析，扭轉(zhuǎn)工況以及基于該工況的疲勞分析，綜合以上有限元分析得出的結(jié)果是在受到外界的沖撞時(shí)，車架的橫梁和豎桿會(huì)受到較大的應(yīng)力和位移，而作為構(gòu)成桁架式結(jié)構(gòu)的斜桿相較于前者會(huì)受到更小的力。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

駕駛員位置左右護(hù)欄的最高點(diǎn)距離座椅上平面最低點(diǎn)的垂直距離350毫米，前、后輪輪距1450毫米，軸距1850毫米。駕駛員頭盔與防滾架、車輪構(gòu)成的外側(cè)平面之間的距離260毫米，與防滾架最高外緣水平面的距離280毫米，距離防滾架最高構(gòu)件與前部橫梁的連線之間的垂直距離115毫米。駕駛員肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘、手與防滾架構(gòu)成的內(nèi)側(cè)平面之間的距離均大于110毫米，駕駛員身體、鞋以及衣服的任何部位不超過防滾架或車架所包圍住的空間范圍。驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的任何部件不超出車架、防滾架結(jié)構(gòu)件形成的（內(nèi)緣）平面，車身前部所有可能觸碰車外人員身體的邊緣的圓角半徑為30毫米，防火墻覆蓋后部防滾環(huán)的最下部和最上部橫梁之間的全部區(qū)域，打孔處利用密封圈等進(jìn)行密封。車身面板厚度為1.07mm，面板或底板之間的間隙≤5毫米，底板的厚度為2.50mm。駕駛員腳部完全位于防滾架內(nèi)。頂部防滾架后兩個(gè)斜撐的連接點(diǎn)（上）距離防滾架頂部的垂直距離193毫米，在防滾架或車架基本結(jié)構(gòu)中心使用螺栓連接的耳片。車輛前后的空氣動(dòng)力學(xué)裝置從俯視圖上看，鼻翼超出前輪輪胎前端不超過700毫米，寬度180毫米，長(zhǎng)度和前輪輪胎中心等齊；鼻翼的橫向部分距離地面的高度250毫米.從俯視圖上看，尾翼超出后輪胎后端450毫米，寬度220毫米，長(zhǎng)度和后輪輪胎內(nèi)緣等齊。所有重要的螺栓和螺母，以及安裝在轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、安全帶及懸架系統(tǒng)的螺栓和螺母使用有效的鎖緊機(jī)構(gòu)，防止緊固件松脫。螺紋緊固件在緊固時(shí)有兩圈以上螺紋露出

2.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

合理化車身尺寸。根據(jù)軸距和輪距的要求，綜合轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、電機(jī)等部件的尺寸以及駕駛員的體型，確定車架尺寸，最大限度的實(shí)現(xiàn)汽車的結(jié)構(gòu)輕量化，同時(shí)也能夠保證駕駛員及所有可能觸碰車外人員的安全。

確定主次要構(gòu)件。基于輕量化理念，綜合成本考慮，將受到較大應(yīng)力和位移的橫梁和豎桿作為主要構(gòu)件（黃色），采用Φ25×1.6mm的4130無縫鋼管，在不作為車輛的承載作用和承受應(yīng)力作用的斜桿將作為次要構(gòu)件（紅色），采用Φ20×1.6mm的4130無縫鋼管，在充分利用材料的強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)減重并節(jié)約材料。

3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)要求

整車只有唯一的能量供給單元，并且符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。“三電”系統(tǒng)符合要求，電池母線上的電流、電壓、功率等測(cè)量設(shè)備均符合相關(guān)設(shè)備技術(shù)要求。

3.2 設(shè)計(jì)思路

動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力蓄電池及管理系統(tǒng)、電機(jī)及控制系統(tǒng)，電池組、電機(jī)和其他高壓組件的安全性，包括絕緣、防護(hù)、電磁兼容等方面要考慮確保車輛的安全運(yùn)行。

3.3 設(shè)計(jì)方案

（1）電池箱設(shè)計(jì)。單個(gè)儲(chǔ)能電池制作成電池組，方便拆檢。電池組之間使用隔離防止電池組之間短路或其他零部件及工具的掉落引起短路。電池組外平面使用螺栓進(jìn)行固定，與電池箱固定連接，以防止電池組出現(xiàn)碰撞、滾落。安裝2個(gè)熔斷器和2個(gè)電池絕緣繼電器，繼電器為“常開”型，分別安裝在電池箱的兩個(gè)電極上。在電池箱位置安裝一個(gè)維護(hù)插頭，取下維護(hù)插頭后，整個(gè)電池箱的正負(fù)極與外界系統(tǒng)處于徹底分離狀態(tài)。采用環(huán)氧樹脂板絕緣防火材料，防火等級(jí)達(dá)到UL94-V0。電池箱通過螺栓固定在車架上，采用4顆螺栓進(jìn)行固定，可以拆卸，并限制6個(gè)自由度。電池箱內(nèi)安裝有互鎖線路，可以在不使用任何工具的情況下斷開連接器。電池箱箱體的防水等級(jí)為IP67，防火等級(jí)為UL94V-0。

（2）電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)車輛配置分布式雙電池管理系統(tǒng)BMS，同時(shí)可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行CAN總線通訊，實(shí)時(shí)共享各種數(shù)據(jù)或信息，車輛所有控制系統(tǒng)成為一個(gè)整體。SOC能夠?qū)崟r(shí)顯示。電池充放電時(shí)，BMS能持續(xù)監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池的電壓，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)電池模塊的溫度。

3.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

在滿足隔離要求、防護(hù)固定、防護(hù)結(jié)構(gòu)和電池箱固定連接需求等前提下，通過將動(dòng)力蓄電池及管理系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)集成為“多合一”箱體，減少部件空間占位，降低箱體體積，從事實(shí)現(xiàn)輕量化。

4 整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)要求

監(jiān)控車輛的各項(xiàng)參數(shù)，如速度、加速度、轉(zhuǎn)向角度等，并根據(jù)這些參數(shù)控制車輛的穩(wěn)定性和安全性。控制車輛的正常行駛、動(dòng)力電池的能量管理、網(wǎng)絡(luò)管理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等，保證整車在較好的動(dòng)力性、較高經(jīng)濟(jì)性及可靠性狀態(tài)下正常穩(wěn)定的工作。

4.2 設(shè)計(jì)思路

能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的調(diào)動(dòng)，通過對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行管理和分析運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的管理控制。電池管理系統(tǒng)對(duì)電池的充放電功能進(jìn)行管理和控制，保證電池的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)電池的使用壽命。電機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車輛的加速、減速、停車等操作。實(shí)現(xiàn)對(duì)電池、電機(jī)等系統(tǒng)的優(yōu)化控制，降低能耗。

4.3 主要參數(shù)

系統(tǒng)安裝有一個(gè)預(yù)充電電路，且由動(dòng)力系統(tǒng)主開關(guān)來直接控制。有一個(gè)放電電路，能承受最大放電電流大于15s。配備動(dòng)力系統(tǒng)激活指示燈控制功能。在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安全回路，可以直接動(dòng)力蓄電池絕緣繼電器，安全回路包含一個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)急切斷開關(guān)、兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)急切斷開關(guān)、一個(gè)絕緣監(jiān)測(cè)裝置、一個(gè)多方向慣性開關(guān)及若干互鎖回路。如果動(dòng)力系統(tǒng)在車輛行駛時(shí)未被激活，則電機(jī)可以空轉(zhuǎn)。低壓和高壓系統(tǒng)都配備合適的熔斷器。配備專用的、符合要求的充電器。充電器的所有連接處有絕緣并覆蓋住，符合標(biāo)準(zhǔn)，包含一個(gè)互鎖裝置。除充電器和電池箱正確連接外，連接器的任意一端都沒有高壓。高壓充電線是橙色的。當(dāng)充電時(shí)，BMS能正常工作并且在檢測(cè)到錯(cuò)誤的時(shí)候能夠斷開充電器。充電器能和車輛控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行通訊，包括一個(gè)最小直徑為25mm的有清楚標(biāo)記的推入式急停開關(guān)。系統(tǒng)配備兩個(gè)制動(dòng)燈液壓開關(guān)，在其中任何一個(gè)開關(guān)工作時(shí)，制動(dòng)燈應(yīng)正常點(diǎn)亮。系統(tǒng)配備一個(gè)倒車燈控制功能，在點(diǎn)亮倒車燈的同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲。車載儀表信息系統(tǒng)，能提供車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，能以每分鐘一次的頻率實(shí)時(shí)傳送車輛的坐標(biāo)位置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流和功率、動(dòng)力蓄電池的輸出電流和輸出電壓。

4.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

將小燈和轉(zhuǎn)向燈合為一體，使用公共搭鐵，在保障功能等前提下，降低線路長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

5 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.1 設(shè)計(jì)要求

使汽車減速或在最短的距離內(nèi)停車，以保證行車的安全。有助于維持車輛的穩(wěn)定性。

5.2 設(shè)計(jì)思路

制動(dòng)系統(tǒng)的效能應(yīng)滿足法規(guī)要求，具有良好的制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)效能。應(yīng)考慮到制動(dòng)舒適性，避免制動(dòng)點(diǎn)頭、制動(dòng)時(shí)摩擦片尖叫等不良現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝和維護(hù)。選擇高質(zhì)量的材料和零部件，以提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和耐久性?？紤]到制動(dòng)系統(tǒng)的工作溫度范圍，選用適應(yīng)高溫和低溫的材料和零部件?？紤]到安全性，如制動(dòng)液的防火性能、制動(dòng)盤的抗磨損性能等。

5.3 主要參數(shù)

使用液壓制動(dòng)系統(tǒng)，并通過一個(gè)單獨(dú)腳踏板操作，在靜態(tài)條件下、路面以及未鋪設(shè)路面行駛速度情況下抱死所有四個(gè)車輪。兩個(gè)獨(dú)立的液壓回路，每個(gè)回路控制兩個(gè)車輪。每個(gè)液壓回路都必須具有其自身的液體儲(chǔ)存裝置，通過單獨(dú)儲(chǔ)罐或者通過使用截流式儲(chǔ)罐。

制動(dòng)踏板通過一個(gè)剛性連接直接推動(dòng)制動(dòng)主缸，有制動(dòng)的動(dòng)作，制動(dòng)燈就必須點(diǎn)亮。制動(dòng)管路牢固安裝，不露在競(jìng)賽車輛底部（車架，擺臂、A形擺臂等）下方。

5.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

在制動(dòng)踏板、制動(dòng)卡鉗、三通接頭等部件，選用鋁材，降低結(jié)構(gòu)重量，實(shí)現(xiàn)材料輕量化。

6 傳動(dòng)系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)要求

懸架系統(tǒng)能夠承受沖擊，不與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉。保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速以及保證牽引力與車速之間協(xié)調(diào)變化的功能。具有良好的動(dòng)力性。保證汽車能倒車，左、右驅(qū)動(dòng)輪能適應(yīng)差速要求。承受汽車的總重量，傳遞和承受道路對(duì)車輪各個(gè)方向的反作用力和扭矩。緩沖減振，保證汽車的乘坐舒適性。與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合，控制汽車的行駛方向。使汽車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相適應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)汽車的平順行駛。

6.2 設(shè)計(jì)思路

在滿足性能要求的前提下，采用輕量化材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式，減輕傳動(dòng)系統(tǒng)的重量。

6.3 主要參數(shù)

（1）行駛系統(tǒng)。懸掛系統(tǒng)不與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉。懸掛系統(tǒng)須配備防側(cè)傾裝置，直徑25毫米，長(zhǎng)度連接擺臂超過一半的位置。懸掛系統(tǒng)采用螺桿鏈接的方式與車架上的吊耳進(jìn)行鏈接，鏈接螺栓等級(jí)不低于 8.8 級(jí)。車輪螺栓螺母自鎖狀態(tài)，螺桿外露2圈。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器之間的連接采用花鍵連接。

6.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

利用SolidWorks軟件的拓?fù)渌憷?jì)算上、下叉臂，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)并自制上、下叉臂，扣出可減重部分，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。以下叉臂為例。在滿足強(qiáng)度要求等前提下，在法蘭、輪轂、輪圈等選材上選擇鋁合金，實(shí)現(xiàn)材料輕量化。

7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

7.1 設(shè)計(jì)要求

幫助駕駛員更好地控制車輛的行駛方向和位置，提高車輛的操控性和穩(wěn)定性，保障駕駛員的安全。

7.2 設(shè)計(jì)思路

（1）選擇機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（2）根據(jù)車輛類別，確定134mm的轉(zhuǎn)向盤直徑。選擇齒輪傳動(dòng)。

（3）考慮駕駛員安全。

（4）通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向比和轉(zhuǎn)向靈敏度等參數(shù)，使車輛在不同行駛狀態(tài)下具有良好的操控性和穩(wěn)定性。

7.3 主要參數(shù)

轉(zhuǎn)彎半徑不大于3米。在極限位置有轉(zhuǎn)向限位裝置。轉(zhuǎn)向柱采用固定件包裹。

7.4 輕量化結(jié)構(gòu)與工藝

以“空”代“實(shí)”，采用空心無縫鋼管作為穩(wěn)定桿、橫拉桿主要材質(zhì)。這樣處理能夠提高強(qiáng)度、抗扭性能，降低質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)材料輕量化。

基金項(xiàng)目：1.2022年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究中職重點(diǎn)項(xiàng)目《適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新能源汽車專業(yè)群高技能人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐—以柳州市交通學(xué)校為例》，課題項(xiàng)目編號(hào)：GXZZJG2022A052 ；

2.柳州教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃 2022 年度職業(yè)教育重點(diǎn)課題《適應(yīng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的新能源汽車專業(yè)群建設(shè)研究—— 以柳州市交通學(xué)校為例》，課題立項(xiàng)編號(hào)：2022ZJA041。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鋒.新能源汽車車身輕量化設(shè)計(jì)理念探究[J].時(shí)代汽車，2021（10）：78-79.

[2]李傳奇，魯昌國(guó)，王漫潼，等.汽車車身輕量化材料連接技術(shù)研究[J].山西冶金，2023，46（08）：88-90.

[3]徐昱，楊自斌，張繼祥.輕量化技術(shù)在車身設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（04）：64-67.

[4]葉燕帥，傅愛軍，陳釗炎，等.基于HyperWorks的巴哈賽車車架仿真與優(yōu)化研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，34（03）：14-19.

[5]楊仕聰.電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用探討[J].專用汽車，2023（09）：16-18.