摘要：歸納了純電動城市客車車身輕量化的實施路徑；提出了基于多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科的純電動城市客車車身輕量化方法，即在滿足整車安全性、舒適性、可靠性等前提下，結(jié)合車型的具體情況綜合運用材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化以及總布置方案輕量化等多種方法，對整車及零部件產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行協(xié)同，最終實現(xiàn)輕量化目標(biāo)；同時提出了要考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本的變化，在成本和收益之間找到一個合適的平衡點；最后以某款12m純電動客車為例，介紹了其車身輕量化的實現(xiàn)方法和效果，以期為其他純電動城市客車車身輕量化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動城市客車；車身輕量化設(shè)計；發(fā)展方向

中圖分類號：U463.82+2；U465.2+2；U469.72收稿日期：2024-10-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.013

1前言

在新能源汽車中，以純電動城市客車為代表的新能源城市公共服務(wù)用車是我國推廣的重點。純電動城市客車不僅繼承了純電動汽車零排放、低噪音、低能耗等全部的優(yōu)點，還可以有效地緩解城市的交通堵塞問題[1]。國務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，提出力爭經(jīng)過15年的努力，公共領(lǐng)域用車全面電動化[2]。

目前純電動城市客車的發(fā)展和推廣取得了顯著的成績，但是純電動城市客車存在的技術(shù)瓶頸仍然是動力電池儲能密度低的根本問題。為保障續(xù)航里程就必須多裝電池，這一般來講會比傳統(tǒng)汽車增重15%～20%，續(xù)航里程會下降30%～50%，因為原本儲存的有限能量，再用來搬運自身重量內(nèi)耗，有用的輸出就更少。要顯著降低能耗，提高續(xù)駛里程，在電池技術(shù)、電控技術(shù)無明顯提升的背景下，整車輕量化設(shè)計顯得更為重要。在《中國制造2025》中，汽車輕量化占據(jù)重要地位，已成為中國汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)升級過程中的一項重要戰(zhàn)略任務(wù)[3]。

2純電動城市客車車身輕量化研究意義

汽車輕量化，就是指在滿足車輛基本使用性能（包括強(qiáng)度、剛度以及安全性、舒適性、可靠性等）的要求下，通過采用現(xiàn)代設(shè)計方法或使用新材料、新工藝等手段來有效降低汽車整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[4]。

純電動城市客車整車輕量化主要包括車身（車身骨架（含全承載車底架）、內(nèi)飾件、外飾件）輕量化、車身電器附件輕量化、空調(diào)系統(tǒng)輕量化、底盤各系統(tǒng)（制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等）輕量化，以及“三電”系統(tǒng)（含電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)）輕量化等。

一般城市客車車身的質(zhì)量約占整車總質(zhì)量的40%～60%[5]，而純電動城市客車由于動力電池系統(tǒng)質(zhì)量較大，考慮整車安全性，車身結(jié)構(gòu)普遍設(shè)計的比較保守，設(shè)計余量更大，因此車身的質(zhì)量占整車總質(zhì)量的比例較常規(guī)車輛更大。研究表明新能源汽車每減重10%，能源消耗就會降低6%～8%，續(xù)航里程可提升5%～6%，轉(zhuǎn)向力減少6%，制動距離減少5%[6-7]。因此車身輕量化已成為純電動城市客車節(jié)能、降耗，增加續(xù)航里程，以及提升車輛動力性、操縱性、安全性等整車性能的重要技術(shù)路線，對其研究與探索意義重大。

3純電動城市客車車身輕量化的技術(shù)路徑

純電動城市客車車身輕量化的實施路徑主要有材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化及總布置方案輕量化等。近年來，隨著新能源客車的大量推廣，國內(nèi)外新能源客車整車及零部件企業(yè)、科研院所等對客車車身輕量化相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用開展了大量的研究，并取得了一定的成果，但這些研究大都涉及以上主要輕量化途徑中的一種，且對于整車總布置方案與車身輕量化的關(guān)系這方面的研究成果比較少。通過融合多種途徑而使車身輕量化效果達(dá)到最佳的方法，仍需要不斷的探索和研究。

3.1材料輕量化

材料輕量化是指通過采用輕量化的材料，來達(dá)到降低整車質(zhì)量的方法。這里的輕量化材料是指那些既能滿足力學(xué)性能的要求，又可以減輕汽車質(zhì)量的材料[8]。通過采用輕量化材料來替換常規(guī)的材料是輕量化最直接、最有效的方法。常用的車用輕量化材料見圖1。而從輕度結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度來分，輕量化材料可分為兩種：a.新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，包括鎂、鋁、鈦等合金以及工程塑料、復(fù)合材料等，其質(zhì)量相對傳統(tǒng)車用材料都較輕；b.高強(qiáng)度材料主要指高強(qiáng)度鋼，其只需較少的材料就能獲得較高的性能[1，9-11]。

3.2制造工藝輕量化

制造工藝輕量化主要指采用輕量化車身材料制造和連接的先進(jìn)的新工藝來降低車身重量的方法。純電動城市客車在輕量化材料應(yīng)用的同時，制造和連接工藝對輕量化也起到重要的作用[12]。伴隨輕量化材料的廣泛運用，一些輕量化制造和連接工藝技術(shù)也在同步快速發(fā)展（圖2），其先進(jìn)制造工藝包括激光拼焊（TWB）技術(shù)、高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)、高壓鑄造成形技術(shù)、液壓成形技術(shù)、模壓成形技術(shù)、復(fù)合連接技術(shù)、金屬板材變截面軋制技術(shù)、集成式輥壓成形技術(shù)、微發(fā)泡注塑成形工藝等。這些先進(jìn)的制造和連接工藝憑借工藝精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗變形能力強(qiáng)等特點，已被廣泛應(yīng)用于車身及其零部件的設(shè)計制造中[10，13-14]。

3.3結(jié)構(gòu)輕量化

在汽車的制造材料及制造工藝輕量化的基礎(chǔ)上，為獲得更好的減重效果，還可以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。車身結(jié)構(gòu)輕量化是指采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計方法，對車身結(jié)構(gòu)的材料分布、尺寸變化和形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而找到最優(yōu)的解決方案。常用的優(yōu)化方法有拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化等方法[3]，如圖3所示。

3.4總布置方案輕量化

除了材料輕量化、制造工藝輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化外，總布置方案輕量化也是需要重點關(guān)注的輕量化途徑。所謂總布置方案輕量化是指在整車總布置方案設(shè)計階段，就將整車輕量化特別是車身輕量化等指標(biāo)要求納入總體方案設(shè)計中，并通過造型設(shè)計、配置優(yōu)化、結(jié)構(gòu)整合、關(guān)鍵零部件位置調(diào)整、裝配或連接工藝設(shè)計等方式，從整車開發(fā)方案設(shè)計的源頭就將輕量化的設(shè)計要求納入方案設(shè)計中，以便后續(xù)各分系統(tǒng)、各總成展開具體的輕量化設(shè)計。

如在純電動城市客車整車總布置方案設(shè)計階段，確定整車是選用高頂狀態(tài)還是平頂狀態(tài)，車身地板選用二級踏步結(jié)構(gòu)、低入口還是低地板結(jié)構(gòu)，車身材料用高強(qiáng)度鋼還是鋁鎂合金，動力電池布置在車頂、車輛中段地板下部還是車輛后段高壓電器艙內(nèi)等。

當(dāng)然，這些狀態(tài)的確定并不完全在整車總布置方案設(shè)計階段確定，部分配置和狀態(tài)是由客戶的需求狀態(tài)確定，但在整車總布置方案設(shè)計階段就將輕量化的指標(biāo)要求統(tǒng)籌考慮并充分設(shè)計，無疑是必要且非常關(guān)鍵的。

4純電動城市客車車身輕量化的發(fā)展方向

目前純電動城市客車車身輕量化的研究已進(jìn)入精細(xì)輕量化階段，產(chǎn)品開發(fā)時輕量化的指標(biāo)越來越嚴(yán)格，輕量化的關(guān)注點也越來越細(xì)，實現(xiàn)難度越來越大。且不同車型有不同的使用場景和客戶群體，因此輕量化設(shè)計要結(jié)合車型的具體情況選擇適合的手段[9]。

輕量化未來的發(fā)展趨勢是多材料、多方法設(shè)計，即混合輕量化和概念輕量化，新的輕量化方法從一開始就要融入產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)方案設(shè)計中，這樣基本可確定整車70%～80%的重量[11]。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化以及總布置方案輕量化等任何單一輕量化方法均無法完成，需要多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科，整車及零部件產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同完成。

目前國內(nèi)外專家學(xué)者對純電動城市客車車身輕量化的實施路徑和實現(xiàn)方法已開展了一定的研究和分析，部分研究方法也成功進(jìn)行了工程樣車的驗證和批量車型的推廣及應(yīng)用，并取得了良好的效果。但隨著人們對整車安全性、舒適性以及全生命周期能耗、排放及成本的關(guān)注度不斷提高，要求我們在進(jìn)行輕量化減重的同時，除了不能損害車輛功能、安全與耐用性，更重要的是輕量化要為客戶產(chǎn)生正溢價，即輕量化收益要高于付出的成本。

這就要求后續(xù)在進(jìn)行輕量化設(shè)計時，要充分考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本的變化，并進(jìn)行輕量化全生命周期多目標(biāo)優(yōu)化研究，達(dá)到了在輕量化的同時，不增加汽車全生命周期的能耗、環(huán)境排放和成本的目標(biāo)，在成本和收益之間找到一個合適的平衡點[15-16]。

5純電動城市客車車身輕量化的應(yīng)用案例

5.1研究對象

以某公司一款12m承載式車身純電動城市客車（圖4）為例，該車輛造型為高頂狀態(tài)，車頂兩側(cè)設(shè)有裝飾件，車輛后部設(shè)有高壓電池艙和電器艙，配置303kW·h動力電池，車身骨架采用普通的Q235、Q345鋼，底架采用的是T700高強(qiáng)度鋼，車輛整備質(zhì)量12200kg，最大設(shè)計總質(zhì)量18000kg，其中車身（含車身骨架、底架以及部分外部蒙皮和內(nèi)部封板）總重4250kg。

5.2輕量化優(yōu)化設(shè)計

首先，根據(jù)市場調(diào)研及客戶需求，優(yōu)化原來的總布置方案，將車輛外觀高頂造型方案改為平頂造型方案；調(diào)整動力電池布置方案，取消車輛尾部動力電池艙，將部分動力電池放置車輛中段和車頂；取消部分模塊化配置如雙人乘客椅等預(yù)埋模塊等，將車身骨架布置方案調(diào)整為栓接鋁合金車身布置方案（圖5）等。

其次，將車身骨架、外部蒙皮和內(nèi)部封板改為鋁合金材質(zhì)（骨架部分采用6000系列異形端面鋁合金型材，外蒙皮和內(nèi)封板采用3000系列和5000系列鋁合金板），骨架各零部件及總成之間通過焊接、螺栓連接或者鉚釘鉚接等連接固定，外部蒙皮和內(nèi)部封板通過鉚釘鉚接或者膠粘等方式安裝固定。

在CATIA中建立車身三維CAD幾何模型并導(dǎo)入HyperWorks軟件中，建立如圖6所示的整車骨架及部分承力內(nèi)外封板的有限元CAE模型。為保證CAE模型的精度、準(zhǔn)度并盡量減小模型的規(guī)模，在建模時略去部分蒙皮和某些非承載結(jié)構(gòu)；骨架中所有規(guī)則的型材，均用shell單元模擬，單元基本尺寸10mm，翹曲度lt;15°，傾斜度lt;60°，長寬比lt;5，四邊形最小內(nèi)角45°，最大內(nèi)角135°，三角形最小內(nèi)角20°，最大120°[17];考慮整個骨架的應(yīng)力分布，簡化了并非高應(yīng)力區(qū)域且直徑小于5mm的小孔[18]；建立的骨架有限元模型總計3587667個單元，2482671個節(jié)點數(shù)。在此模型的基礎(chǔ)上施加約束和載荷，對其進(jìn)行整車水平彎曲、極限扭轉(zhuǎn)、緊急轉(zhuǎn)彎、緊急制動等四種典型工況的靜力學(xué)分析。

通過分析，找出結(jié)構(gòu)中設(shè)計不合理以及結(jié)構(gòu)冗余的部位，然后對車身骨架部分型材截面尺寸形狀、骨架結(jié)構(gòu)以及車身骨架內(nèi)部零部件之間、車身骨架與底架之間的連接方式等進(jìn)行尺寸、形狀等結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，最后再對優(yōu)化后的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析，驗證優(yōu)化后的效果，在保證車輛安全性、可靠性的前提下，進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

5.3輕量化效果

通過整車總布置方案優(yōu)化、輕量化材料替換、連接工藝及骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等綜合輕量化方法的應(yīng)用，整車車身（含車身骨架、底架以及部分外部蒙皮和內(nèi)部封板）累計減重約985kg，減重幅度達(dá)23.2%；優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析結(jié)果顯示設(shè)計滿足要求，結(jié)合實車30000km可靠性試驗數(shù)據(jù)和分析報告，表明輕量化方案可行，減重效果顯著。

6結(jié)語

本文闡述了純電動城市客車車身輕量化的必要性和重要性，總結(jié)歸納了純電動城市客車車身輕量化的實施路徑，提出了基于多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科的純電動城市客車車身輕量化方法，同時提出了要考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本變化的建議。

我國汽車輕量化的研究起步比較晚，相應(yīng)的輕量化設(shè)計理論和成果相比國外先進(jìn)水平還有一定的差距，還有很多核心的技術(shù)問題有待突破。我們應(yīng)抓住新能源汽車飛速發(fā)展的機(jī)遇，加快推進(jìn)對多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科等綜合輕量化的理論研究和工程應(yīng)用，促進(jìn)我國汽車特別是純電動城市客車車身輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用。

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作者簡介：

劉稱意，男，1985年生，工程師，研究方向為車身輕量化材料應(yīng)用、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計及新能源客車總體方案布置等。