電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化策略

馬東輝，馬少康，閆祿平

（1.北京車和家信息技術(shù)有限公司，北京 100102；2.武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

引言

隨著城市交通擁堵、停車位緊張、綠色環(huán)保壓力劇增等，微型電動(dòng)汽車獲得較快發(fā)展[1-2]。電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科交叉，主要集中在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]、輕量化設(shè)計(jì)[6-10]等方面，車身設(shè)計(jì)是以功能、性能的實(shí)現(xiàn)為主線，以風(fēng)險(xiǎn)控制為目標(biāo)，涉及項(xiàng)目預(yù)研、概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)和零件開(kāi)發(fā)等。車身按照結(jié)構(gòu)分類可分為非承載式、承載式（包括半承載式），非承載式車身較多采用剛性車架，車身本體（地板及以上非梁架部分）與車架之間采用彈性元件連接，汽車在壞路行駛時(shí)車架的振動(dòng)通過(guò)彈性元件再傳到車身上，大部分振動(dòng)被削弱[11]。因此，非承載式的車廂變形小、廂內(nèi)噪音低、車身質(zhì)量大且高度高，一般用于貨車、客車、越野車和部分高級(jí)轎車；而承載式車身沒(méi)有剛性車架，車身本體（地板及以上非梁架部分）與車架之間剛性連接，道路負(fù)載會(huì)通過(guò)懸架裝置直接傳給車身本體，這種車身兼顧了承載上部載荷和承受下部沖擊的雙重任務(wù)[12]。因此，承載式車身要有較高的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)剛度，但噪音、振動(dòng)較大。由于承載式車身質(zhì)量小、高度低、裝配簡(jiǎn)單、成本低，利于大規(guī)模生產(chǎn)，大部分轎車、城市SUV都采用這種車身結(jié)構(gòu)。由于本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的某小型電動(dòng)汽車，其具有尺寸小、重量輕、成本低的產(chǎn)品特點(diǎn)，因此，確定車身結(jié)構(gòu)采用承載式結(jié)構(gòu)。在承載式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上完成后續(xù)車身設(shè)計(jì)及其輕量化策略。

1 車身架構(gòu)設(shè)計(jì)

車身設(shè)計(jì)初期通常會(huì)進(jìn)行主體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，再進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，先根據(jù)整車布置空間做出大概的車身主體框架走勢(shì)仿真模型，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果以及初步工程可行性評(píng)估確定車身主體框架走勢(shì)。搭建車身主體框架時(shí)還要注意盡量構(gòu)建環(huán)形結(jié)構(gòu)，減少或避免懸臂梁。因?yàn)?，從基礎(chǔ)力學(xué)模型可以得出一端固定的懸臂梁無(wú)論是在均布載荷還是集中載荷下其所受彎矩及剪力都比兩端支撐的簡(jiǎn)支梁要大，也就是說(shuō)在相同工況下，懸臂梁的結(jié)構(gòu)剛度和耐久性能更差。

圖1 車身主要環(huán)形結(jié)構(gòu)示意圖

基于以上因素，在確定車身框架走勢(shì)過(guò)程中考慮了主要環(huán)形結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。如圖1所示是本產(chǎn)品車身框架設(shè)計(jì)的主要的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中大概可以分為X向（垂直于車身坐標(biāo)X軸）環(huán)、Y向環(huán)和Z向環(huán)三類。其中Z向環(huán)又分為上部Z向環(huán)和下部Z向環(huán)，上部Z向環(huán)有9環(huán)（機(jī)艙上部環(huán)）、1環(huán)（前風(fēng)擋環(huán)）、2環(huán)（頂蓋環(huán)），下部Z向環(huán)有7環(huán)（機(jī)艙下部環(huán)）、6環(huán)（前地板框架環(huán)）、4環(huán)（后地板框架環(huán)）。Y向環(huán)主要有5環(huán)（門框環(huán)），X向環(huán)有8環(huán)（前端框架環(huán)）、10環(huán)（前圍框架環(huán)）、3環(huán)（尾部框架環(huán)）。它們連接Z向上部環(huán)、Z向下部環(huán)和Y向環(huán)，形成交織的立體環(huán)狀結(jié)構(gòu)。除了這些主要的環(huán)以外，還有立體環(huán)形結(jié)構(gòu)和隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)，圖2所示的11環(huán)就是由機(jī)艙前上縱梁、A柱、前圍下橫梁、機(jī)艙前下縱梁、輪罩加強(qiáng)板和減震器固定座組成的立體環(huán)形結(jié)構(gòu)，12環(huán)則是由車身梁架與底盤后副車架共同構(gòu)建的一種借用了非車身零件構(gòu)成的隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)。

環(huán)形結(jié)構(gòu)使車身框架成為一個(gè)整體，可以優(yōu)化車身彎扭剛度，可以增加車身結(jié)構(gòu)的共用，可以指導(dǎo)車身材料向有利于保證性能的區(qū)域應(yīng)用，有利于車身輕量化。

圖2 車身立體環(huán)形結(jié)構(gòu)和隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)示意圖

力的傳遞路徑也是車身主體架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素，這樣可以盡量把最合適的材料用到最需要的位置，既保證了性能又不浪費(fèi)材料，圖3是本車主要傳力路徑示意圖，展示了車身下部力的傳遞路徑，前部碰撞力經(jīng)機(jī)艙下縱梁將力分散傳遞到門檻與地板縱梁，后部碰撞力經(jīng)后縱梁及后副車架將力分散傳遞到門檻與地板縱梁，形成了前后貫通的車身整體傳力路徑。

圖3 車身主要傳力路徑仰視圖

2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建完車身主體架構(gòu)走勢(shì)后，就開(kāi)始進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三維數(shù)據(jù)的建立都要遵循點(diǎn)、線、面、體的過(guò)程，即由點(diǎn)生線、由線生面、由面生體的過(guò)程。所以在進(jìn)行車身3D數(shù)據(jù)制作前首先會(huì)制作2D數(shù)據(jù)，即常說(shuō)的典型斷面。車身典型斷面是車身設(shè)計(jì)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作，它能夠定義零件與零件間的配合關(guān)系，指導(dǎo)接下來(lái)的3D數(shù)據(jù)制作，反映運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，評(píng)估初步的工藝可行性，反映截面的彎扭特性等。一般一個(gè)車身的典型斷面會(huì)有幾十個(gè)，本文主要展示了本車的幾個(gè)主要典型斷面。

（1）門上鉸鏈位置的典型斷面，如圖4，斷面反映了車身此處內(nèi)外板及加強(qiáng)板的搭接形式、型面尺寸及構(gòu)成角度，體現(xiàn)了門的運(yùn)動(dòng)軌跡、密封形式、鉸鏈的固定方式以及門與翼子板的配合關(guān)系等。

（2）門限位器位置的典型斷面，如圖5，其主要體現(xiàn)了限位器的運(yùn)動(dòng)軌跡、安裝形式，以及為了配合限位器車身鈑金和門鈑金所定義的相關(guān)結(jié)構(gòu)及尺寸，同時(shí)也體現(xiàn)了翼子板為了避讓門開(kāi)啟所定義的固定結(jié)構(gòu)。

（3）門檻位置的典型斷面，如圖6，此斷面涉及車身、開(kāi)閉件、外飾件、內(nèi)飾件、電器等多專業(yè)，所以此斷面主要體現(xiàn)了門與車身、外飾件之間的配合關(guān)系，外飾件、內(nèi)飾件以及電器在車身鈑金和門鈑金上的安裝形式，以及車身鈑金自身的尺寸定義等。

（4）頂蓋后橫梁位置典型斷面，如圖7，此斷面是為了說(shuō)明在斷面設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮結(jié)構(gòu)外還要兼顧人機(jī)需求，以保證人機(jī)需求車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)避讓，這種避讓是滿足性能要求和初步評(píng)估的前提。

圖4 門上鉸鏈位置典型斷面

圖5 門限位器位置典型斷面

圖6 門檻位置典型斷面

圖7 頂蓋后橫梁位置典型斷面

3 車身基本性能達(dá)標(biāo)情況

確定了車身主體架構(gòu)，完成了車身結(jié)構(gòu)的具體定義，便要制作3D數(shù)據(jù)并進(jìn)行性能仿真分析，本車身相關(guān)的主要性能指標(biāo)及達(dá)成情況如表1和表2所示。

4 車身輕量化策略

本車車身輕量化主要采用三種策略：基于性能的車身設(shè)計(jì)優(yōu)化、新材料的應(yīng)用、新工藝的應(yīng)用。

（1）基于性能的車身設(shè)計(jì)優(yōu)化：車身各項(xiàng)性能指標(biāo)初步達(dá)成后，還進(jìn)行了車身靈敏度分析，篩選出對(duì)性能貢獻(xiàn)不敏感的區(qū)域和零件，進(jìn)行輕量化方案的迭代計(jì)算，最終綜合車身結(jié)構(gòu)耐久、NVH及碰撞安全性能，優(yōu)化車身各處結(jié)構(gòu)及材料。

（2）新材料的應(yīng)用：根據(jù)不同位置的不同性能需求，本車身應(yīng)用了多種材料以實(shí)現(xiàn)輕量化，有鋼鋁混合車身、復(fù)合材料翼子板、前蓋及背門等，實(shí)現(xiàn)比全鋼方案減重15%。

表1 車身結(jié)構(gòu)

表2 車身NVH

（3）新工藝的應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)了多材料的成型和連接，車身還應(yīng)用了鋼鋁鉚接（如圖 8）及鋁擠出冷金屬過(guò)渡連接（如圖9）等技術(shù)。

圖8 鋼鋁鉚接剖面及鉚接后的頂蓋橫梁

圖9 應(yīng)用冷金屬過(guò)渡連接的前端框架

5 結(jié)論

本文結(jié)合從總體到局部、從架構(gòu)到細(xì)節(jié)的車身設(shè)計(jì)思想，對(duì)一種新型電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)CAE仿真優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)車身架構(gòu)和結(jié)構(gòu)的校核與優(yōu)化，應(yīng)用多種材料、多種工藝等實(shí)現(xiàn)車身輕量化。車身良好結(jié)構(gòu)和輕量化策略可為后續(xù)該型電動(dòng)車的量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

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