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

朱浩

奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽省蕪湖市 241002

1 引言

隨著科技的發(fā)展，全世界開始推廣電動(dòng)汽車，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的汽車會(huì)對環(huán)境造成較大的危害，排放大量的有害氣體，為了緩解環(huán)境問題，各國政府均開始推薦電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與汽車的輕量化需求緊密相關(guān)，輕量化的電動(dòng)汽車因重量減少，其自身的續(xù)航能力也會(huì)提升，并且各項(xiàng)特性也會(huì)得到提升。本文針對電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化進(jìn)行研究。

2 車身主體構(gòu)架設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步就是車身主體構(gòu)架的設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰葘嚿淼闹黧w構(gòu)架進(jìn)行初步設(shè)計(jì)之后，一次為基礎(chǔ)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，再將完整的車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來。車身主體構(gòu)架需要使用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，并且需要確保其保持環(huán)形結(jié)構(gòu)，且對于懸臂梁的使用應(yīng)當(dāng)盡量少甚至杜絕，這是由于懸臂梁會(huì)導(dǎo)致簡支梁與懸臂梁所承受的重量不同，久而久之會(huì)導(dǎo)致懸臂梁的容易受到損害。

2.1 環(huán)形結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)是車身主體構(gòu)架設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。如圖1所示。

圖1 車身主體環(huán)形結(jié)構(gòu)

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，車身主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以X、Y、Z向環(huán)三類共同構(gòu)架。X向環(huán)有尾部框架三環(huán)、前圍框架十環(huán)、前端框架八環(huán)；Y向環(huán)有門框五環(huán)；Z向環(huán)分為上部與下部Z向環(huán)，上部Z向環(huán)有頂蓋兩環(huán)、前風(fēng)擋一環(huán)、機(jī)艙上部九環(huán)，下部Z向環(huán)有后地板框架四環(huán)、前地板框架六環(huán)以及機(jī)艙下部七環(huán)。除了以上所存在的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以外，還存在著隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)以及立體環(huán)形結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

其中立體環(huán)形結(jié)構(gòu)為十一環(huán)，其包括有減震器固定座、機(jī)艙前下縱梁、A柱、輪罩加強(qiáng)板、前圍下橫梁、機(jī)艙前上縱梁。隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)為十二環(huán)，其包括有底盤后副車架以及車身梁架。通過以上的環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以有效地保障電動(dòng)汽車的性能并且提升汽車的彎扭剛度，對于車身的輕量化有極大的幫助。

圖2 立體環(huán)形結(jié)構(gòu)與隱式環(huán)形結(jié)構(gòu)

2.2 力的傳遞路徑

對汽車車身力的傳遞路徑的設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的關(guān)鍵因素，因?yàn)榱Φ膫鬟f路徑會(huì)影響到汽車不同部位的選擇，通過對其進(jìn)行研究，可以明確在什么部位使用什么材料，提升了材料的使用效率，避免了不必要的浪費(fèi)，同時(shí)在還可以確保汽車的每一部分所使用的材料的質(zhì)量與性能得到保障。如圖3所示。

通過圖三可以看出，汽車的力的傳遞路徑從前部碰撞力向機(jī)艙下縱梁傳遞，從而實(shí)現(xiàn)將其所承受的力傳遞到地板縱梁與門檻；對于其所承受的來自后部的撞力從后副車架與后縱梁將力擴(kuò)散到地板縱梁與門檻，從而實(shí)現(xiàn)了前部與后部的力相貫穿的力傳遞路徑。

圖3 汽車?yán)锏膫鬟f路徑

3 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)車身的主體構(gòu)架的設(shè)計(jì)完成之后，就需要對車身的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保車身的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循著三維數(shù)據(jù)，需要從點(diǎn)向線再向面再向體進(jìn)行設(shè)計(jì)，即制作車身的3D數(shù)據(jù)，但是在設(shè)計(jì)3D之前，需要先進(jìn)行典型斷面即2D設(shè)計(jì)，從而幫助關(guān)聯(lián)配件之間的聯(lián)系，幫助3D數(shù)據(jù)的建立，并且對汽車的工藝可行性進(jìn)行初步的評估。通常情況下，汽車的2D設(shè)計(jì)需要幾十個(gè)典型斷面，其中有四個(gè)為典型的斷面，為頂蓋后橫梁位置、門檻位置、門限位器位置、門上鉸鏈位置。

3.1 頂蓋后橫梁位置

頂蓋后橫梁位置的斷面設(shè)計(jì)時(shí)為了確保汽車在滿足了自身性能優(yōu)化與輕量化的同時(shí)，考慮到人機(jī)因素，即可以保證車身結(jié)構(gòu)與人機(jī)需求實(shí)現(xiàn)了相關(guān)避讓，并且對其進(jìn)行評估。具體如圖4所示。

圖4 頂蓋后橫梁位置

3.2 門檻位置

對門檻位置多進(jìn)行的斷面設(shè)計(jì)時(shí)為了充分考慮車身鈑金尺寸確定，門鈑金與車身鈑金上電器、內(nèi)飾件以及外飾件的安裝形式，外飾件與車身以及門之間的配合關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對電器、外飾件、車身、內(nèi)飾件以及開閉件之前的專業(yè)設(shè)計(jì)。具體如圖5所示。

圖5 門檻位置

3.3 門限位器位置

門限位器的斷面設(shè)計(jì)是為了將翼子板躲避門開啟所需要的固定結(jié)構(gòu)，并且將限位器為了配合門鈑金以及車身鈑金所需要的安裝形式與運(yùn)動(dòng)軌跡以及尺寸與機(jī)構(gòu)。

3.4 門上鉸鏈位置

門上鉸鏈位置的斷面設(shè)計(jì)是為了體現(xiàn)出翼子板與門的關(guān)系、門的密閉形式、門的運(yùn)動(dòng)軌跡以及鉸鏈的固定方式，加強(qiáng)版的構(gòu)成角度、型面尺寸以及搭接方式。

4 車身輕量化的策略

4.1 應(yīng)用新型工藝

為了設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的車身可以輕量化，需要使用新型的工藝，例如鋁擠出冷金屬過渡連接，或者鋼鋁鉚接，從而將多種材料進(jìn)行連接與成型的步驟時(shí)，將車身進(jìn)行了輕量化的優(yōu)化。

4.2 使用新型材料

電動(dòng)汽車正處于發(fā)展的初級階段，因此需要不斷地尋找適合電動(dòng)汽車的新型材料，通過使用重量更輕但是性能更高的新材料實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車輕量化的改造。例如，可以使用鋼鋁混合的車身機(jī)構(gòu)，鋼鋁混合的材料可以應(yīng)用于背門、前蓋、復(fù)合翼子板等部位，相比較于全鋼的車身重量，采用鋼鋁混合的方式可以減少車身重量的百分之十五以上。

4.3 優(yōu)化車身設(shè)計(jì)

當(dāng)對車身的整體設(shè)計(jì)均完成并且經(jīng)過測評之后達(dá)到指標(biāo)之后，需要對車身進(jìn)行靈敏度的分析，將不符合靈敏度的配件進(jìn)行調(diào)整，使用輕量化迭代計(jì)算的方法，對汽車的碰撞安全性能、NVH以及耐久性能進(jìn)行測評，選擇更加適合車身的材料，全面提升汽車的靈敏度，并且實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化的需求。

5 結(jié)束語

由于電動(dòng)汽車仍然處于研發(fā)的發(fā)展階段，雖然已經(jīng)在市場中投入了許多電動(dòng)汽車，但是這些電動(dòng)汽車多數(shù)是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上改良為電動(dòng)汽車，所以其自身的重量較大，續(xù)航能力較差，所以市場中仍然有許多客人不愿意選擇電動(dòng)汽車，由此可見，電動(dòng)汽車正面臨著一定的挑戰(zhàn)，需要通過科學(xué)的手段對其實(shí)現(xiàn)輕量化。