四輪車輕量化設(shè)計與制作

汪修函　孫銘潞　康拳妮　周小紅

摘 要：汽車的輕量化能減小動力傳動系統(tǒng)負(fù)荷，提高汽車的操控性，并能增加新能源汽車的續(xù)航里程，是當(dāng)前汽車技術(shù)的研究熱點。本文以新能源四輪汽車為基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化以及輕量化材料加工方面進行研究，針對車架結(jié)構(gòu)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等方面進行了相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，并采用有限元分析模擬了車架的強度和剛度，制作了一輛輕量化純電動四輪汽車。制作的四輪車輛經(jīng)過路試，在百米加速用時上和長距離行駛能耗方面大大減少。本作品設(shè)計中的車輛新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，具有技術(shù)前瞻性，對新能源汽車行業(yè)發(fā)展具有一定的學(xué)術(shù)價值。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 輕量化 賽車 車架 有限元分析

Lightweight Design and Production of Four-wheeled Vehicles

Wang Xiuhan，Sun Minglu，Kang Quanni，Zhou Xiaohong

Abstract：The lightweight of automobiles can reduce the load of the power transmission system， improve the maneuverability of the automobile， and increase the cruising range of new energy vehicles， which is the current research hotspot of automobile technology. Based on the new energy four-wheeled vehicle， this paper conducts research on structural lightweight， material lightweight， and lightweight material processing， and optimizes the design of the frame structure， suspension system， steering system and braking system. And using finite element analysis to simulate the strength and stiffness of the frame， a lightweight pure electric four-wheel vehicle was produced. The four-wheeled vehicle produced has undergone a road test and has greatly reduced energy consumption in terms of 100-meter acceleration and long-distance driving. The new vehicle structure， new materials， and new technology in the design of this work are technologically forward-looking and have certain academic value for the development of the new energy automobile industry.

Key words：new energy vehicle， lightweight， racing car， frame， finite element analysis

1 引言

汽車輕量化，即減少汽車質(zhì)量，能減小動力和動力傳動系統(tǒng)負(fù)荷，可在較低的牽引負(fù)荷下表現(xiàn)出同樣或更好的性能。純電動汽車按目前的電池技術(shù)水平，每續(xù)駛一公里需電池重量一公斤，也就是說滿足汽車?yán)m(xù)駛里程 200 公里，僅汽車的電池重量就高達 200 公斤，因此對于新能源汽車，輕量化技術(shù)已是新能源汽車行業(yè)的一個關(guān)鍵技術(shù)。汽車輕量化技術(shù)包含：汽車結(jié)構(gòu)輕量化，輕量化材料使用、以及新型的輕量化材料加工制造工藝。汽車輕量化不是一味的追求減輕車身質(zhì)量，因為車身在輕量化過程需要權(quán)衡考慮多個方面，整車結(jié)構(gòu)安全性因素便是其中最重要的一點。目前，在進行輕量化的過程中需要使用大量的模擬仿真，通過仿真軟件對新設(shè)計材料進行結(jié)構(gòu)剛度、強度、疲勞性以及碰撞等分析，從而優(yōu)化設(shè)計，提高新能源汽車的可靠性和安全性。本文探索四輪新能源汽車的輕量化設(shè)計與制作，在保證其原有的行駛安全性、抗震力、耐碰性和舒適度等功能下，合理有效地將其進行“瘦身”，減輕汽車整體重量，從而提高汽車操控性，減少能耗，增加了續(xù)航里程。

2 四輪車輕量化設(shè)計思路

本文以全國第二屆新能源汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)競賽用車為基礎(chǔ)，對汽車輕量化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輕量化材料、先進加工工藝等資料進行總結(jié)歸納，優(yōu)化設(shè)計車身結(jié)構(gòu)、選擇輕量化材料，并利用有限元模擬仿真進行強度和剛度核算，形成的設(shè)計思路如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計思路，對汽車的車架、懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做相應(yīng)的改進，包含以下幾個方面：

2.1 車架的設(shè)計

從安全和輕量化角度出發(fā)，采用桁架式金屬車架，利用Solidworks三維制圖軟件，對車輛進行三維模型的參數(shù)設(shè)計、處理，使結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。并利用Ansys專業(yè)有限元分析軟件對車架模型進行建模，計算車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

2.2 懸架的設(shè)計

采用雙橫臂獨立式懸架系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方面的特點。材料設(shè)計上，采用中空設(shè)計理念來減輕質(zhì)量，采用高強度空心管材作為原料，達到輕量化設(shè)計的目的?？刹捎忙?5mm×1.6mm、20mm×1.2mm 4130航空管作為懸架的支撐結(jié)構(gòu)。