新能源汽車折疊底盤結構分析

劉建勝

(愛馳汽車有限公司，上海 200082)

0 引 言

由于科技的飛速發(fā)展和綜合國力的崛起，我國人民對汽車的需求量大大增加，導致我國的汽車產(chǎn)量每年都呈現(xiàn)快速增長的趨勢，這種情況雖然給人們的出行帶來了方便，但也帶來了環(huán)境隱患。隨著汽車的增加，能源消耗逐漸增加，儲油量逐漸減少，環(huán)境污染問題也開始引起大家的關注[1]。環(huán)境污染已成為當今社會的研究主題，因此，在新能源汽車的設計上，不僅需要對汽車的外觀進行要求，而且還要防止環(huán)境再污染，從而推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展前景[2]。

新能源汽車折疊底盤結構不同于現(xiàn)有車輛，不使用現(xiàn)有車輛的發(fā)動機等設施，而是通過電池發(fā)電來旋轉汽車電機和車輪，并利用有限元分析方法對汽車底盤結構進行設計。因此，折疊底盤結構在行駛過程中全部由電能控制，不向外界排放污染物，非常環(huán)保。近十年來，研發(fā)人員在設計汽車底盤時，主要采用較為傳統(tǒng)的方法來設計底盤的尺寸和結構，或直接依賴新能源對底盤進行有限元分析和計算，由此帶來的底盤設計難題是不可避免的。底盤是汽車最基本的部分，幾乎所有的零部件都必須安裝在底盤中，因此它必須承受汽車及其零部件的所有重量、載荷和工作[3]。因此本文設計了一種新型汽車折疊底盤分析方法，旨在滿足新能源汽車的節(jié)能減排要求。

1 新能源汽車折疊底盤結構分析方法設計

1.1 構建新能源汽車底盤折疊結構模型

汽車的設計和生產(chǎn)是一個非常復雜的過程，汽車的每個部件都可以作為一個單獨的模塊獨立開發(fā)。每個模塊都形成了特定的市場規(guī)模。汽車的各個部件經(jīng)過模塊化拆卸后，會形成許多相對獨立的模塊，這些模塊是獨立的，可以并行運行[4]。此外，在模塊拆解后的設計和生產(chǎn)中，每個模塊只需要承擔自己的風險，因此提高了汽車整體的抗風險能力。

最終將具有各種功能的汽車模塊組合在一起，形成理想的汽車產(chǎn)品。折疊車分為車架模塊、集成輪轂模塊、集成車身模塊和電控模塊。考慮到各部件之間的裝配和運動干涉問題，折疊車的尺寸主要由微型車的尺寸和MIT城市車的設計尺寸來確定，其功能由兩個液壓杠桿實現(xiàn)，基于此，設計的折疊車參數(shù)見表1。

表1 折疊車參數(shù)

由表1可知，前車身采用頭盔式的設計方式，不僅使被動安全性提高，而且方便乘員上下車，更能節(jié)省空間。在運動結構和車身尺寸確定后，開始對折疊車進行實體建模和運動仿真[5]。運用三維建模軟件UG建立了3D模型零件圖并進行裝配及運動仿真，從而確定汽車的折疊功能，基于此設計的折疊汽車模型如圖1所示。

圖1 折疊汽車模型

由圖1可知，為方便底盤的安裝和制造，新能源汽車的車輪采用一體化設計理念進行設計，將電機、定位參數(shù)、懸掛系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都集成在車輪中，使結構更加緊湊[6]。整體輪轂設計具有結構緊湊的優(yōu)點，安裝位置旋轉角度小，易于設計、生產(chǎn)和維護，大大降低了使用成本，由于車身的非彈簧質量大，對外界激振響應慢，整車的操控性差，基于此，設計出的集成化車輪如圖2所示。

圖2 集成化車輪

根據(jù)圖2的集成化車輪，在折疊汽車實體模型建立后，為了了解本設計對于停車時節(jié)省空間所發(fā)揮出的效用，引入折疊效率的概念，折疊效率公式為：

F=(L0-L1)/L0×100%

(1)

利用該公式，可以對折疊汽車折疊功能的優(yōu)劣作出評估，折疊后，整車長度和傳統(tǒng)汽車寬度相當，可以橫停在傳統(tǒng)汽車停車位上。這樣一個傳統(tǒng)汽車停車位能停4輛本設計中的折疊汽車，可節(jié)省大量的停車空間。

1.2 基于有限元模型分析新能源汽車折疊底盤受力

折疊汽車的底盤受力問題對其設計有重要意義，因此本文設計的方法使用了有限元模型來精準地分析此時新能源汽車的折疊底盤受力情況[7]。有限元指的是自由裁量權，可被視為有限且足夠小的元素集，這些元素之間通過節(jié)點進行連接，如果節(jié)點處的受力情況發(fā)生改變，會產(chǎn)生節(jié)點位移排斥現(xiàn)象，基于此，可以使用有限元模型，建立每個節(jié)點受力的線性代數(shù)方程來分析每個節(jié)點的受力情況。

使用計算機進行有限元分析指的是將建立的三維模型離散化，將結構的實際載荷施加到其離散后的各個節(jié)點中，通過相應的處理軟件進行劃分，得到劃分單元，然后定義材料屬性，施加載荷，最后求解結構的整體剛度矩陣，建立各個劃分單元的平衡方程和線性求解代數(shù)方程，計算每個節(jié)點的位移，計算每個節(jié)點的應力[8]。在進行有限元分析之前，首先要確定汽車底盤各部分的受力。由于新能源汽車沒有傳統(tǒng)動力汽車的發(fā)動機、變速器和動力傳動系，電機采用輪式電機，因此在分析荷載時應根據(jù)實際情況確定，此時的參數(shù)值見表2。

表2 額定參數(shù)值

根據(jù)表2的額定參數(shù)值，設計此時的折疊底盤受力有限元分析公式，如式(2)所示。

(2)

在有限元分析公式中，新能源汽車的底盤采用折疊式車架安裝。此時車架的分析分為三個步驟，第一步，進行剛性分析，第二步，分析此時的靜強度，第三步，再進行模態(tài)分析。由于新能源汽車的車架由前后車架的重疊部分組成，因此在分析前需要對它們進行網(wǎng)格劃分，并定義前后車架重疊部分的接觸面，從而準確描述零件之間的傳遞力。分割網(wǎng)格時需要注意的問題有幾個，第一是原始模型的簡化，第二是元素類型的選擇，第三是元素數(shù)量的控制，第四是網(wǎng)格類型的選擇，最后是組件之間連接類型的處理以及載荷的應用[9]。

有限元分析中使用的框架單元一般分為三類，即梁單元、板殼單元和實體單元。在分析中，可將框架簡化為空間鏈接結構，將梁單元來代替框架的整體結構。這種分析方法的優(yōu)點是有限元模型簡單，單元數(shù)少，不用消耗過多的計算機資源，且其計算速度快，此時分析框架的空間結構已經(jīng)得到了簡化，車架的結構過于簡單，難以實現(xiàn)汽車底盤的處理。因此，使用這種方法分析時會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，導致局部應力響應效果不理想。

框架的有限元分析最常用的單元為板殼單元和實體單元。板殼單元具有精確性，因此其可以直接反映縱橫梁、局部加強板和各種輔助支架的連接方式，解決了汽車底盤模型不易模擬的問題。此外，該單元還可以生動和準確地反映現(xiàn)實世界的應變力和應力條件，動態(tài)地分析汽車底盤框架[10]。使用實體單元進行框架有限元分析時，具有占用計算機內(nèi)存大，計算周期長的缺點。在實際工作中，網(wǎng)格是按實體劃分的，如果網(wǎng)格劃分不正確，很容易在計算過程中出現(xiàn)內(nèi)存溢出等問題，導致有限元模型分析計算程序的強制終止，因此，本文設計的有限元模型采用板殼單元和實體單元相結合的方式來模擬汽車底盤的框架結構。

建立的有限元模型應具備良好的經(jīng)濟性和超高的計算精度。顯然，有限元模型建立得越完善，其計算結果就越準確。但是，有限元模型并不是越復雜越好，這是因為，有限元模型的復雜程度與有限元模型的精度不成正比。復雜的有限元模型在預處理、數(shù)據(jù)準備、計算時間和處理上浪費了大量的人力和物力，大大增加了計算成本，基于此建立的模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

由圖3可知，車架部分主要由縱梁、橫梁和桿板組成。兩根縱梁是汽車載荷和扭轉力的主要承重構件。本文基于有限元模型分析，認為新能源汽車的應力狀態(tài)是復雜的，在實際應用中，拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等多種組合的復雜應力狀態(tài)，可以使前后車架通過滑軌分開連接，提高底盤的最大承受力。在設計底盤受力時，要在反映結構力學特性的前提下，使有限元模型盡可能簡單，節(jié)省計算時間，更好地反映底盤結構特性。

在建立有限元模型分析新能源汽車折疊底盤受力時，本文考慮到有限元模型需要實現(xiàn)自由度最大的目的。如果自由度較低的有限元能夠滿足計算要求，那么就沒有必要刻意選擇自由度較高的單元。因為增加有限元類別與底盤受力精度有關，所以會提高計算精度，減少計算時間。確定使用的有限元類型后，如果有限元節(jié)點數(shù)量較多，分析新能源時會自動將有限元節(jié)點數(shù)量減少。拆分底盤受力時，本文考慮到有限元模型中的網(wǎng)格的大小會影響計算精度，增加計算時間，因此在研究時，需要將有限元模型的網(wǎng)格進行緊密劃分，保證其擁有超大內(nèi)存，單個文件大小達到1 G以上，可以不斷調整網(wǎng)格尺寸，控制文件大小，實現(xiàn)新能源汽車折疊底盤受力分析的精準化操作。

1.3 進行模態(tài)分析

模態(tài)分析是折疊汽車結構分析的核心步驟，經(jīng)驗表明，在進行更詳細的動態(tài)模擬之前，應先進行折疊底盤的模態(tài)分析。模態(tài)分析決定了折疊結構的載荷量，經(jīng)過動力學分析，發(fā)現(xiàn)新能源汽車底盤結構在各種動載荷下的響應狀態(tài)會影響實際應用中部件的運行效果。因此，在設計汽車底盤時應避免共振，共振會在整個汽車底盤結構中引起噪音，在嚴重的情況下還會損壞機械零件。因此在進行分析時，需要了解機械結構的固有頻率，采取相應的措施來防止汽車底盤在一定頻率下發(fā)生共振，從而減少因共振造成的不必要的損失，因此，在模態(tài)分析時，需要求解所需的控制參數(shù)，如式(3)所示。

{M}{δ}+[C]{δ}+[K]{δ}={p}

(3)

公中，{M}代表此時的質量矩陣；{δ}代表節(jié)點矩陣；[C]代表底盤阻尼；[K]代表底盤剛度；{p}代表載荷。車架底盤的振動特性與其固有的頻率密切相關，但如果外界對車架的激勵值接近框架的固有頻率，即使激勵幅度不大，也會引起較大的共振效應從而導致車架損壞。靜態(tài)分析的有限元模型可以將共振參數(shù)從載荷約束中移除，從而進行后續(xù)的模態(tài)分析，分析結果見表3。

表3 模態(tài)分析結果

根據(jù)表3的分析結果可知，折疊式車架結構和展開時的車架結構同屬于框架型，折疊前后車架結構類型不變，車架重合后整體剛度增加，且折疊前后車架質量不變，因此，折疊后車架的固有頻率比折疊前的固有頻率大。由以上分析可知，折疊后的固有頻率將會遠離激勵頻率。

2 實驗分析

為了檢測本文設計的新能源汽車結構分析方法的分析效果，將其與傳統(tǒng)的分析方法進行對比，使用設計的汽車仿真模型進行實驗，分別檢測兩種方法分析到的汽車零件受力，如下所示。

2.1 實驗準備

查閱參考資料，根據(jù)上文的有限元分析結果，結合新能源汽車的組成零件，設計此時的驅動車模型，在SOLIDWORKS平臺中進行建模，建模后，新能源汽車的參數(shù)表見表4。

表4 實驗車輛參數(shù)

根據(jù)表4顯示的車輛參數(shù)，設計此時車輛模型的驅動裝置，在驅動裝置中配置控制模板，采集驅動后的數(shù)據(jù)，輸入到圖像處理軟件中處理，輸出處理后的車輛模型，方便進行后續(xù)的實驗。

2.2 實驗結果與討論

分別使用本文設計的結構分析法和傳統(tǒng)的結構分析法分析此時新能源汽車各部件的受力，實驗結果見表5。

表5 實驗結果

由表5可知，本文設計的結構分析法分析到的各部件受力與實際各部件受力最擬合，證明設計的結構分析方法的分析效果較好。

3 結束語

綜上所述，新能源汽車的產(chǎn)生和使用對保護大氣環(huán)境，維持可持續(xù)發(fā)展來說有重要意義，及時分析新能源汽車折疊底盤的結構可以為后續(xù)新能源汽車制作提供參考數(shù)據(jù)，因此，本文設計了新的汽車折疊底盤結構分析法，實驗證明，該方法分析的各部件受力最準確，分析效果好，有一定的應用價值。