純電動客車的輕量化設計

陳宗和

摘 要：隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車保有量快速增加，對節(jié)能減排的要求愈來愈迫切，汽車輕量化這一課題應運而生。從國家層面來看，發(fā)展汽車輕量化技術關系到國家的能源安全、環(huán)境保護的問題;從專業(yè)技術方面來看，發(fā)展汽車輕量化技術已經成為汽車企業(yè)提高核心競爭力的重要手段。鑒于此，本文主要分析純電動客車的輕量化設計。

關鍵詞：純電動客車;輕量化;設計

1、引言

輕量化是指在確保汽車的主要力學性能（如強度、剛度、模態(tài)等）達到設計要求的情況下，通過對車身結構進行優(yōu)化設計以及采用新型材料等手段來有效地降低整車的重量。對于傳統的燃油汽車而言，輕量化有助于降低油耗，從而緩解能源短缺的問題;對于新興的純電動汽車而言，輕量化可以有效地提高純電動汽車單次充電后的續(xù)駛里程，從而提升它的使用便利性。汽車輕量化是一個綜合性的研究領域，我們可以通過開發(fā)和使用新型的材料、對原結構進行優(yōu)化設計、采用新型的制造工藝等多種方法來達到這一目標。

2、國內電動客車輕量化現狀

作為全球第二大電動汽車市場的中國，政府對電動汽車市場高度重視，并且給予政策上的鼓勵推動，這使得近幾年國內電動汽車的產銷量實現了快速的進步。2014純電動汽車的銷量為45048輛，而2015年銷量增加到147482輛。電動客車制造企業(yè)方面，從本世紀初開始，多家客車企業(yè)（如安凱客車、中通客車、宇通客車、金龍客車等）引進國外的電動客車制造技術理念，積極投入研發(fā)，在該領域快速地發(fā)展壯大。全國六米以上新能源客車2014年產銷量都超過28萬輛，這說明國內客車企業(yè)步入了高速發(fā)展階段。國內各大高校對純電動汽車輕量化開展了深入的研究。

汽車車身骨架結構是整車的主要承載部件，骨架質量在汽車整備質量中的比重占30%～40%，因此一直以來提到汽車輕量化就是指車身結構的輕量化。對電動汽車來說，減輕車身結構的質量顯得更為重要。因為動力電池組的質量過大而使得汽車整車質量過大，這將直接導致電動汽車的動力性和續(xù)駛里程不敵傳統汽車，故在動力電池技術輕量化獲得重大突破之前，車身結構輕量化依然是汽車輕量化的重要途徑。

3、車用輕量化材料

3.1、高強度鋼板

在大量汽車的生產過程中，高強度鋼板的使用最多。在國外，通過運用高強度鋼、超高強度鋼等，已經取得了很好的輕量化效果。目前在國內，在鋼材的開發(fā)與應用方面取得了較大的發(fā)展，但還沒有形成完整的產品系列化，其中有待解決的主要問題有鋼材表面質量、尺寸誤差工藝性能不同等。

3.2、鋁、鎂合金

車身零件、部件選用鋁合金制造，其優(yōu)點是密度小、單位重量的材料具有更高的碰撞能量吸收率、具有更好的導熱性。鋁合金制造的難點是焊接性能差，用于制造車身構件還存在成本高，要進行特殊的防銹處理等缺點。因此，鋁材料在車身上的應用受到一定限制。盡管鎂合金現在在汽車上的應用并不多，但預計將來會有明顯的增加，因為鎂合金是當前在用的最輕的結構金屬，其比鋁合金有更高的強度-密度比且碰撞吸能好。

3.3、塑料

由于塑料質量輕、工藝簡單等特點，目前已成為減小質量、降低油耗、提高動力性的主要方式之一。雖然塑料價格比鋼鐵高，但焊接點卻可大大減少，同時裝配工藝可以大大改善，充分顯示出塑料的優(yōu)越性。

在國外，奔馳公司某些車型的塑料用量已達110kg，奧迪公司Audi100Ⅲ型為140kg，亞菲特公司在新產品汽車上的塑料用量已占整車質量的10%。美國通用公司的Convair分部為重型貨車研制了一種玻璃纖維、石墨和環(huán)氧樹脂構成的復合材料制成的槽型縱梁，其剛度很強度均與鋼梁相似，而質量卻減少了70kg。

4、純電動客車的輕量化設計

4.1、車身結構輕量化設計

（1）頂蓋骨架輕量化設計

1）閉環(huán)設計。盡可能不斷開車頂橫梁并使其貫穿于整個車頂，布置橫梁時應盡量使其與側窗立柱對接，這樣，就能使車頂橫梁、側圍立柱及底架橫梁形成封閉環(huán)，從而很好的對整車在運行過程中所產生扭轉載荷進行傳遞，并且可直接傳遞左側和右側所產生的力，而不使附加載荷產生于車頂內。

2）橫梁、縱梁的尺寸。就車頂各構件在承載中的貢獻度而言，其縱梁的貢獻度相對較低，所以可以適當減小縱梁的尺寸。車頂橫梁尺寸可適當地進行增加，從而使其抗扭能力和抗彎能力得到提升。

3）三角形結構。從頂蓋骨架的優(yōu)化結果中可以看出，拓撲優(yōu)化出了個別三角形，在實際中就穩(wěn)定性而言，三角形更優(yōu)于其他的多邊形，與此同時，車身骨架的三角形結構越多，其剛度就會越大。

4）便于制造。優(yōu)化結果中部分材料顯示構件是彎曲的。因為在車身骨架結構實際生產制造中，加工直桿要比加工彎桿更容易，因此，要盡量使用直桿，從而使車身骨架在可制造性上得到較好的滿足。

（2）側圍骨架輕量化設計

1）右側骨架

考慮到力的傳遞路線、可適當增加斜撐的高寬比、刪除一些不必要的桿件等，根據優(yōu)化結果，利用立柱或斜撐來改善腰梁的受力情況，刪除一些不需要加強的部位處的桿件。在改進設計時，要充分考慮城市公交客車的一些特點：乘客乘坐時間短，客流不均衡，上下車頻繁，超載嚴重。對車身側圍骨架，尤其是車門兩側的骨架強度重點關注。

2）左側骨架

考慮到斜撐、窗立柱設計，整體設計以及成本問題。改進設計左側圍的過程與右側圍大致相同。

4.2、底架輕量化設計

（1）滿足總布置需要。底架的結構形式首先應滿足汽車總布置的需要。汽車在道路上行駛時，路況復雜多變，各種載荷會使得底架產生彎曲變形和扭轉變形，若一側車輪出現懸空或抬起的情況時，底架還可能扭曲成菱形。由于這些變形，會致使安裝在車身底部的各部件間相對位置發(fā)生變化，這樣會影響到各部件的正常工作。所以，底架應該具備適當的剛度和足夠的強度。

（2）合理布置桿件位置和數量。通過焊接結構尺寸比較相近的小截面冷彎型的鋼桿件，構成該客車的全桁架式底部骨架。對于這種空間桁架的結構，合理地布置其桿件位置和數量，可以很好地使整車的力流進行傳遞，并使桿件的應力得到調整，從而達到等壽命、等強度設計的目的。

（3）改進優(yōu)化結果中一些不合理的局部部分。在拓撲優(yōu)化之后，就單元密度的優(yōu)化結果而言，還存在一些中間值，并不全都是“1”或者“0”。在處理過程中需考慮應力等因素，刪除多余的材料或在需要材料的地方進行補充，這樣才不會浪費材料，并保證結構受力時的協調性。

5、結束語

汽車車身所占汽車總質量的比重約為40%，在空載條件下，車身質量上的油耗約為70%;車身制造成本占整車制造成本的比重超過50%。統計數據表明，車身質量每減輕1t，用戶每年將會增加10萬元的凈收益。隨著車身質量的減小，其作用在動力系統及懸置上的載荷也會隨之減小，那么就可以改善總成的受力情況。因此，車身結構的輕量化對減少汽車自重、提高整體燃油經濟性和整車性能、減少污染物排放、降低制造成本等至關重要。由此可見，本文的研究也就顯得十分的有意義。

參考文獻：

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