直驅(qū)式電動(dòng)汽車專用底盤后副車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

馬嘉俊，王冬良，周正成

（210012 江蘇省 南京市 三江學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院）

0 引言

車架作為整車骨架，其功用是支撐、連接汽車諸多總成，讓各總成保持相對(duì)精準(zhǔn)的位置，且其應(yīng)具有合適的強(qiáng)度以及剛度來承受車輛載荷以及車輪傳來的沖擊[1]。此前，已有眾多科研人員對(duì)汽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化做了大量研究。

直驅(qū)式電動(dòng)汽車采用“輪轂電機(jī)”作為它的驅(qū)動(dòng)裝置，其優(yōu)點(diǎn)不僅替代了傳統(tǒng)換擋機(jī)構(gòu)（電子式、旋鈕式、懷擋式），取消掉差速器、傳動(dòng)軸等機(jī)械部件，而且它更具優(yōu)越的動(dòng)力學(xué)控制功能，更先進(jìn)便捷的驅(qū)動(dòng)方式，以及更高的空間利用率[2]。

因而，設(shè)計(jì)出一套與其相匹配，既滿足強(qiáng)度剛度需求，又綜合輕量化設(shè)計(jì)，保證電動(dòng)汽車安全、穩(wěn)定行駛的底盤車架尤為重要。

參考傳統(tǒng)邊梁式車架的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到副車架能夠與懸掛組裝構(gòu)成車橋總成，然后安裝到車身上[3]，不僅減小了路面震動(dòng)的傳入，提高了前后懸的連接剛度[4]，使底盤更加扎實(shí)，而且構(gòu)成總成后，使懸架開發(fā)擺脫了車身限制，提升了零部件的通用性[5]。最終確定采用副車架設(shè)計(jì)方案。

本文使用NX 10.0 軟件，用該軟件繪制出后副車架模型，使用有限元分析功能校核其強(qiáng)度并優(yōu)化改良，以適用于直驅(qū)式電動(dòng)汽車。

1 后副車架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 后副車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

后副車架由多根橫梁、縱梁組成，如圖1 所示。電動(dòng)汽車后副車架在使用過程中受力比較復(fù)雜,不僅僅會(huì)承受車身重力作用，由于與懸掛系統(tǒng)相連，還需要承受車輪的徑向拉壓力,以及彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸復(fù)合應(yīng)力 。

圖1 后副車架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of rear subframe

隨著材料領(lǐng)域的日益進(jìn)步，5000（Al-Mg）和6000 系(Si-Al-Mg）鋁合金在汽車車架上應(yīng)用較為廣泛，相比較傳統(tǒng)的鋼制副車架質(zhì)量減少約40%[6]。6000 系鋁合金具有較好的塑性和不錯(cuò)的強(qiáng)度[7]，可以加工成復(fù)雜截面擠壓型材件，且其經(jīng)過熱處理后可以獲得強(qiáng)化，十分適宜用于車身骨架制造。和傳統(tǒng)鋼制副車架作對(duì)比，鋁架密度小、硬度低，吸震能力更好[8]，且輕量化性能出色，可以通過增加板料厚度、改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)強(qiáng)度上的不足。

1.2 后副車的參數(shù)化設(shè)計(jì)

首先確定此次參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)，使設(shè)計(jì)出的后副車架在滿足強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。

本設(shè)計(jì)參考結(jié)合某款B 級(jí)車的基本參數(shù)，基于給出的車長(zhǎng)、軸距以及輪距，初步確定后副車架的大體尺寸，構(gòu)造出基本三維模型。

利用NX10.0 軟件進(jìn)行車架建模。首先根據(jù)圖紙繪制剖面草圖曲線，然后通過拉伸指令創(chuàng)建副車架主體，最后通過創(chuàng)建網(wǎng)格、曲線偏置、體的合并剪切等指令構(gòu)建出副車架三維模型。模型如圖2 所示。

圖2 UG 環(huán)境下構(gòu)建的后副車架模型Fig.2 Rear subframe model built in NX environment

為使優(yōu)化對(duì)象便于選取，此處必須做模型完整性檢查，方法：將觀察視圖切換到正等測(cè)圖，將被觀察模型切換到靜態(tài)線框狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 UG 環(huán)境下后副車架模型的靜態(tài)線框Fig.3 Static wire frame of rear subframe model in UG environment

2 后副車架的有限元分析

使用NX 軟件的 Nastran 功能模塊對(duì)設(shè)計(jì)完成的后副車架模型做有限元分析。

第一步，點(diǎn)擊“新建FEM 和仿真”，勾選“創(chuàng)建理想化部件”，如圖4 所示。

圖4 新建FEMFig.4 Create new FEM (Finite Element Modeling)

2.1 指派材料和設(shè)置材料屬性

單擊“指派材質(zhì)”命令，選取模型整體，在庫菜單中查找6000 系鋁合金“Aluminum_6061”。材料選取完成后可以點(diǎn)擊“檢查材質(zhì)”，在彈出的對(duì)話框中可以查看或者更改所選材質(zhì)的密度、疲勞極限、屈服極限、膨脹系數(shù)等多項(xiàng)物理屬性。

單擊“物理屬性”，在“physical property管理器”中更改，默認(rèn)的類型和名稱選擇PSOLID，標(biāo)簽改選PSOLID1。

單擊“創(chuàng)建”指令，然后可根據(jù)需求選擇修改多項(xiàng)物理屬性，比如材質(zhì)、積分網(wǎng)絡(luò)、積分方案等，最后把材質(zhì)一欄改成指派材料時(shí)選擇的“6061 鋁合金”。

2.2 創(chuàng)建大小合適的網(wǎng)格

單擊“網(wǎng)格（mesh）收集器”，其中實(shí)體屬性欄改為PSOLID1。單擊“3D 四面體”圖標(biāo)，網(wǎng)格劃分對(duì)象選取后副車架整體，類型設(shè)置成“CTETRA（10）”。打開網(wǎng)格擴(kuò)展參數(shù)欄，勾選“Automatic unit size”，系統(tǒng)自動(dòng)將單元大小改為50.3。為了提高精確性，取其1/2，不能過小，以免求解無法呈現(xiàn)結(jié)果。勾選“嘗試自由映射網(wǎng)格劃分”欄[9]，剩余的選項(xiàng)無需修改，均為默認(rèn)，單擊確定。此時(shí)，系統(tǒng)將計(jì)算并劃分網(wǎng)格，完成運(yùn)算后效果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Rendering of meshing

網(wǎng)格劃分運(yùn)算后，須檢查網(wǎng)格是否完整，是否出現(xiàn)面塌陷、面重合等錯(cuò)誤，一般這一類問題通常會(huì)有網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成紅色。其次，讓模型檢測(cè)程序運(yùn)行一遍，察看是否有失效編號(hào)，如有，則須對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，直至消除失效編號(hào)。

2.3 后副車架強(qiáng)度分析

前文中已經(jīng)新建好FEM，因此此處只需建立new simulation part (sim),創(chuàng)建sim 文件的目的是建立解算方案、添加約束及載荷等。

首先設(shè)置約束。后副車架所受約束條件主要是與中間車架（電池艙）相接處的螺栓固定和兩側(cè)支架處的固定約束。具體操作如下：

新建固定約束。選擇前端兩處螺栓孔及四周，點(diǎn)擊確定；新建固定約束，選擇兩支架上6 處螺栓孔為約束對(duì)象，點(diǎn)擊確定。

施加載荷。后副車架受到的力主要有中置電池艙的重力、螺栓預(yù)緊力、后懸架的重力、整車的重力等。此處主要考慮整車重力及分?jǐn)傠姵嘏摰牧?，其余?yīng)力相對(duì)較小，此處為簡(jiǎn)化可以忽略。

全部完成后，進(jìn)行解算。步驟如下：查看解算方案，單擊求解。程序求解完后彈出“solution完成”對(duì)話框。雙擊加載出仿真結(jié)果，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 強(qiáng)度分析結(jié)果Fig.6 Result of strength analysis

由所得結(jié)果可以看出，在后副車架前后兩根橫梁以及兩側(cè)加強(qiáng)筋處受到應(yīng)力會(huì)有較大的形變產(chǎn)生，說明這些部分優(yōu)化空間較大。

3 后副車架的優(yōu)化

參照優(yōu)化目標(biāo)，必須在強(qiáng)度滿足的情況下對(duì)后副車架做輕量化設(shè)計(jì)。

選擇sim 文件右擊“New solution process”，菜單中選擇“幾何優(yōu)化（Geometric optimization）”，優(yōu)化類型選“NX 優(yōu)化程序”，目標(biāo)類型選擇“重量”，類別選擇“建模對(duì)象”，參數(shù)項(xiàng)選擇“最小化”。設(shè)置優(yōu)化約束。根據(jù)模型體積=57 924 322.370 0 mm3，查看6061 鋁合金的密度 為0.000 002 711 kg/mm3，計(jì)算可以算出整體質(zhì)量=157.03 kg，此處重力加速度g 選取9.8 N/kg，進(jìn)而可以算出其重力為1 538.89 N，將Weight 上限設(shè)為此數(shù)值。

定義設(shè)計(jì)變量中，選取1 個(gè)特征尺寸和4 個(gè)參數(shù)化曲線，如圖7 所示。

圖7 設(shè)計(jì)變量的初始值、上、下限值Fig.7 Design variables’i nitial value,superior and lower limit

解算完成后，優(yōu)化結(jié)果以Excel 圖表的形式呈現(xiàn)，如圖 8—圖 12 所示。

圖8 變量 p816 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.8 Variable p816 optimization analysis results

圖9 變量 p669 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.9 Variable p669 optimization analysis results

圖10 變量 p670 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.10 Variable p670 optimization analysis results

圖11 變量 p710 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.11 Variable p710 optimization analysis results

圖12 變量 p711 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.12 Variable p711 optimization analysis results

通過多次迭代優(yōu)化過程可以看出優(yōu)化曲線有明顯下降的趨勢(shì)，這說明在強(qiáng)度滿足的條件下，使用優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸的方法能夠達(dá)到后副車架輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié)語

秉持汽車輕量化設(shè)計(jì)的理念，運(yùn)用UG 軟件對(duì)直驅(qū)式電動(dòng)汽車后副車架完成了參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并取得了較理想的結(jié)果，為直驅(qū)式電動(dòng)汽車減輕質(zhì)量提供改進(jìn)參考。