純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：歸納了純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)施路徑；提出了基于多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科的純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化方法，即在滿(mǎn)足整車(chē)安全性、舒適性、可靠性等前提下，結(jié)合車(chē)型的具體情況綜合運(yùn)用材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化以及總布置方案輕量化等多種方法，對(duì)整車(chē)及零部件產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)；同時(shí)提出了要考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本的變化，在成本和收益之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)；最后以某款12m純電動(dòng)客車(chē)為例，介紹了其車(chē)身輕量化的實(shí)現(xiàn)方法和效果，以期為其他純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)城市客車(chē)；車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)；發(fā)展方向

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.82+2；U465.2+2；U469.72收稿日期：2024-10-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.013

1前言

在新能源汽車(chē)中，以純電動(dòng)城市客車(chē)為代表的新能源城市公共服務(wù)用車(chē)是我國(guó)推廣的重點(diǎn)。純電動(dòng)城市客車(chē)不僅繼承了純電動(dòng)汽車(chē)零排放、低噪音、低能耗等全部的優(yōu)點(diǎn)，還可以有效地緩解城市的交通堵塞問(wèn)題[1]。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，提出力爭(zhēng)經(jīng)過(guò)15年的努力，公共領(lǐng)域用車(chē)全面電動(dòng)化[2]。

目前純電動(dòng)城市客車(chē)的發(fā)展和推廣取得了顯著的成績(jī)，但是純電動(dòng)城市客車(chē)存在的技術(shù)瓶頸仍然是動(dòng)力電池儲(chǔ)能密度低的根本問(wèn)題。為保障續(xù)航里程就必須多裝電池，這一般來(lái)講會(huì)比傳統(tǒng)汽車(chē)增重15%～20%，續(xù)航里程會(huì)下降30%～50%，因?yàn)樵緝?chǔ)存的有限能量，再用來(lái)搬運(yùn)自身重量?jī)?nèi)耗，有用的輸出就更少。要顯著降低能耗，提高續(xù)駛里程，在電池技術(shù)、電控技術(shù)無(wú)明顯提升的背景下，整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)顯得更為重要。在《中國(guó)制造2025》中，汽車(chē)輕量化占據(jù)重要地位，已成為中國(guó)汽車(chē)發(fā)展產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù)[3]。

2純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化研究意義

汽車(chē)輕量化，就是指在滿(mǎn)足車(chē)輛基本使用性能（包括強(qiáng)度、剛度以及安全性、舒適性、可靠性等）的要求下，通過(guò)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法或使用新材料、新工藝等手段來(lái)有效降低汽車(chē)整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[4]。

純電動(dòng)城市客車(chē)整車(chē)輕量化主要包括車(chē)身（車(chē)身骨架（含全承載車(chē)底架）、內(nèi)飾件、外飾件）輕量化、車(chē)身電器附件輕量化、空調(diào)系統(tǒng)輕量化、底盤(pán)各系統(tǒng)（制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等）輕量化，以及“三電”系統(tǒng)（含電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)）輕量化等。

一般城市客車(chē)車(chē)身的質(zhì)量約占整車(chē)總質(zhì)量的40%～60%[5]，而純電動(dòng)城市客車(chē)由于動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量較大，考慮整車(chē)安全性，車(chē)身結(jié)構(gòu)普遍設(shè)計(jì)的比較保守，設(shè)計(jì)余量更大，因此車(chē)身的質(zhì)量占整車(chē)總質(zhì)量的比例較常規(guī)車(chē)輛更大。研究表明新能源汽車(chē)每減重10%，能源消耗就會(huì)降低6%～8%，續(xù)航里程可提升5%～6%，轉(zhuǎn)向力減少6%，制動(dòng)距離減少5%[6-7]。因此車(chē)身輕量化已成為純電動(dòng)城市客車(chē)節(jié)能、降耗，增加續(xù)航里程，以及提升車(chē)輛動(dòng)力性、操縱性、安全性等整車(chē)性能的重要技術(shù)路線(xiàn)，對(duì)其研究與探索意義重大。

3純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的技術(shù)路徑

純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)施路徑主要有材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化及總布置方案輕量化等。近年來(lái)，隨著新能源客車(chē)的大量推廣，國(guó)內(nèi)外新能源客車(chē)整車(chē)及零部件企業(yè)、科研院所等對(duì)客車(chē)車(chē)身輕量化相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究，并取得了一定的成果，但這些研究大都涉及以上主要輕量化途徑中的一種，且對(duì)于整車(chē)總布置方案與車(chē)身輕量化的關(guān)系這方面的研究成果比較少。通過(guò)融合多種途徑而使車(chē)身輕量化效果達(dá)到最佳的方法，仍需要不斷的探索和研究。

3.1材料輕量化

材料輕量化是指通過(guò)采用輕量化的材料，來(lái)達(dá)到降低整車(chē)質(zhì)量的方法。這里的輕量化材料是指那些既能滿(mǎn)足力學(xué)性能的要求，又可以減輕汽車(chē)質(zhì)量的材料[8]。通過(guò)采用輕量化材料來(lái)替換常規(guī)的材料是輕量化最直接、最有效的方法。常用的車(chē)用輕量化材料見(jiàn)圖1。而從輕度結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度來(lái)分，輕量化材料可分為兩種：a.新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，包括鎂、鋁、鈦等合金以及工程塑料、復(fù)合材料等，其質(zhì)量相對(duì)傳統(tǒng)車(chē)用材料都較輕；b.高強(qiáng)度材料主要指高強(qiáng)度鋼，其只需較少的材料就能獲得較高的性能[1，9-11]。

3.2制造工藝輕量化

制造工藝輕量化主要指采用輕量化車(chē)身材料制造和連接的先進(jìn)的新工藝來(lái)降低車(chē)身重量的方法。純電動(dòng)城市客車(chē)在輕量化材料應(yīng)用的同時(shí)，制造和連接工藝對(duì)輕量化也起到重要的作用[12]。伴隨輕量化材料的廣泛運(yùn)用，一些輕量化制造和連接工藝技術(shù)也在同步快速發(fā)展（圖2），其先進(jìn)制造工藝包括激光拼焊（TWB）技術(shù)、高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)、高壓鑄造成形技術(shù)、液壓成形技術(shù)、模壓成形技術(shù)、復(fù)合連接技術(shù)、金屬板材變截面軋制技術(shù)、集成式輥壓成形技術(shù)、微發(fā)泡注塑成形工藝等。這些先進(jìn)的制造和連接工藝憑借工藝精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于車(chē)身及其零部件的設(shè)計(jì)制造中[10，13-14]。

3.3結(jié)構(gòu)輕量化

在汽車(chē)的制造材料及制造工藝輕量化的基礎(chǔ)上，為獲得更好的減重效果，還可以對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化是指采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的材料分布、尺寸變化和形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而找到最優(yōu)的解決方案。常用的優(yōu)化方法有拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化等方法[3]，如圖3所示。

3.4總布置方案輕量化

除了材料輕量化、制造工藝輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化外，總布置方案輕量化也是需要重點(diǎn)關(guān)注的輕量化途徑。所謂總布置方案輕量化是指在整車(chē)總布置方案設(shè)計(jì)階段，就將整車(chē)輕量化特別是車(chē)身輕量化等指標(biāo)要求納入總體方案設(shè)計(jì)中，并通過(guò)造型設(shè)計(jì)、配置優(yōu)化、結(jié)構(gòu)整合、關(guān)鍵零部件位置調(diào)整、裝配或連接工藝設(shè)計(jì)等方式，從整車(chē)開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)的源頭就將輕量化的設(shè)計(jì)要求納入方案設(shè)計(jì)中，以便后續(xù)各分系統(tǒng)、各總成展開(kāi)具體的輕量化設(shè)計(jì)。

如在純電動(dòng)城市客車(chē)整車(chē)總布置方案設(shè)計(jì)階段，確定整車(chē)是選用高頂狀態(tài)還是平頂狀態(tài)，車(chē)身地板選用二級(jí)踏步結(jié)構(gòu)、低入口還是低地板結(jié)構(gòu)，車(chē)身材料用高強(qiáng)度鋼還是鋁鎂合金，動(dòng)力電池布置在車(chē)頂、車(chē)輛中段地板下部還是車(chē)輛后段高壓電器艙內(nèi)等。

當(dāng)然，這些狀態(tài)的確定并不完全在整車(chē)總布置方案設(shè)計(jì)階段確定，部分配置和狀態(tài)是由客戶(hù)的需求狀態(tài)確定，但在整車(chē)總布置方案設(shè)計(jì)階段就將輕量化的指標(biāo)要求統(tǒng)籌考慮并充分設(shè)計(jì)，無(wú)疑是必要且非常關(guān)鍵的。

4純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的發(fā)展方向

目前純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的研究已進(jìn)入精細(xì)輕量化階段，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)輕量化的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，輕量化的關(guān)注點(diǎn)也越來(lái)越細(xì)，實(shí)現(xiàn)難度越來(lái)越大。且不同車(chē)型有不同的使用場(chǎng)景和客戶(hù)群體，因此輕量化設(shè)計(jì)要結(jié)合車(chē)型的具體情況選擇適合的手段[9]。

輕量化未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是多材料、多方法設(shè)計(jì)，即混合輕量化和概念輕量化，新的輕量化方法從一開(kāi)始就要融入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)中，這樣基本可確定整車(chē)70%～80%的重量[11]。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，材料輕量化、制造工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化以及總布置方案輕量化等任何單一輕量化方法均無(wú)法完成，需要多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科，整車(chē)及零部件產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同完成。

目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)施路徑和實(shí)現(xiàn)方法已開(kāi)展了一定的研究和分析，部分研究方法也成功進(jìn)行了工程樣車(chē)的驗(yàn)證和批量車(chē)型的推廣及應(yīng)用，并取得了良好的效果。但隨著人們對(duì)整車(chē)安全性、舒適性以及全生命周期能耗、排放及成本的關(guān)注度不斷提高，要求我們?cè)谶M(jìn)行輕量化減重的同時(shí)，除了不能損害車(chē)輛功能、安全與耐用性，更重要的是輕量化要為客戶(hù)產(chǎn)生正溢價(jià)，即輕量化收益要高于付出的成本。

這就要求后續(xù)在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本的變化，并進(jìn)行輕量化全生命周期多目標(biāo)優(yōu)化研究，達(dá)到了在輕量化的同時(shí)，不增加汽車(chē)全生命周期的能耗、環(huán)境排放和成本的目標(biāo)，在成本和收益之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)[15-16]。

5純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的應(yīng)用案例

5.1研究對(duì)象

以某公司一款12m承載式車(chē)身純電動(dòng)城市客車(chē)（圖4）為例，該車(chē)輛造型為高頂狀態(tài)，車(chē)頂兩側(cè)設(shè)有裝飾件，車(chē)輛后部設(shè)有高壓電池艙和電器艙，配置303kW·h動(dòng)力電池，車(chē)身骨架采用普通的Q235、Q345鋼，底架采用的是T700高強(qiáng)度鋼，車(chē)輛整備質(zhì)量12200kg，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量18000kg，其中車(chē)身（含車(chē)身骨架、底架以及部分外部蒙皮和內(nèi)部封板）總重4250kg。

5.2輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及客戶(hù)需求，優(yōu)化原來(lái)的總布置方案，將車(chē)輛外觀高頂造型方案改為平頂造型方案；調(diào)整動(dòng)力電池布置方案，取消車(chē)輛尾部動(dòng)力電池艙，將部分動(dòng)力電池放置車(chē)輛中段和車(chē)頂；取消部分模塊化配置如雙人乘客椅等預(yù)埋模塊等，將車(chē)身骨架布置方案調(diào)整為栓接鋁合金車(chē)身布置方案（圖5）等。

其次，將車(chē)身骨架、外部蒙皮和內(nèi)部封板改為鋁合金材質(zhì)（骨架部分采用6000系列異形端面鋁合金型材，外蒙皮和內(nèi)封板采用3000系列和5000系列鋁合金板），骨架各零部件及總成之間通過(guò)焊接、螺栓連接或者鉚釘鉚接等連接固定，外部蒙皮和內(nèi)部封板通過(guò)鉚釘鉚接或者膠粘等方式安裝固定。

在CATIA中建立車(chē)身三維CAD幾何模型并導(dǎo)入HyperWorks軟件中，建立如圖6所示的整車(chē)骨架及部分承力內(nèi)外封板的有限元CAE模型。為保證CAE模型的精度、準(zhǔn)度并盡量減小模型的規(guī)模，在建模時(shí)略去部分蒙皮和某些非承載結(jié)構(gòu)；骨架中所有規(guī)則的型材，均用shell單元模擬，單元基本尺寸10mm，翹曲度lt;15°，傾斜度lt;60°，長(zhǎng)寬比lt;5，四邊形最小內(nèi)角45°，最大內(nèi)角135°，三角形最小內(nèi)角20°，最大120°[17];考慮整個(gè)骨架的應(yīng)力分布，簡(jiǎn)化了并非高應(yīng)力區(qū)域且直徑小于5mm的小孔[18]；建立的骨架有限元模型總計(jì)3587667個(gè)單元，2482671個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。在此模型的基礎(chǔ)上施加約束和載荷，對(duì)其進(jìn)行整車(chē)水平彎曲、極限扭轉(zhuǎn)、緊急轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)等四種典型工況的靜力學(xué)分析。

通過(guò)分析，找出結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)不合理以及結(jié)構(gòu)冗余的部位，然后對(duì)車(chē)身骨架部分型材截面尺寸形狀、骨架結(jié)構(gòu)以及車(chē)身骨架內(nèi)部零部件之間、車(chē)身骨架與底架之間的連接方式等進(jìn)行尺寸、形狀等結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后再對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析，驗(yàn)證優(yōu)化后的效果，在保證車(chē)輛安全性、可靠性的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

5.3輕量化效果

通過(guò)整車(chē)總布置方案優(yōu)化、輕量化材料替換、連接工藝及骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等綜合輕量化方法的應(yīng)用，整車(chē)車(chē)身（含車(chē)身骨架、底架以及部分外部蒙皮和內(nèi)部封板）累計(jì)減重約985kg，減重幅度達(dá)23.2%；優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析結(jié)果顯示設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，結(jié)合實(shí)車(chē)30000km可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析報(bào)告，表明輕量化方案可行，減重效果顯著。

6結(jié)語(yǔ)

本文闡述了純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的必要性和重要性，總結(jié)歸納了純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)施路徑，提出了基于多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科的純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化方法，同時(shí)提出了要考慮輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本變化的建議。

我國(guó)汽車(chē)輕量化的研究起步比較晚，相應(yīng)的輕量化設(shè)計(jì)理論和成果相比國(guó)外先進(jìn)水平還有一定的差距，還有很多核心的技術(shù)問(wèn)題有待突破。我們應(yīng)抓住新能源汽車(chē)飛速發(fā)展的機(jī)遇，加快推進(jìn)對(duì)多材料、多方法、多維度、多目標(biāo)、多學(xué)科等綜合輕量化的理論研究和工程應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)汽車(chē)特別是純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

劉稱(chēng)意，男，1985年生，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)身輕量化材料應(yīng)用、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新能源客車(chē)總體方案布置等。