某款純電動轎車輕量化開發(fā)架構(gòu)

王書

摘要：氣候變化、能源和環(huán)境問題是人類社會共同面對的長期問題。發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是響應(yīng)國家“節(jié)能優(yōu)先，綠色低碳，立足國內(nèi)，創(chuàng)新驅(qū)動”的四大能源發(fā)展戰(zhàn)略。輕量化和電動化是支持國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)；輕量化可以從模塊化，集成設(shè)計，新材料使用，連接技術(shù)等多種方式來實現(xiàn)；電動化就是采用純電動驅(qū)動汽車的一種形式。

關(guān)鍵詞：輕量化；電動化；新材料；集成設(shè)計

1.背景

美國洛杉磯光化學(xué)煙霧、中東局勢動亂、北京陰霾天氣等一些事件對環(huán)境保護(hù)、全球化石能源資源日益緊張引發(fā)的國家戰(zhàn)略及傳統(tǒng)汽車尾氣排放帶來的日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，促使世界各國對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展紛紛轉(zhuǎn)向新能源汽車開發(fā)?！豆?jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》中指出以純電動驅(qū)動為我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，加快培育和發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，重點發(fā)展純電動汽車、插電式混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化。《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》已發(fā)布，國家逐漸由補貼引導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎咭龑?dǎo)，進(jìn)一步大力推動純電動汽車的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

2.純電動轎車輕量化開發(fā)架構(gòu)構(gòu)建

S51EV是某公司全新開發(fā)的一款小型純電動汽車，旨在開發(fā)純電動專業(yè)平臺和輕量化全鋁骨架平臺車身，體現(xiàn)純電動以動力電池、乘員為中心的布置，全面提升整車輕量化水平、電動化平臺的核心技術(shù)和整車性能指標(biāo)，形成全新輕量化全鋁骨架車身和電動汽車技術(shù)平臺。在設(shè)計驗證過程中，主要針對整車平臺布置、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝、整車安全及電池系統(tǒng)安全等系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行更深層次研究；努力解決全新純電動汽車平臺下的新輕量化全鋁骨架車身的材料、結(jié)構(gòu)、性能匹配難題。

輕量化車身可采用全鋁型材為骨架車身，鋁板為封板承擔(dān)密封和功能件的安裝。采用高強度鎂鋁合金，復(fù)雜斷面，擠壓成型，3D空間精密彎曲，激光焊接而成。全鋁型材骨架車身平臺可便捷擴展車身長度和寬度，擴展了平臺的范圍，有利于平臺車型和衍生車型的開發(fā)。S51EV采用全鋁型材為骨架車身和復(fù)合材料外覆蓋件，車身與電池包一體化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，提前規(guī)劃電池包布置區(qū)域，模塊化設(shè)計。便于電池模組的布置和優(yōu)化。下面從整車集成技術(shù)、輕量化全鋁骨架車身、焊接工藝等幾個方面來初探整車輕量化。

1、整車集成技術(shù)（搭載輕量化全鋁骨架平臺車身）

S51EV整體布置以動力電池、乘員為中心展開，結(jié)合構(gòu)想的輕量化全鋁骨架平臺及電池包一體化車身，充分考慮前艙、前端模塊、前后懸架系統(tǒng)、驅(qū)動模塊等主要模塊的布置和可擴展的安全裕度。性能充分考慮新材料、新結(jié)構(gòu)的特點，合理布置設(shè)計結(jié)構(gòu)，合理構(gòu)造受力零部件，圍繞力的傳遞路徑和車輛的實際空間，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)車輛碰撞安全、密封、NVH、整車重量等整車性能目標(biāo)。平臺化設(shè)計主要分為九個模塊：前端模塊、前艙模塊、前排人機模塊、電池模塊、后排人機模塊、后端模塊、前懸架模塊、后懸架模塊、后驅(qū)動模塊，通過這九個模塊的變化，實現(xiàn)平臺化開發(fā)。平臺化模塊示意圖（圖1）：

S51EV是全新純電動平臺的首款車型，為2門2座車型，設(shè)計布置同時考慮2門4座人體布置，根據(jù)平臺規(guī)劃和輕量化全鋁骨架平臺及電池包一體化車身，電池包布置在底盤下，由四個封閉型材零部件形成的框架結(jié)構(gòu)對電池包進(jìn)行保護(hù)（見圖2）。

2、輕量化全鋁骨架平臺車身（復(fù)合材料外覆蓋件）

汽車輕量化是汽車產(chǎn)品一直追求的目標(biāo)。S51EV輕量化全鋁骨架平臺車身（新材料、新工藝），車身框架電池包結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。車身重量較傳統(tǒng)車身減重約40%，滿足整車碰撞和其他性能要求，力求五星碰撞安全設(shè)計和NVH目標(biāo)達(dá)成。受力路徑分析和典型斷面設(shè)計如下：

（1）輕量化全鋁骨架平臺車身的整體構(gòu)想：

a）根據(jù)受力路徑，簡化受力框架模型，設(shè)計車輛典型斷面；主要承力部位由封閉的6系鋁型材件組成車身骨架，其余的部分根據(jù)總布置的要求，采用5系輕薄鋁板件作為封板結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足車輛的功能要求；

b）采用輕量化全鋁骨架平臺車身，外覆蓋件為單純的外觀功能件，不承受力需有必要的抗凹性，外覆蓋件可采用復(fù)合材料安裝在骨架車身上。運動件如：前艙蓋、后背門等都采用復(fù)合材料件。見圖10紅色件外覆蓋件均為復(fù)合材料件。

c）前端模塊，根據(jù)受力路徑圖，上部的力量傳遞由前橫梁，大燈安裝支架等件組成，下部由副車架來進(jìn)行力量傳遞；前端模塊，從結(jié)構(gòu)、材料、重量、性能（外觀間隙、工裝精度等）、成本和管理效率等多角度綜合比較，提出使用前端模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計；前端模塊繼承了左右大燈安裝支架、散熱器安裝點、機罩鎖等功能件，CAE分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕重量。

（2）輕量化全鋁骨架平臺車身結(jié)構(gòu)設(shè)計與碰撞安全：

輕量化全鋁骨架車身鋁型材、鋁板件、少量鋼板沖壓件、壓鉚/拉鉚標(biāo)準(zhǔn)件以及鋁制壓鉚套管組成；車身總成采用的連結(jié)方式：自動激光焊、 MIG焊（鋁型材與鋁板材）、無鉚連接（車門洞止口鋁板沖壓件）；螺接或鉚接（鋼板件與型材）；拉鉚/壓鉚（標(biāo)準(zhǔn)件以及套筒）；

輕量化全鋁骨架車身采用全鋁型材骨架，“3R-BODY”環(huán)狀車身結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，前艙縱梁和前保橫梁通過CAE仿真模擬方法，采用不同截面和料厚；有效利用前艙內(nèi)潰縮吸能空間，在碰撞的初始吸收掉盡可能多的碰撞能量，減少乘員艙所承受的碰撞力度，保護(hù)乘員。

輕量化全鋁骨架車身經(jīng)過設(shè)計工程師結(jié)構(gòu)搭建、前保橫梁、前艙縱梁、吸能盒等零部件多輪結(jié)構(gòu)、材料分析再優(yōu)化后，得到如下比較滿意的分析結(jié)果，車門能正常開啟，B柱下加速峰值合理；門檻的變形量<7mm，確保乘員安全和乘員相關(guān)考察指標(biāo)，電池防護(hù)較為理想。

（3）全鋁骨架平臺車身輕量化：

輕量化全鋁骨架車身、復(fù)合材料外覆蓋件和背門、前端集成模塊、鋁制副車架等新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，持續(xù)通過選材、料厚和結(jié)構(gòu)拓?fù)銫AE優(yōu)化降低整車重量。輕量化全鋁骨架車身較同級的傳統(tǒng)材料車身扭轉(zhuǎn)剛度，彎曲剛度約有30%的提升，車身扭轉(zhuǎn)剛度可達(dá)到近14000Nm/deg，較傳統(tǒng)材料車身約40%減重，輕量化系數(shù)估計可到3.0。滿足整車重量目標(biāo)，基本實現(xiàn)了全新純電動平臺的全鋁骨架平臺車身的設(shè)想。

3、采用鋁合金型材車身骨架和全自動焊接技術(shù)，簡化生產(chǎn)、工藝過程，材料循環(huán)回收利用

S51EV采用輕量化全鋁骨架車身，鋁氧化物有較強的抗腐蝕性，主機廠工藝可縮為焊接（焊接處PVC密封）和總裝兩大工藝，VOC排放僅為傳統(tǒng)車的9%，制造能耗僅為傳統(tǒng)車的20%，投資約為傳統(tǒng)車的 ；大大減少了設(shè)備投資、廠房建設(shè)的時間和費用；鋁型材采用自動化焊接，車身95%以上采用鋁合金，材料利用率可達(dá)95%，提升了零部件的精度和效率，有效降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。S51EV采用獨創(chuàng)輕量化全鋁骨架車身和復(fù)合材料的外覆蓋件可100%循環(huán)回收利用。

鋁合金激光自動焊接速度快，不需要焊材填充，可達(dá)1.5m/min，約為人工MIG焊的5倍，自動MIG焊的3.5倍；制造成本更低，在S51EV上應(yīng)用，可節(jié)省焊絲約50m/車；焊縫強度提高4%，線載荷可達(dá)到186N/mm，高于MIG焊（172N/mm）；熱輸入量小，有效降低車身焊接熱變形；焊縫美觀，焊接后不需要進(jìn)行額外處理。

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