純電動(dòng)汽車車架優(yōu)化的發(fā)展趨勢簡述

葛家琪 張計(jì)軍

廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州市 545004

1 傳統(tǒng)燃油車車架

車架是汽車最為重要的承載部件，一般由兩根縱梁和數(shù)根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置、前橋、后橋支承在車輪上。車架的功用是支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對(duì)正確的位置，在行駛過程中，車架不僅要承受汽車各個(gè)總成的質(zhì)量和有效載荷，還要承受行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種靜載荷和動(dòng)載荷[1]，因此，其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車的操作穩(wěn)定性和乘車舒適性等都有重要的影響。

早期出現(xiàn)的車架，是兩條縱向的主粱上焊接大小不同的副橫梁所構(gòu)成，像一條平躺著的梯子，直至上世紀(jì)60 年代，這種梯形車架仍然被大部分汽車所采用。但是由于鋼骨設(shè)計(jì)的車架必須通過電弧焊焊接主梁和副梁，加之籠式結(jié)構(gòu)也無法騰出較大的空間，造成了制造工藝復(fù)雜、無法大量生產(chǎn)之外，也不適合用在強(qiáng)調(diào)空間感的車，因此，梯形車架在一般小轎車上應(yīng)用的情況越來越少，車架開始呈現(xiàn)出多種多樣的形式，可以分為：梯形車架、一體式金屬車架、脊梁式車架、碳纖維車架、大梁式車架、桁架式車架以及承載式車架等。大梁式車架的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、容易開發(fā)，生產(chǎn)工藝要求較低，而且鋼梁具有很強(qiáng)的抗扭強(qiáng)度和承載能力；承載式車架將車架和車身二合為一，質(zhì)量輕，可利用空間大，重心低，而且沖壓成型的制造方式十分適合現(xiàn)代化的大批量生產(chǎn)，故大梁式和承載式是車架當(dāng)中的主流車架形式。

2 電動(dòng)汽車車架

隨著能源消耗逐漸增多和環(huán)境問題變得日益嚴(yán)峻，純電動(dòng)汽車成為傳統(tǒng)燃油汽車最主要的替代品。純電動(dòng)汽車和燃油車相比，最大的差異是采用新的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，增加動(dòng)力電池系統(tǒng)，電機(jī)和減速器總成取代了燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器總成，故電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)布局需要在原有的基礎(chǔ)上面做出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)新的動(dòng)力系統(tǒng)，但是為了縮短開發(fā)周期和節(jié)約成本，大部分新能源汽車沿用了傳統(tǒng)汽車車架結(jié)構(gòu)，那么如何結(jié)合新能源汽車的特點(diǎn)，對(duì)新能源汽車的車架進(jìn)行優(yōu)化成為了一個(gè)新的研究課題：首先，燃油汽車的結(jié)構(gòu)布局主要圍繞乘員和動(dòng)力總成，電動(dòng)車在布置時(shí)除了關(guān)注乘員和動(dòng)力總成，還需要考慮動(dòng)力電池、懸架在車架上的布置。其次，車架主要用來緩沖凸凹不平的路面給車輛帶來的震動(dòng)以及避免在碰撞工況下動(dòng)力電池承受過大的載荷，因此要保證車架有足夠的剛度和強(qiáng)度。最后，在保證車架的剛度和強(qiáng)度下，還應(yīng)該考慮車架的輕量化，降低整車的質(zhì)量，增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。總的來說，新能源電動(dòng)汽車車架和傳統(tǒng)油車車架的功能相差不多，但新能源電車車架結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

3 電動(dòng)車汽車車架優(yōu)化趨勢

在國家政策的推動(dòng)下，對(duì)于傳統(tǒng)汽車廠而言，在自產(chǎn)的傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上進(jìn)行油改電的產(chǎn)品是成本低、周期短、成效快，部分的電動(dòng)汽車直接沿用了傳統(tǒng)燃油車的車架，車身做適應(yīng)性改進(jìn)來放置電池和電機(jī)，但是這樣只能保證電動(dòng)車的基本功能，性能則乏善可陳，因此，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，使車架和新能源汽車的性能更為貼合。

3.1 電池分布結(jié)構(gòu)優(yōu)化

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車沒有油箱，使動(dòng)力電池在車架上的布置位置相對(duì)靈活，但是動(dòng)力電池的重量要占到車架承受載荷的30%，因此動(dòng)力電池的布局也是優(yōu)化電動(dòng)汽車車架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵之一。電池布局的相對(duì)位置、質(zhì)心高度、安全性能、合理分配軸重都會(huì)影響到車架的應(yīng)力分布情況和振動(dòng)特性，更影響整車的舒適性和操作性，因此在電池的布局中，需考慮以下幾個(gè)問題：動(dòng)力電池安放所需要的容納空間；滿載時(shí)前、后軸比重要相等；保證汽車通過性良好的基礎(chǔ)上，盡量降低質(zhì)心的高度；便于充電、維修和更換動(dòng)力電池；與駕駛艙隔離開，防止漏電。目前，市面上大多數(shù)的電動(dòng)汽車取消傳統(tǒng)油箱和中央傳動(dòng)軸后，后排地板放平，以形成“滑板式”底盤，動(dòng)力電池組則可以放置在車廂底板下，整體包裹，既不影響車內(nèi)的空間，又可以降低車子的重心，讓車子的高速的時(shí)候具有更好的穩(wěn)定性；其次，部分電動(dòng)汽車將動(dòng)力電池制作成字母“T”的形狀，放置在第二排座椅下方，此類布置對(duì)車內(nèi)空間影響較大。除此之外，安全也是優(yōu)化時(shí)需要考慮的問題，有的電動(dòng)汽車將電池組分散擺放，與乘坐者隔絕，電池組分散放置時(shí)接觸面積小，可防止多次摩擦或碰撞帶來危險(xiǎn)，即便一塊或幾塊電池故障，也不會(huì)使其他電池的使用受到影響，依舊可維持汽車正常運(yùn)行。當(dāng)動(dòng)力電池的布局發(fā)生變化，車架產(chǎn)生位移變形和等效應(yīng)力的位置不一樣且應(yīng)力和變形值相差較大，因此，電池布局不合理會(huì)使車架產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的屈服極限，破壞整體結(jié)構(gòu)，電池布局對(duì)車架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化影響較大[2]。

3.2 整體布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電動(dòng)汽車是一個(gè)系統(tǒng)，包含了許多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間越協(xié)調(diào)越能提升車子的整體性能，因此純電動(dòng)汽車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)該以電動(dòng)汽車總體布局為前提，結(jié)合電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，對(duì)整體車架進(jìn)行優(yōu)化：首先，電動(dòng)汽車主要是通過柔性的線而不是通過剛性聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)軸來傳遞能量，因此，電動(dòng)汽車各系統(tǒng)的布置具有很大的靈活性：其次，采用不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能裝置也會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，影響電動(dòng)汽車的尺寸、形狀及質(zhì)量[3]。另外，對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，還應(yīng)該分析車輛在行駛時(shí)車架所承受的各種力，汽車的使用條件復(fù)雜，受力情況也十分復(fù)雜，隨著汽車行駛條件的壁畫，車架上的載荷變化很大，而車架縱梁與橫梁的截面形狀和連接點(diǎn)又是多種多樣，這樣使得車架承載更為復(fù)雜，為滿足上述要求，通常車架的優(yōu)化時(shí)：應(yīng)該滿足一定的剛度，以保證車架上的各種零部件之間的距離在車輛正常行駛中變形幅度盡可能的??；同時(shí)滿足一定的強(qiáng)度，以保證車架的疲勞壽命及耐久性滿足要求，車架上的主要部件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)才不會(huì)出現(xiàn)斷裂，最后具有適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度，當(dāng)汽車在不平路面.上行駛時(shí)，為了保證汽車對(duì)路面不平度的適應(yīng)性，提高汽車的平順性和通過能力，車架必須具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。但是車架扭轉(zhuǎn)剛度也不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差。因此，通過分析電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，需要在原有的車架上進(jìn)行優(yōu)化，滿足電動(dòng)汽車獨(dú)有的結(jié)構(gòu)要求并充分利用了電力驅(qū)動(dòng)的靈活性。

3.3 車架的輕量化

車架的輕量化是指在確保其剛度性能、強(qiáng)度性能和模態(tài)性能滿足要求的前提下，采用有效的方法減輕其重量[4]。在新能源汽車總重量中，電池的重量高達(dá)30%，車身與配件占70%，有實(shí)驗(yàn)表明，汽車的車上質(zhì)量每減少10%，能量消耗就隨之減少6%～8%[5]，若能將車架輕量化，就能夠增強(qiáng)車輛動(dòng)力性和續(xù)航里程。就目前來說，可以從三個(gè)方面進(jìn)行輕量化：

3.3.1 車架結(jié)構(gòu)輕量化

在輕量化的研究中，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)輕量化的方法研發(fā)的周期短，成效快，得到了廣泛的應(yīng)用。得益于數(shù)學(xué)算法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)輕量化已有一套成熟的優(yōu)化體系，根據(jù)實(shí)際的問題和情況，建立車架的數(shù)學(xué)模型，分析車架在多種工況下的彎扭剛度、自由模態(tài)、位移及應(yīng)力等性能，采用一定的優(yōu)化方法，對(duì)車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化、厚度優(yōu)化或者打孔以達(dá)到輕量化的目的，保證車架性能不減的同時(shí)，降低車架的質(zhì)量，常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法主要有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、和拓?fù)鋬?yōu)化四種。首先，尺寸優(yōu)化是最基本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式，福特汽車公司就應(yīng)用尺寸優(yōu)化方法，減少部件厚度和總質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化[6]，尺寸優(yōu)化在不更新幾何和網(wǎng)格基礎(chǔ)上，僅改變有限元模型的參數(shù)，通過調(diào)整車架的板材厚度、截面面積來實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量的優(yōu)化方式；其次，形狀優(yōu)化是在現(xiàn)有拓?fù)淠Ｊ降幕A(chǔ)上，改變零部件的幾何形狀來改善其應(yīng)力條件，從而減少材料使用來降低質(zhì)量；再次，形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化有類似之處，在鈑金件上中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布，利用沖壓工藝形成壓痕添加加強(qiáng)筋，在滿足強(qiáng)度、頻率等要求的同時(shí)能減輕重量；最后，拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)特定的工作環(huán)境和約束條件，對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化，尋找有效的載荷傳遞路徑和最佳材料布局，得到質(zhì)量最小的結(jié)構(gòu)，比如美國的Altair 公司對(duì)客車的車身進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在減少制造成本和增加內(nèi)部空間的同時(shí)，還能夠減輕車身30%的重量[7]。在車架輕量化的研究中，各種優(yōu)化方法沒有明確的應(yīng)用界限，采用哪種優(yōu)化方法需要根據(jù)特定的情景進(jìn)行選擇。此外，除了以上四種優(yōu)化方法，通過將車架的結(jié)構(gòu)集成化來實(shí)現(xiàn)輕量化，也可以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。

3.3.2 新型材料輕量化

采用輕量化材料對(duì)原車架鋼材進(jìn)行替換，是一種效果最為顯著、使用最為簡單的輕量化方法，從汽車市場現(xiàn)有的輕量化材料來看，可分為四類，第一類是高強(qiáng)度鋼材，包括高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，在焊接中具有良好的塑性，易于成型，若將高強(qiáng)鋼作為車架的主材，車架的強(qiáng)度可比原先提升好幾倍，因此，使用高強(qiáng)度鋼材取代傳統(tǒng)鋼鐵材料，可以降低構(gòu)成材料的厚度，及增加材料的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)輕量化；第二類是輕金屬材料，包括鋁合金、鎂合金、鈦合金等，輕金屬材料具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、熔點(diǎn)低好等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，鋁合金是當(dāng)前應(yīng)用最多也是最為成熟的輕金屬材料，主要表現(xiàn)在更高的比強(qiáng)度以及便于加工上，使用鋁合金作為汽車的主材，可以在不犧牲安全性的情況下，將汽車的全部總質(zhì)量減少近50%；第三類是纖維復(fù)合材料，可分為炭纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等，纖維具有很多優(yōu)良的性能，如強(qiáng)度高、耐熱性好、抗熱沖擊性好、熱容量小、比重小、抗腐蝕、耐輻射性好、和熱膨脹系數(shù)小等，可用于汽車前段模板、護(hù)板、托盤、支架。在機(jī)械強(qiáng)度上，其中碳纖維的強(qiáng)度要遠(yuǎn)超過鋼，但是它的比重不到鋼的1/4，是車架實(shí)現(xiàn)輕量化的理想材料，第四類是泡沫金屬，作為21 世紀(jì)最具潛力的新材料之一，泡沫金屬具有密度低、吸收沖擊能力強(qiáng)、比剛度強(qiáng)、抗彎曲度大、隔熱性好、隔音性好、減震性好等優(yōu)勢，泡沫金屬是在金屬中加入添加劑，經(jīng)過發(fā)泡工藝形成的一種復(fù)合型金屬，由孔隙和金屬框架組成，同時(shí)具有氣泡和金屬的特征，目前，泡沫金屬在電動(dòng)汽車的車門、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋罩、行李廂蓋、汽車翼子板、保險(xiǎn)杠上取代了傳統(tǒng)鋼材的使用，滿足輕量化的需求，并且在強(qiáng)度、韌性以及安全性方面比其他輕型材料具有更多優(yōu)勢，因此未來電動(dòng)汽車的發(fā)展，會(huì)將泡沫金屬作為主要的制造材料。

3.3.3 制造工藝輕量化

從車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化到新型輕量化材料的使用，都離不開與之相適應(yīng)的成型技術(shù)和連接技術(shù)，采用先進(jìn)的成型技術(shù)將新型輕量化材料加工成型，保證零件的良好性能，避免汽車在發(fā)生碰撞、沖擊中出現(xiàn)零部件過度變形的情況，如內(nèi)高壓成形制造技術(shù)、超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)、輥壓成形技術(shù)、高壓鑄造成型技術(shù)等，每種成型技術(shù)都有自己的特點(diǎn)和應(yīng)用。內(nèi)高壓成形制造技術(shù)是將管坯放入模具，利用高壓液體填充，使其直徑變大成型，用于制造汽車的扭力梁、控制臂和副車架；超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)通過熱處理高溫成型來實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度，用于制造前后保險(xiǎn)杠、A 柱、B 柱、C 柱加強(qiáng)版等[8]。除此之外，輕量化的連接技術(shù)也可以進(jìn)一步減輕汽車質(zhì)量，目前，汽車行業(yè)采用較多的是點(diǎn)焊和二保焊，這兩種焊接工藝因存在強(qiáng)度降低的問題，已不適合焊接新型輕量化材料。可將傳統(tǒng)焊接技術(shù)換成先進(jìn)的激光拼焊、攪拌摩擦焊、鉚接、膠接、鋁合金釬焊等方法。有研究報(bào)告顯示，至2030 年，汽車中輕量化材料的應(yīng)用將會(huì)急劇增加，相應(yīng)的連接技術(shù)也將隨之變化，點(diǎn)焊將被取代，激光拼焊、攪拌摩擦焊等先進(jìn)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于汽車制造[9]。

4 總結(jié)

目前而言，傳統(tǒng)汽車的車架沿用到純電動(dòng)汽車是成本最低，成效最快的方式，但是由于純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特性，需要從電池布局、整體布局和輕量化三個(gè)方面對(duì)車架優(yōu)化，若將三個(gè)方面綜合考慮，電動(dòng)汽車能獲得最佳性能又能將車架最大輕量化，除此之外，在未來的發(fā)展中，還可以對(duì)純電動(dòng)汽車車架的進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，更大程度的提升純電動(dòng)汽車的性能。