新型電動汽車車架輕量化優化設計

霍佳興 辛堯

摘 要：面對環境和資源的雙重壓力，具有清潔、能量轉換高效等優點的電動汽車，已成為汽車發展和生產的重要組成部分。研究發現，降低電動汽車質量對增加續駛里程和降低耗能有明顯的作用，質量減少100kg，行駛里程將增加1.2%，百公里耗能減少1.6%。車架是汽車的受力基體，因此，電動汽車車架輕量化很重要。

關鍵詞：電動汽車；汽車車架；輕量化；優化設計

1 輕量化設計現狀

現代的汽車設計研發具有4項明確要求，即安全、舒適、節能和環保。因此減輕結構重量，增加車輛安全性，節省燃料和減少尾氣排放以及對環境的污染，是汽車開發設計的重要發展方向。同時，如今汽車的買家希望購買的車輛能夠獲得一定的利潤，他們要求購買的汽車應該性能好，工作安全可靠，乘坐放心舒適等，并且要求款式新穎，符合時尚元素等，同時買家也越來越關注汽車的燃料效率，要求行駛過程中產生的附加費用低，以及產生的污染盡量少等，還要求車價平民化買得起。2003年，汽車工程師學年會在底特律召開，在對參加會議的專家學者的意見調查中顯示，減輕汽車質量，使用可節約燃料，減少廢氣排放，降低汽車生產成本和裝配成本，生產出對消費者有吸引力的功能性設計等這些因素成為汽車制造行業面臨的重要挑戰。據了解，汽車重量每減少10%，可減少燃油消耗7%，大大節省了壽命期內的使用成本。車體質量每減少20%-30%，一輛車的CO2排放量就減少0.5噸。因此，汽車車身的輕量化設計是節能減排、綠色制造不容忽視的開始關鍵點與最終落實處。汽車輕量化的方法主要有：（1）通過對車身車架等結構的優化設計，達到輕量化目的；（2）使用新材料、新工藝等達到輕量化的目的。這兩種優化方法是目前汽車行業在輕量化方面應用最多兩種方法。新材料、新工藝方法主要是應用質量更輕的合金、復合材料等代替傳統鋼材料車身，并找到更合適的加工成型方法。與采用新材料、新工藝方法相比，對傳統材料車身結構優化設計仍然是現在汽車制造行業的主流方式，主要方法有尺寸優化，形狀優化，拓撲優化以及多學科、多目標優化。

2 建立車架有限元模型

將在三維建模軟件中建立好的模型進行適當簡化可以提高有限元分析的效率，模型簡化的原則及簡化內容為：（1）分析車架三維模型，進行簡化處理。客車車架或一些機械結構，一般會設計成對稱、排列形式，在簡化一個模型前首先要觀察模型是否有直線對稱、旋轉對稱或排列有序。對稱的模型可以切割、簡化為只處理一半模型，后者直接對稱過去即可；有序排列的模型可以只處理其中一個，其余陣列獲得。（2）非承載件的簡化。簡化一些不承受載荷的非承力件，或者將一些不直接作用于結構的載荷刪除忽略，用質量點或直接加載的形式代替；（3）簡化圓角、倒角、小孔等。將抽取完中間面并且簡化完成的模型導入到HyperMesh

軟件中，對模型進行有幾何清理、劃分網格等。在HyperMesh中，打開aotoclaenup命令，觀察模型的Freeedges（自由邊）、Sharededges（共享邊）、Suppressededges（抑制邊）以及T-junctions（T型邊）等，對本應該是共享邊或T型邊的自由邊進行延伸等編輯，使自由邊耦合、連接到一起；縫合、修復自由邊。對車架模型前處理完成后，接下來的工作是劃分網格。HyperMesh具有強大的網格劃分功能，在HyperMesh中對車架劃分網格，選擇網格尺寸為10mm，網格數量為600109，節點數為589727。網格劃分時采用四邊形網格為主，在一些邊角的地方采用三角形和四邊形混合單元類型為輔的方法。劃分網格時，注意避免出現形狀怪異、扭曲的單元，必要時可以對單元進行編輯，使網格單元質量達到最優，以免影響計算過程。劃分單元網格時還應注意網格之間的連續耦合，以免影響計算結果。網格劃分結束后，要對網格的質量、網格耦合連續性等進行檢查。2D單元qualityindex檢查質量為優的單元占99.9%，雅克比系數均大于0.6，三角形網格最大內角小于120°，最小內角大于20°，其余均在20°-120°范圍內；四邊形網格最大內角小于135°，最小內角大于45°，其余均在45°-135°范圍內。無重合、疊加的網格，網格之間悉數縫合，如下圖所示為該車架有限元模型。

3 車架動載荷有限元分析

汽車在實際行駛過程中，車架承受的彎曲與扭轉載荷主要由復雜的路面激勵引起的，以及來自乘客、車載部件、懸架等激勵產生的振動引起的。在行駛過程中，上述載荷屬于動態載荷，復雜且不穩定，這些載荷在行駛中對車架的作用也是復雜且不穩定的。因此在車架靜力分析的基礎上，引入基于動態載荷的車架有限元分析。提取車輛在典型工況的行駛過程中，各載荷的動態載荷曲線譜，讀取峰值載荷力，基于動態峰值力對車架進行有限元分析。在多體動力學仿真軟件ADAMS/Car中搭建12m電動汽車的整車模型以及道路模型，通過對該車進

行運動仿真，提取車架在應力最大工況下的右前輪下沉工況的動態載荷峰值力。把通過仿真獲得的動態載荷峰值力作用在車架上，對車架進行基于動態載荷峰值力應力位移分析。在多體動力學仿真軟件ADAMS/Car中搭建的車輛模型，能夠滿足模擬仿真車輛在路上行駛的要求。通過利用多體動力學仿真軟件搭建整車模型，可以縮短車輛的設計周期、盡可能避免車輛設計誤差、節約車輛設計開發成本、提高車輛整體質量等。

3.1 彎曲工況

彎曲工況主要是模擬車輛在滿載狀態下，在水平的良好路面上行駛時應力分布和變形情況。由此，約束前懸架與車架接觸位置的平動自由度X、Y、Z，釋放轉動自由度ROX、ROY、ROZ；約束后懸架與車架接觸位置的平動自由度Y，釋放平動自由度X、Z和轉動自由度ROX、ROY、ROZ。加載求解得彎曲工況車架變形圖；由圖可知，在滿載情況下，車架的變形主要出現在車架中部和后部，車架1最大值為0.42mm，車架2為0.61mm，遠小于許用的變形量5.3mm，則目標車架彎曲剛度較好。2）車架的絕大部分應力較小，車架1最大應力96.90MPa，車架2為113.59MPa，由國標GB50316-2000可知在常溫下Q235材料的屈服極限為235MPa，即在彎曲工況下車架的應力滿足要求。

3.2 扭轉工況

扭轉工況主要分析車架抵抗扭轉變形的能力，多發生在崎嶇不平的路面上，不平的路面會使得車架左右縱梁的受力不均。由此，約束右前懸架與車架接觸位置的平動自由度X、Y，釋放平動自由度Z和轉動自由度ROX、ROY、ROZ；約束后懸架與車架接觸位置的平動自由度Y，釋放平動自由度X、Z和轉動自由度ROX、ROY、ROZ；釋放左前懸架與車架接觸位置的平動自由度X、Y、Z和轉動自由度ROX、ROY、ROZ，即模擬左前輪懸空的狀態。加載求解后得彎扭工況車架變形圖；結果分析：1）由圖可知，在滿載情況下，車架的變形主要發生在車架左前端，車架1其最大值為3.16mm，車架2為4.62mm，小于許用變形量。2）車架的絕大部分應力值較小，車架1最大應力為144.78MPa，車架2為196.85Mpa，低于許用應力值。

4 結束語

車架作為客車的主要承載件其結構強度、剛度以及動態特性等影響著車架的操縱穩定性、舒適性等，車架的質量占客車總重的很大一部分，因此對車架以質量最小為優化目的的優化設計具有滿足目前節能環保要求、增加客車車載電池續駛里程、改善客車轉向靈活性、改善客車行駛性能等的意義。

參考文獻

[1]王青春，趙娟妮，楊芳，牟智.載貨汽車車架輕量化評價方法及優化設計[J].鍛壓技術，2017，4209：174-181.