電動汽車車身結構設計與輕量化策略分析

朱浩

摘 要：對電動汽車進行設計時，需要先對其主體構建進行設計，并且設計是需要充分考慮其環形結構與力的傳遞路徑，之后再對其自身的結構進行2D與3D設計，其中有四個為典型的斷面，為頂蓋后橫梁位置、門檻位置、門限位器位置、門上鉸鏈位置。對車身輕量化設計的策略主要有應用新型工藝、使用新材料以及優化車身設計三個方面。

關鍵詞：電動汽車;車身結構設計;輕量化

1 引言

隨著科技的發展，全世界開始推廣電動汽車，因為傳統的汽車會對環境造成較大的危害，排放大量的有害氣體，為了緩解環境問題，各國政府均開始推薦電動汽車。電動汽車車身結構的設計與汽車的輕量化需求緊密相關，輕量化的電動汽車因重量減少，其自身的續航能力也會提升，并且各項特性也會得到提升。本文針對電動汽車車身結構設計與輕量化進行研究。

2 車身主體構架設計

車身結構設計的第一步就是車身主體構架的設計，因為需要先對車身的主體構架進行初步設計之后，一次為基礎通過計算機技術，再將完整的車輛結構設計出來。車身主體構架需要使用拓撲優化的方法，并且需要確保其保持環形結構，且對于懸臂梁的使用應當盡量少甚至杜絕，這是由于懸臂梁會導致簡支梁與懸臂梁所承受的重量不同，久而久之會導致懸臂梁的容易受到損害。

2.1 環形結構

環形結構是車身主體構架設計的主要內容。如圖1所示。

通過上圖可以發現，車身主體結構的設計以X、Y、Z向環三類共同構架。X向環有尾部框架三環、前圍框架十環、前端框架八環;Y向環有門框五環;Z向環分為上部與下部Z向環，上部Z向環有頂蓋兩環、前風擋一環、機艙上部九環，下部Z向環有后地板框架四環、前地板框架六環以及機艙下部七環。除了以上所存在的環狀結構以外，還存在著隱式環形結構以及立體環形結構。如圖2所示。

其中立體環形結構為十一環，其包括有減震器固定座、機艙前下縱梁、A柱、輪罩加強板、前圍下橫梁、機艙前上縱梁。隱式環形結構為十二環，其包括有底盤后副車架以及車身梁架。通過以上的環形結構，可以有效地保障電動汽車的性能并且提升汽車的彎扭剛度，對于車身的輕量化有極大的幫助。

2.2 力的傳遞路徑

對汽車車身力的傳遞路徑的設計也是實現汽車輕量化的關鍵因素，因為力的傳遞路徑會影響到汽車不同部位的選擇，通過對其進行研究，可以明確在什么部位使用什么材料，提升了材料的使用效率，避免了不必要的浪費，同時在還可以確保汽車的每一部分所使用的材料的質量與性能得到保障。如圖3所示。

通過圖三可以看出，汽車的力的傳遞路徑從前部碰撞力向機艙下縱梁傳遞，從而實現將其所承受的力傳遞到地板縱梁與門檻;對于其所承受的來自后部的撞力從后副車架與后縱梁將力擴散到地板縱梁與門檻，從而實現了前部與后部的力相貫穿的力傳遞路徑。

3 車身結構設計

當車身的主體構架的設計完成之后，就需要對車身的機構進行設計，確保車身的機構設計遵循著三維數據，需要從點向線再向面再向體進行設計，即制作車身的3D數據，但是在設計3D之前，需要先進行典型斷面即2D設計，從而幫助關聯配件之間的聯系，幫助3D數據的建立，并且對汽車的工藝可行性進行初步的評估。通常情況下，汽車的2D設計需要幾十個典型斷面，其中有四個為典型的斷面，為頂蓋后橫梁位置、門檻位置、門限位器位置、門上鉸鏈位置。

3.1 頂蓋后橫梁位置

頂蓋后橫梁位置的斷面設計時為了確保汽車在滿足了自身性能優化與輕量化的同時，考慮到人機因素，即可以保證車身結構與人機需求實現了相關避讓，并且對其進行評估。具體如圖4所示。

3.2 門檻位置

對門檻位置多進行的斷面設計時為了充分考慮車身鈑金尺寸確定，門鈑金與車身鈑金上電器、內飾件以及外飾件的安裝形式，外飾件與車身以及門之間的配合關系，從而實現對電器、外飾件、車身、內飾件以及開閉件之前的專業設計。具體如圖5所示。

3.3 門限位器位置

門限位器的斷面設計是為了將翼子板躲避門開啟所需要的固定結構，并且將限位器為了配合門鈑金以及車身鈑金所需要的安裝形式與運動軌跡以及尺寸與機構。

3.4 門上鉸鏈位置

門上鉸鏈位置的斷面設計是為了體現出翼子板與門的關系、門的密閉形式、門的運動軌跡以及鉸鏈的固定方式，加強版的構成角度、型面尺寸以及搭接方式。

4 車身輕量化的策略

4.1 應用新型工藝

為了設計電動汽車的車身可以輕量化，需要使用新型的工藝，例如鋁擠出冷金屬過渡連接，或者鋼鋁鉚接，從而將多種材料進行連接與成型的步驟時，將車身進行了輕量化的優化。

4.2 使用新型材料

電動汽車正處于發展的初級階段，因此需要不斷地尋找適合電動汽車的新型材料，通過使用重量更輕但是性能更高的新材料實現對電動汽車輕量化的改造。例如，可以使用鋼鋁混合的車身機構，鋼鋁混合的材料可以應用于背門、前蓋、復合翼子板等部位，相比較于全鋼的車身重量，采用鋼鋁混合的方式可以減少車身重量的百分之十五以上。

4.3 優化車身設計

當對車身的整體設計均完成并且經過測評之后達到指標之后，需要對車身進行靈敏度的分析，將不符合靈敏度的配件進行調整，使用輕量化迭代計算的方法，對汽車的碰撞安全性能、NVH以及耐久性能進行測評，選擇更加適合車身的材料，全面提升汽車的靈敏度，并且實現汽車的輕量化的需求。

5 結束語

由于電動汽車仍然處于研發的發展階段，雖然已經在市場中投入了許多電動汽車，但是這些電動汽車多數是在傳統汽車的基礎上改良為電動汽車，所以其自身的重量較大，續航能力較差，所以市場中仍然有許多客人不愿意選擇電動汽車，由此可見，電動汽車正面臨著一定的挑戰，需要通過科學的手段對其實現輕量化。

參考文獻：

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