新能源汽車底盤輕量化設(shè)計(jì)方向

祝建崇 康偉寧

目前，輕量化技術(shù)在汽車行業(yè)正在慢慢崛起，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇、環(huán)境保護(hù)以及能源危機(jī)等因素越來(lái)越重要，汽車行業(yè)對(duì)于輕量化的需求會(huì)越來(lái)越明顯，可以說(shuō)，汽車行業(yè)的發(fā)展為輕量化技術(shù)的進(jìn)步提供了平臺(tái)，而輕量化的進(jìn)步又促進(jìn)了汽車行業(yè)的騰飛。我國(guó)輕量化技術(shù)的基礎(chǔ)及發(fā)展比國(guó)外還有一段不小的差距，我們要堅(jiān)持輕量化之路并堅(jiān)定不移的走下去。

1 新能源汽車底盤的改制設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方向

新能源汽車底盤的改制設(shè)計(jì)要在原有汽車設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。因此，新能源汽車底盤的改制設(shè)計(jì)最大限度地沿用了傳統(tǒng)汽車底盤設(shè)計(jì)的成熟技術(shù)。具體而言，新能源汽車底盤改制設(shè)計(jì)的基本框架與傳統(tǒng)汽車底盤設(shè)計(jì)一致，只對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)進(jìn)行了一定的調(diào)整和改動(dòng)，其基本工作原理不需要改變。新能源汽車底盤的改制設(shè)計(jì)沿用了以往底盤平臺(tái)設(shè)計(jì)的構(gòu)架，即底盤子系統(tǒng)的工作原理、副車架的結(jié)構(gòu)保持不變，需要調(diào)整和改動(dòng)的部分為增加電動(dòng)真空泵及其管路零部件。由于無(wú)法沿用傳統(tǒng)汽車底盤的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以，相關(guān)設(shè)計(jì)者需要開發(fā)新的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源。

1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用

新能源汽車底盤改制設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為：盡可能地沿用傳統(tǒng)汽車底盤的設(shè)計(jì)平臺(tái)，并根據(jù)實(shí)際需求改動(dòng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。沿用和改動(dòng)的過(guò)程要以降低開發(fā)成本、難度等為標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)汽車底盤設(shè)計(jì)平臺(tái)分為承載式車身設(shè)計(jì)平臺(tái)和非承載式車身設(shè)計(jì)平臺(tái)，這就意味著新能源汽車底盤設(shè)計(jì)在總布置方面需要具有一定的針對(duì)性。傳統(tǒng)汽車的承載式車身是目前絕大數(shù)汽車所采用的構(gòu)架設(shè)計(jì)，因此，新能源汽車底盤的改制設(shè)計(jì)也應(yīng)沿用這一構(gòu)架，其動(dòng)力總成等配置部件需要在此類車身上尋找懸置點(diǎn)，而其底盤的副車架設(shè)計(jì)則不需要考慮承重問(wèn)題。由于承載式車身空間規(guī)則的設(shè)計(jì)難度較大，導(dǎo)致懸置設(shè)計(jì)的內(nèi)容較為復(fù)雜，且不利于大批量生產(chǎn)。但考慮到承載式車身設(shè)計(jì)平臺(tái)具有開發(fā)成本低、周期短的特點(diǎn)，可將其應(yīng)用于小型車的設(shè)計(jì)。

2 新能源汽車底盤輕量化設(shè)計(jì)概述

隨著當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，霧霾、全球變暖等問(wèn)題日益突出，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題再一次被拿到聚光燈下。隨著汽車數(shù)量不斷增多，汽車行業(yè)與環(huán)境保護(hù)之間矛盾不斷加劇，此問(wèn)題如不加以控制，終將成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最大掣肘。那么如何降低車輛油耗，促進(jìn)節(jié)能減排成為降低環(huán)境污染的重要途徑之一，也是促進(jìn)汽車行業(yè)發(fā)展的有力手段。

汽車油耗的決定因素主要分以下幾個(gè)部分：汽車總質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、變速箱、輪胎以及駕駛習(xí)慣等。研究表明，汽車整車重量每降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車每減重100kg，百公里油耗會(huì)降低0.3～0.6L，CO2排放量也會(huì)減少5 g/km；燃油消耗每減少1L，CO2排放量也會(huì)減少2.45kg[1]。因此，在保證汽車性能的前提下，降低汽車自重成為降低汽車油耗的有效手段之一。另外，輕量化不僅有利于降低油耗，還有利于提高加速性能、降低噪聲以及改善振動(dòng)；由于質(zhì)量降低，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，車輛自身的慣性也會(huì)相應(yīng)減小，能夠有效減短制動(dòng)距離，提升安全性能，因此汽車輕量化正逐步成為行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

3 輕量化現(xiàn)狀及發(fā)展

目前，受到輕量化需求的影響，輕量化材料在國(guó)內(nèi)也在經(jīng)歷一次次破繭成蝶般的蛻變，車用高性能鋼板、鋁合金等已在汽車行業(yè)受到廣泛應(yīng)用。如汽車變速器殼體目前多采用鍛造鋁合金，鍛鋁擺臂、控制臂乃至轉(zhuǎn)向節(jié)等也屢見不鮮。我們有幸見證國(guó)內(nèi)輕量化技術(shù)的一次次騰飛，但不可否認(rèn)的是，在技術(shù)、材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們與歐美國(guó)家還存在很多難以跨越的鴻溝：

①任何一個(gè)研究機(jī)構(gòu)想要獨(dú)立去開展項(xiàng)目并做出卓越成果都是非常困難的，輕量化技術(shù)涉及到多個(gè)學(xué)科的研究領(lǐng)域，需要各相關(guān)領(lǐng)域能夠相互交叉、融合，只有能夠?qū)崿F(xiàn)各方面的互補(bǔ)，才能發(fā)揮出1+1>2的效果，然而現(xiàn)實(shí)與理想往往是存在差異的，在目前的研發(fā)體系下，各研發(fā)機(jī)構(gòu)往往是獨(dú)自作戰(zhàn)，大家只關(guān)注單個(gè)技術(shù)的研發(fā)，很少去開展各技術(shù)間的交叉與融合，導(dǎo)致不能發(fā)揮出相互推動(dòng)的作用。

②群龍無(wú)首則難成氣候，汽車輕量化技術(shù)涉及到眾多的共性技術(shù)和前沿技術(shù)，其核心技術(shù)的突破不可能由單個(gè)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成，必須要由國(guó)家級(jí)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)其關(guān)鍵、重大問(wèn)題進(jìn)行戰(zhàn)略性和前瞻性的部署，而目前我國(guó)還沒(méi)有此類機(jī)構(gòu)的建立，輕量化發(fā)展之路尚需不斷開拓。

③只有把生產(chǎn)、學(xué)習(xí)、研究緊密結(jié)合起來(lái)，做到明確定位、合理分工，才能將輕量化技術(shù)做大做強(qiáng)。但我國(guó)目前基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究不能做到有機(jī)結(jié)合，國(guó)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小而分散，造成輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后。

4輕量化技術(shù)及應(yīng)用

輕量化不是指單純降低汽車重量，更不能為了所謂的輕量化而置安全于不顧，任何以犧牲安全性能為代價(jià)做到的輕量化都是失敗的，也是必須要杜絕的。輕量化應(yīng)該是在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料、新工藝，盡可能減輕汽車產(chǎn)品自重，以達(dá)成減重、節(jié)能減排、提升安全性能的綜合指標(biāo)。因此，輕量化應(yīng)該是新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝在滿足性能要求的前提下的有機(jī)結(jié)合。

4.1 新結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)分析不再局限于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的計(jì)算與校核，CAE/SE等計(jì)算機(jī)輔助分析手段越來(lái)越成熟，為我們的結(jié)構(gòu)開發(fā)與改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，使我們的改進(jìn)不再是霧里看花，而是有據(jù)可依的，不再是僅憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，我們的改進(jìn)工作能夠更加有效地切中目標(biāo)，做到我們理想的效果。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，能通過(guò)分析軟件，直觀了解結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足位置，進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)、加強(qiáng)。

4.2 新材料

目前，使用輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的最主要途徑之一。使用材料替代實(shí)現(xiàn)輕量化主要分為兩種情況，一種是使用密度較低的材料，比如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料或多種復(fù)合材料等；另一種是使用高強(qiáng)度材料，從而減少材料用量，降低重量，比如使用高強(qiáng)度鋼材等。以鋁合金為例，鐵的密度為7.85g/cm3，而鋁的密度僅為2.7g/cm3，約為鐵密度的1/3，經(jīng)優(yōu)化對(duì)比，其減重效果可達(dá)到40%-50%。某車型擺臂焊接總成重量約為4.42kg，采用鍛鋁結(jié)構(gòu)后擺臂重量約為2.02kg，單臺(tái)用量為2，單臺(tái)減重約為4.8kg；某車型前轉(zhuǎn)向節(jié)，原重量約為5.0kg，采用鑄鋁結(jié)構(gòu)后重量約為3.1kg，減重約1.9kg，單臺(tái)減重約為3.8kg。以上兩例鋁材質(zhì)應(yīng)用均起到明顯的減重效果。

4.3 新工藝

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，我們應(yīng)在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能要求的前提下，盡量使用新的技術(shù)或工藝使結(jié)構(gòu)及零部件中空、復(fù)合，以降低產(chǎn)品重量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。目前應(yīng)用最廣泛的成型技術(shù)主要有激光拼焊、內(nèi)高壓成形技術(shù)、熱壓成形、液壓成形、粉末冶金、發(fā)泡鋁成形等技術(shù)[2]。對(duì)于特定的某一車型，在性能相同的情況下，對(duì)通過(guò)這兩種方式分別生產(chǎn)的副車架從零件總成數(shù)量、模具費(fèi)用、零件成本和零件重量等方面進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用管材液壓成形方式生產(chǎn)的副車架的零件數(shù)量為2個(gè)，小于沖壓件總成的8個(gè)零件；在生產(chǎn)費(fèi)用方面，采用管材液壓成形方式生產(chǎn)的副車架要比沖壓件減少60%，零件成本減少20%，而零件重量減少30%[3]。由此可以看出，新工藝的應(yīng)用能夠在保證產(chǎn)品性能的情況下起到輕量化的作用。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著環(huán)境問(wèn)題日益突出及汽車行業(yè)發(fā)展越來(lái)越迅速，輕量化問(wèn)題已越來(lái)越被世人所關(guān)注，本文闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀及瓶頸問(wèn)題，結(jié)構(gòu)、材料以及工藝是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)輕量化的主要方式。我們會(huì)向先進(jìn)國(guó)家及企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，堅(jiān)持不懈，不斷去超越自我，為民族汽車工業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱赤.新能源汽車底盤設(shè)計(jì)方向[J].上海汽車，2009（07）.

[2]李克強(qiáng).汽車技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向及我國(guó)的對(duì)策[J].汽車工程，2009（11）.

[3]胡偉，喻川，張建武，等.新能源汽車底盤縱臂的輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010（03）.

（作者單位：精誠(chéng)工科汽車系統(tǒng)有限公司底盤研究院）