電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化策略探討

雷勤斌

摘 要：在開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，需要優(yōu)先設(shè)計(jì)其主體構(gòu)建方案，并在此過(guò)程中對(duì)其環(huán)形結(jié)構(gòu)以及力的傳遞路徑進(jìn)行充分考慮，并針對(duì)其本身的結(jié)構(gòu)開(kāi)展2D、3D設(shè)計(jì)工作，制定車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方案，有效提升電動(dòng)汽車(chē)的具體性能。本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及輕量化策略進(jìn)行了探討，期望能為相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員的工作提供助益。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕量化策略

0 引言

在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，各個(gè)城市的交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，綠色環(huán)保理念在落實(shí)的過(guò)程中面臨諸多阻礙，電動(dòng)汽車(chē)在世界范圍內(nèi)的關(guān)注度持續(xù)增加。由于傳統(tǒng)的汽車(chē)在使用過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，排放出大量有害的氣體，為了對(duì)當(dāng)前的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行有效緩解，各個(gè)國(guó)家的政府部門(mén)開(kāi)始重視電動(dòng)汽車(chē)的宣傳與推廣。電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與輕量化需求有著密切的關(guān)聯(lián)。由于輕量化的電動(dòng)汽車(chē)重量降低，因此其本身的續(xù)航能力也會(huì)隨之有所提升，并且多個(gè)方面的特性也會(huì)逐步優(yōu)化。

1 車(chē)身架構(gòu)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展車(chē)身設(shè)計(jì)工作的初期，一般會(huì)對(duì)車(chē)身的主體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后再具體針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方式作為基礎(chǔ)，針對(duì)整體車(chē)身的布置空間進(jìn)行車(chē)身主體框架走勢(shì)仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將拓?fù)鋬?yōu)化的最終結(jié)果、初步工程可行性評(píng)估報(bào)告進(jìn)行綜合分析，明確車(chē)身主體框架的具體走勢(shì)情況。在開(kāi)展車(chē)身主體框架開(kāi)展搭建工作的過(guò)程中，要盡可能構(gòu)建出環(huán)形結(jié)構(gòu)，盡量避免使用懸臂梁。對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)模型進(jìn)行分析可以得知，一端接受固定的懸臂梁，在均布載荷、集中載荷影響下，所承受的彎矩以及剪力都明顯高于兩端接受支撐的簡(jiǎn)支梁，即在同樣的狀況下，懸臂梁的結(jié)構(gòu)剛度以及耐受性更差。

在上述條件影響下，在確定車(chē)身的框架走勢(shì)時(shí)，要將環(huán)形結(jié)構(gòu)的構(gòu)建作為優(yōu)先考慮的因素。環(huán)形結(jié)構(gòu)可以促使車(chē)身框架形成整體，對(duì)車(chē)身彎曲的剛度情況進(jìn)行改良，能夠有效提升車(chē)身結(jié)構(gòu)的共用性，對(duì)車(chē)身材料的選取方向進(jìn)行指導(dǎo)，保證電動(dòng)汽車(chē)能夠具備良好的區(qū)域應(yīng)用性能，增強(qiáng)車(chē)身的輕量化效果。

在對(duì)車(chē)身主體架構(gòu)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，力的傳遞路徑是其中的重要影響因素，通過(guò)對(duì)力的傳遞路徑進(jìn)行分析，可以盡可能將最為適宜的材料應(yīng)用于最合適的位置，不僅能夠提升電動(dòng)汽車(chē)的使用性能，還能夠節(jié)省材料。如圖1所示，這是某部電動(dòng)汽車(chē)的主要傳力路徑示意圖，其中展示了車(chē)身下部力的主要傳遞路徑，當(dāng)前部碰撞力經(jīng)過(guò)機(jī)艙下時(shí)，縱梁可以將力進(jìn)行分散，并傳遞至門(mén)檻與地板縱梁，后部碰撞力經(jīng)后縱梁及后副車(chē)架將力分散傳遞到門(mén)檻與地板縱梁，形成了前后貫通的車(chē)身整體傳力路徑。

2 車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要依照點(diǎn)、線、面、體的過(guò)程建立三維數(shù)據(jù)。因此，在制作車(chē)身的3D數(shù)據(jù)之前，要優(yōu)先制作2D數(shù)據(jù)，即典型斷面。車(chē)身典型斷面在車(chē)身設(shè)計(jì)工作當(dāng)中占據(jù)著重要位置，對(duì)于后續(xù)的3D數(shù)據(jù)制作等一系列工作有著指導(dǎo)性作用，以下針對(duì)幾個(gè)主要典型斷面進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析：

2.1 頂蓋后橫梁位置

對(duì)頂蓋后橫梁位置采取斷面設(shè)計(jì)方案，可以保證汽車(chē)本身的性能得到改良，并受到輕量化處理，考慮到人機(jī)等諸多方面的因素，不僅能夠確保電動(dòng)車(chē)身結(jié)構(gòu)與人機(jī)需求之間的有效避讓?zhuān)⑶铱梢詫?duì)其進(jìn)行有效的評(píng)測(cè)以及估量。

2.2 門(mén)檻位置

更多的在門(mén)檻位置采取斷面設(shè)計(jì)，是對(duì)電動(dòng)車(chē)身的鈑金尺寸進(jìn)行了充分的考慮之后加以確定的。充分考慮門(mén)鈑金與車(chē)身鈑金上的電器、內(nèi)飾件與外飾件的安裝形式，外飾件與車(chē)身、門(mén)之間相互配合的情況，最終針對(duì)電器、外飾件、車(chē)身、內(nèi)飾件、開(kāi)閉件設(shè)計(jì)了專(zhuān)業(yè)且高效的結(jié)構(gòu)方案。

2.3 門(mén)限位器位置

對(duì)門(mén)限位器進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)翼子板與門(mén)開(kāi)啟之間的互相躲避，形成良好的固定結(jié)構(gòu)，并且可以促使限位器能夠與門(mén)鈑金、車(chē)身鈑金所需的安裝形式、運(yùn)動(dòng)軌跡、尺寸以及結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

2.4 門(mén)上鉸鏈位置

對(duì)門(mén)上鉸鏈位置進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，可以將翼子板與門(mén)之間的關(guān)聯(lián)、門(mén)的密閉形式、門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡、鉸鏈的固定方法充分展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)版的構(gòu)成角度、型面尺寸以及拼接方法進(jìn)行有效強(qiáng)化。

3 車(chē)身輕量化策略

3.1 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容以及具體步驟的輕量化

在開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身的零件數(shù)量較多，并且在結(jié)構(gòu)尺寸方面有著較大的區(qū)別，不同的零件對(duì)前艙的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的影響效果也有所不同。將零部件的厚度進(jìn)行剪薄化處理，雖然可以降低其重量，但是與此同時(shí)也對(duì)車(chē)身的整體模態(tài)、剛度造成了不良影響。此外，對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化處理之后，不一定可以保證電動(dòng)汽車(chē)整體具備充足的安全性能?；诖?，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身部件的靈敏度進(jìn)行分析，并依照對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果，選擇在模態(tài)、剛度以及質(zhì)量靈敏數(shù)值等方面具有差異的零部件進(jìn)行不同程度的減薄或者增厚，從而對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化處理，并且有效增強(qiáng)車(chē)身的靜、動(dòng)態(tài)性能。除此以外，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身進(jìn)行輕量化處理之后，要對(duì)其開(kāi)展正面碰撞仿真分析與評(píng)估，將處理前后的安全性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)方案的可行程度進(jìn)行有效檢驗(yàn)。最后，要依照優(yōu)化之前以及之后的對(duì)比結(jié)果，選擇最適合車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)的最佳方案。

3.2 使用新型材料，應(yīng)用新型工藝

想要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)的輕量化，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以使用新型工藝，比如鋼鋁鉚接，將多樣化的材料進(jìn)行有效連接，在其成型的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身的輕量化改良。目前，電動(dòng)汽車(chē)剛剛得到了初步發(fā)展，因此，相關(guān)人員要不斷找尋與電動(dòng)汽車(chē)制作相匹配的新型材料，使用重量更輕，并且性能更加優(yōu)質(zhì)的新型材料，促使電動(dòng)汽車(chē)能夠獲得輕量化的改良效果。比如，可以使用鋼鋁混合材料對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將鋼鋁混合物應(yīng)用于背門(mén)、前蓋以及復(fù)合翼子板等位置，與全鋼材料制作的車(chē)身重量相比，使用鋼鋁混合方法能夠使車(chē)身重量降低15%甚至更多。

3.3 優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在車(chē)身主體架構(gòu)走勢(shì)得到明確之后，就要著手開(kāi)展車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作結(jié)束之后對(duì)車(chē)身進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)與評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其符合相關(guān)指標(biāo)之后，要對(duì)車(chē)身的靈敏程度進(jìn)行分析，采取合適的方法靈敏度不相符的汽車(chē)配件進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)用輕量化迭代計(jì)算的方式，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的碰撞安全性能、NVH以及耐久性能開(kāi)展測(cè)評(píng)工作，選取與車(chē)身相符的制作材料，全方位的增強(qiáng)汽車(chē)的靈敏程度，促使電動(dòng)汽車(chē)能夠與輕量化需求相契合。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前，電動(dòng)汽車(chē)依然處于研究與發(fā)展的時(shí)期，即便當(dāng)前有許多電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)，然而，這些電動(dòng)汽車(chē)更多的是立足于傳統(tǒng)汽車(chē)的基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)改造以及加工之后產(chǎn)出的電動(dòng)汽車(chē)，因此，其本身具有較大的重量，難以持久續(xù)航，因此，在目前的汽車(chē)市場(chǎng)當(dāng)中，消費(fèi)者更加愿意選擇傳統(tǒng)汽車(chē)，很少有人愿意購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)。由此看來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)與困境，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要逐步探索更為科學(xué)的設(shè)計(jì)思路，有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的輕量化，才能逐步打開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)的消費(fèi)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)的綠色化發(fā)展。

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