四輪車輕量化設計與制作

汪修函　孫銘潞　康拳妮　周小紅

摘 要：汽車的輕量化能減小動力傳動系統負荷，提高汽車的操控性，并能增加新能源汽車的續航里程，是當前汽車技術的研究熱點。本文以新能源四輪汽車為基礎，在結構輕量化、材料輕量化以及輕量化材料加工方面進行研究，針對車架結構、懸架系統、轉向系統和制動系統等方面進行了相應優化設計，并采用有限元分析模擬了車架的強度和剛度，制作了一輛輕量化純電動四輪汽車。制作的四輪車輛經過路試，在百米加速用時上和長距離行駛能耗方面大大減少。本作品設計中的車輛新結構、新材料和新工藝，具有技術前瞻性，對新能源汽車行業發展具有一定的學術價值。

關鍵詞：新能源汽車 輕量化 賽車 車架 有限元分析

Lightweight Design and Production of Four-wheeled Vehicles

Wang Xiuhan，Sun Minglu，Kang Quanni，Zhou Xiaohong

Abstract：The lightweight of automobiles can reduce the load of the power transmission system， improve the maneuverability of the automobile， and increase the cruising range of new energy vehicles， which is the current research hotspot of automobile technology. Based on the new energy four-wheeled vehicle， this paper conducts research on structural lightweight， material lightweight， and lightweight material processing， and optimizes the design of the frame structure， suspension system， steering system and braking system. And using finite element analysis to simulate the strength and stiffness of the frame， a lightweight pure electric four-wheel vehicle was produced. The four-wheeled vehicle produced has undergone a road test and has greatly reduced energy consumption in terms of 100-meter acceleration and long-distance driving. The new vehicle structure， new materials， and new technology in the design of this work are technologically forward-looking and have certain academic value for the development of the new energy automobile industry.

Key words：new energy vehicle， lightweight， racing car， frame， finite element analysis

1 引言

汽車輕量化，即減少汽車質量，能減小動力和動力傳動系統負荷，可在較低的牽引負荷下表現出同樣或更好的性能。純電動汽車按目前的電池技術水平，每續駛一公里需電池重量一公斤，也就是說滿足汽車續駛里程 200 公里，僅汽車的電池重量就高達 200 公斤，因此對于新能源汽車，輕量化技術已是新能源汽車行業的一個關鍵技術。汽車輕量化技術包含：汽車結構輕量化，輕量化材料使用、以及新型的輕量化材料加工制造工藝。汽車輕量化不是一味的追求減輕車身質量，因為車身在輕量化過程需要權衡考慮多個方面，整車結構安全性因素便是其中最重要的一點。目前，在進行輕量化的過程中需要使用大量的模擬仿真，通過仿真軟件對新設計材料進行結構剛度、強度、疲勞性以及碰撞等分析，從而優化設計，提高新能源汽車的可靠性和安全性。本文探索四輪新能源汽車的輕量化設計與制作，在保證其原有的行駛安全性、抗震力、耐碰性和舒適度等功能下，合理有效地將其進行“瘦身”，減輕汽車整體重量，從而提高汽車操控性，減少能耗，增加了續航里程。

2 四輪車輕量化設計思路

本文以全國第二屆新能源汽車輕量化關鍵技術競賽用車為基礎，對汽車輕量化拓撲結構、輕量化材料、先進加工工藝等資料進行總結歸納，優化設計車身結構、選擇輕量化材料，并利用有限元模擬仿真進行強度和剛度核算，形成的設計思路如圖1所示。

根據設計思路，對汽車的車架、懸架和轉向系統做相應的改進，包含以下幾個方面：

2.1 車架的設計

從安全和輕量化角度出發，采用桁架式金屬車架，利用Solidworks三維制圖軟件，對車輛進行三維模型的參數設計、處理，使結構得到了優化。并利用Ansys專業有限元分析軟件對車架模型進行建模，計算車架的彎曲剛度和扭轉剛度，對設計結構進行調整。

2.2 懸架的設計

采用雙橫臂獨立式懸架系統，具有結構簡單，加工方面的特點。材料設計上，采用中空設計理念來減輕質量，采用高強度空心管材作為原料，達到輕量化設計的目的。可采用Φ25mm×1.6mm、20mm×1.2mm 4130航空管作為懸架的支撐結構。