純電動客車的輕量化設計

陳宗和

摘 要：隨著汽車工業的迅猛發展，汽車保有量快速增加，對節能減排的要求愈來愈迫切，汽車輕量化這一課題應運而生。從國家層面來看，發展汽車輕量化技術關系到國家的能源安全、環境保護的問題;從專業技術方面來看，發展汽車輕量化技術已經成為汽車企業提高核心競爭力的重要手段。鑒于此，本文主要分析純電動客車的輕量化設計。

關鍵詞：純電動客車;輕量化;設計

1、引言

輕量化是指在確保汽車的主要力學性能（如強度、剛度、模態等）達到設計要求的情況下，通過對車身結構進行優化設計以及采用新型材料等手段來有效地降低整車的重量。對于傳統的燃油汽車而言，輕量化有助于降低油耗，從而緩解能源短缺的問題;對于新興的純電動汽車而言，輕量化可以有效地提高純電動汽車單次充電后的續駛里程，從而提升它的使用便利性。汽車輕量化是一個綜合性的研究領域，我們可以通過開發和使用新型的材料、對原結構進行優化設計、采用新型的制造工藝等多種方法來達到這一目標。

2、國內電動客車輕量化現狀

作為全球第二大電動汽車市場的中國，政府對電動汽車市場高度重視，并且給予政策上的鼓勵推動，這使得近幾年國內電動汽車的產銷量實現了快速的進步。2014純電動汽車的銷量為45048輛，而2015年銷量增加到147482輛。電動客車制造企業方面，從本世紀初開始，多家客車企業（如安凱客車、中通客車、宇通客車、金龍客車等）引進國外的電動客車制造技術理念，積極投入研發，在該領域快速地發展壯大。全國六米以上新能源客車2014年產銷量都超過28萬輛，這說明國內客車企業步入了高速發展階段。國內各大高校對純電動汽車輕量化開展了深入的研究。

汽車車身骨架結構是整車的主要承載部件，骨架質量在汽車整備質量中的比重占30%～40%，因此一直以來提到汽車輕量化就是指車身結構的輕量化。對電動汽車來說，減輕車身結構的質量顯得更為重要。因為動力電池組的質量過大而使得汽車整車質量過大，這將直接導致電動汽車的動力性和續駛里程不敵傳統汽車，故在動力電池技術輕量化獲得重大突破之前，車身結構輕量化依然是汽車輕量化的重要途徑。

3、車用輕量化材料

3.1、高強度鋼板

在大量汽車的生產過程中，高強度鋼板的使用最多。在國外，通過運用高強度鋼、超高強度鋼等，已經取得了很好的輕量化效果。目前在國內，在鋼材的開發與應用方面取得了較大的發展，但還沒有形成完整的產品系列化，其中有待解決的主要問題有鋼材表面質量、尺寸誤差工藝性能不同等。

3.2、鋁、鎂合金

車身零件、部件選用鋁合金制造，其優點是密度小、單位重量的材料具有更高的碰撞能量吸收率、具有更好的導熱性。鋁合金制造的難點是焊接性能差，用于制造車身構件還存在成本高，要進行特殊的防銹處理等缺點。因此，鋁材料在車身上的應用受到一定限制。盡管鎂合金現在在汽車上的應用并不多，但預計將來會有明顯的增加，因為鎂合金是當前在用的最輕的結構金屬，其比鋁合金有更高的強度-密度比且碰撞吸能好。

3.3、塑料

由于塑料質量輕、工藝簡單等特點，目前已成為減小質量、降低油耗、提高動力性的主要方式之一。雖然塑料價格比鋼鐵高，但焊接點卻可大大減少，同時裝配工藝可以大大改善，充分顯示出塑料的優越性。

在國外，奔馳公司某些車型的塑料用量已達110kg，奧迪公司Audi100Ⅲ型為140kg，亞菲特公司在新產品汽車上的塑料用量已占整車質量的10%。美國通用公司的Convair分部為重型貨車研制了一種玻璃纖維、石墨和環氧樹脂構成的復合材料制成的槽型縱梁，其剛度很強度均與鋼梁相似，而質量卻減少了70kg。

4、純電動客車的輕量化設計

4.1、車身結構輕量化設計

（1）頂蓋骨架輕量化設計

1）閉環設計。盡可能不斷開車頂橫梁并使其貫穿于整個車頂，布置橫梁時應盡量使其與側窗立柱對接，這樣，就能使車頂橫梁、側圍立柱及底架橫梁形成封閉環，從而很好的對整車在運行過程中所產生扭轉載荷進行傳遞，并且可直接傳遞左側和右側所產生的力，而不使附加載荷產生于車頂內。

2）橫梁、縱梁的尺寸。就車頂各構件在承載中的貢獻度而言，其縱梁的貢獻度相對較低，所以可以適當減小縱梁的尺寸。車頂橫梁尺寸可適當地進行增加，從而使其抗扭能力和抗彎能力得到提升。

3）三角形結構。從頂蓋骨架的優化結果中可以看出，拓撲優化出了個別三角形，在實際中就穩定性而言，三角形更優于其他的多邊形，與此同時，車身骨架的三角形結構越多，其剛度就會越大。

4）便于制造。優化結果中部分材料顯示構件是彎曲的。因為在車身骨架結構實際生產制造中，加工直桿要比加工彎桿更容易，因此，要盡量使用直桿，從而使車身骨架在可制造性上得到較好的滿足。

（2）側圍骨架輕量化設計

1）右側骨架

考慮到力的傳遞路線、可適當增加斜撐的高寬比、刪除一些不必要的桿件等，根據優化結果，利用立柱或斜撐來改善腰梁的受力情況，刪除一些不需要加強的部位處的桿件。在改進設計時，要充分考慮城市公交客車的一些特點：乘客乘坐時間短，客流不均衡，上下車頻繁，超載嚴重。對車身側圍骨架，尤其是車門兩側的骨架強度重點關注。

2）左側骨架

考慮到斜撐、窗立柱設計，整體設計以及成本問題。改進設計左側圍的過程與右側圍大致相同。

4.2、底架輕量化設計

（1）滿足總布置需要。底架的結構形式首先應滿足汽車總布置的需要。汽車在道路上行駛時，路況復雜多變，各種載荷會使得底架產生彎曲變形和扭轉變形，若一側車輪出現懸空或抬起的情況時，底架還可能扭曲成菱形。由于這些變形，會致使安裝在車身底部的各部件間相對位置發生變化，這樣會影響到各部件的正常工作。所以，底架應該具備適當的剛度和足夠的強度。

（2）合理布置桿件位置和數量。通過焊接結構尺寸比較相近的小截面冷彎型的鋼桿件，構成該客車的全桁架式底部骨架。對于這種空間桁架的結構，合理地布置其桿件位置和數量，可以很好地使整車的力流進行傳遞，并使桿件的應力得到調整，從而達到等壽命、等強度設計的目的。

（3）改進優化結果中一些不合理的局部部分。在拓撲優化之后，就單元密度的優化結果而言，還存在一些中間值，并不全都是“1”或者“0”。在處理過程中需考慮應力等因素，刪除多余的材料或在需要材料的地方進行補充，這樣才不會浪費材料，并保證結構受力時的協調性。

5、結束語

汽車車身所占汽車總質量的比重約為40%，在空載條件下，車身質量上的油耗約為70%;車身制造成本占整車制造成本的比重超過50%。統計數據表明，車身質量每減輕1t，用戶每年將會增加10萬元的凈收益。隨著車身質量的減小，其作用在動力系統及懸置上的載荷也會隨之減小，那么就可以改善總成的受力情況。因此，車身結構的輕量化對減少汽車自重、提高整體燃油經濟性和整車性能、減少污染物排放、降低制造成本等至關重要。由此可見，本文的研究也就顯得十分的有意義。

參考文獻：

[1]張瓊，李曉光，魯飛，牛海俠.純電動客車鋁合金車身骨架多目標輕量化設計[J].黃河科技學院學報，2020，22（02）：33-39.

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