一種純電動單座小車輕量化設計方案

摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，為了滿足日益嚴苛的排放法規(guī)，提高新能源汽車的續(xù)航里程和經(jīng)濟性，整車輕量化成為目前各大車企研究的重點方向之一。本文首先介紹輕量化對整車性能的影響，隨后介紹輕量化結構工藝在新能源汽車上的應用。同時，通過建立整車有限元模型進行拓撲優(yōu)化設計和結構優(yōu)化設計，得到滿足性能和制造成本需求的輕量化材料結構。通過對比分析優(yōu)化前后的結果表明，輕量化后整車重量減輕約10 kg，續(xù)航里程提升約2%，同時車輛整體成本降低10%左右。研究表明輕量化能夠顯著提高新能源汽車的續(xù)航里程、經(jīng)濟性以及行駛安全性等。

關鍵詞：新能源汽車 車身 輕量化

1 引言

基于新能源汽車輕量化技術，優(yōu)化設計參數(shù)，運用輕量化材料、工藝和結構，設計出滿足一定要求的輕量化純電動單座小車。主要從以下四個方面進行輕量化設計：1.輕量化設計理念貫穿設計始終；2.對自主設計的零部件進行有限元分析優(yōu)化，在設計凍結之前，每一個零部件重量的增加都需要經(jīng)過深入討論，嚴格保證車輛達到目標重量；3.對動力系統(tǒng)進行集成優(yōu)化設計；4.廣泛運用新型工程材料，例如：座椅等，圖1是純電動單座小車設計圖。

將電動機動力電池放置車輛中部，后輪驅動，結構較簡單，有利于整車布局。前后輪承載重量適中，轉向時前輪的轉彎靈活性得到提高，增強轉彎極限。設計全車長度2160mm，駕駛員重量80kg。在盡可能減小軸距和整車尺寸的條件下合理布置各部件，使整車具有較低的質(zhì)心位置并控制好前后軸荷分配。因此在給定的條件下設計出小車總體參數(shù)，見表1。

2 車架設計方案

2.1 設計要求

車架具有足夠的強度，保證車輛在轉彎、制動等各種工況下車輛的零部件不會因受力過大而失效。保證車輛的剛度，包括扭轉剛度和抗彎剛度，車架彎曲撓度不易過大，避免變形過大影響車架上總成的正常配合和各零部件的過早損壞。車架剛度和強度滿足要求的前提下，車架的整體質(zhì)量盡可能的小，有效的降低車輛的整體質(zhì)量。

2.2 設計思路

底板框架采用4130合金鋼材料的輕量化材料焊接而成，底板貫徹車輛前后并清晰可見。

車架主環(huán)、前環(huán)和主環(huán)斜撐等材料采用4130合金鋼。防滾架和車架采用鋼管桁架式結構，保證車輛在碰撞、翻車時能保護駕駛員和“三電”的安全。

車架設計完成后，對車架進行有限元分析，包括正面碰撞、前艙的側面碰撞、受垂直力的彎曲工況分析，扭轉工況以及基于該工況的疲勞分析，綜合以上有限元分析得出的結果是在受到外界的沖撞時，車架的橫梁和豎桿會受到較大的應力和位移，而作為構成桁架式結構的斜桿相較于前者會受到更小的力。

2.3 設計參數(shù)

駕駛員位置左右護欄的最高點距離座椅上平面最低點的垂直距離350毫米，前、后輪輪距1450毫米，軸距1850毫米。駕駛員頭盔與防滾架、車輪構成的外側平面之間的距離260毫米，與防滾架最高外緣水平面的距離280毫米，距離防滾架最高構件與前部橫梁的連線之間的垂直距離115毫米。駕駛員肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘、手與防滾架構成的內(nèi)側平面之間的距離均大于110毫米，駕駛員身體、鞋以及衣服的任何部位不超過防滾架或車架所包圍住的空間范圍。驅動和控制系統(tǒng)的任何部件不超出車架、防滾架結構件形成的（內(nèi)緣）平面，車身前部所有可能觸碰車外人員身體的邊緣的圓角半徑為30毫米，防火墻覆蓋后部防滾環(huán)的最下部和最上部橫梁之間的全部區(qū)域，打孔處利用密封圈等進行密封。車身面板厚度為1.07mm，面板或底板之間的間隙≤5毫米，底板的厚度為2.50mm。駕駛員腳部完全位于防滾架內(nèi)。頂部防滾架后兩個斜撐的連接點（上）距離防滾架頂部的垂直距離193毫米，在防滾架或車架基本結構中心使用螺栓連接的耳片。車輛前后的空氣動力學裝置從俯視圖上看，鼻翼超出前輪輪胎前端不超過700毫米，寬度180毫米，長度和前輪輪胎中心等齊；鼻翼的橫向部分距離地面的高度250毫米.從俯視圖上看，尾翼超出后輪胎后端450毫米，寬度220毫米，長度和后輪輪胎內(nèi)緣等齊。所有重要的螺栓和螺母，以及安裝在轉向、制動、安全帶及懸架系統(tǒng)的螺栓和螺母使用有效的鎖緊機構，防止緊固件松脫。螺紋緊固件在緊固時有兩圈以上螺紋露出

2.4 輕量化結構與工藝

合理化車身尺寸。根據(jù)軸距和輪距的要求，綜合轉向、制動、電機等部件的尺寸以及駕駛員的體型，確定車架尺寸，最大限度的實現(xiàn)汽車的結構輕量化，同時也能夠保證駕駛員及所有可能觸碰車外人員的安全。

確定主次要構件。基于輕量化理念，綜合成本考慮，將受到較大應力和位移的橫梁和豎桿作為主要構件（黃色），采用Φ25×1.6mm的4130無縫鋼管，在不作為車輛的承載作用和承受應力作用的斜桿將作為次要構件（紅色），采用Φ20×1.6mm的4130無縫鋼管，在充分利用材料的強度和剛度的基礎上，實現(xiàn)減重并節(jié)約材料。

3 動力系統(tǒng)設計方案

3.1 設計要求

整車只有唯一的能量供給單元，并且符合國家相關標準。“三電”系統(tǒng)符合要求，電池母線上的電流、電壓、功率等測量設備均符合相關設備技術要求。

3.2 設計思路

動力系統(tǒng)包括動力蓄電池及管理系統(tǒng)、電機及控制系統(tǒng)，電池組、電機和其他高壓組件的安全性，包括絕緣、防護、電磁兼容等方面要考慮確保車輛的安全運行。

3.3 設計方案

（1）電池箱設計。單個儲能電池制作成電池組，方便拆檢。電池組之間使用隔離防止電池組之間短路或其他零部件及工具的掉落引起短路。電池組外平面使用螺栓進行固定，與電池箱固定連接，以防止電池組出現(xiàn)碰撞、滾落。安裝2個熔斷器和2個電池絕緣繼電器，繼電器為“常開”型，分別安裝在電池箱的兩個電極上。在電池箱位置安裝一個維護插頭，取下維護插頭后，整個電池箱的正負極與外界系統(tǒng)處于徹底分離狀態(tài)。采用環(huán)氧樹脂板絕緣防火材料，防火等級達到UL94-V0。電池箱通過螺栓固定在車架上，采用4顆螺栓進行固定，可以拆卸，并限制6個自由度。電池箱內(nèi)安裝有互鎖線路，可以在不使用任何工具的情況下斷開連接器。電池箱箱體的防水等級為IP67，防火等級為UL94V-0。

（2）電池管理系統(tǒng)BMS設計車輛配置分布式雙電池管理系統(tǒng)BMS，同時可以與其他系統(tǒng)進行CAN總線通訊，實時共享各種數(shù)據(jù)或信息，車輛所有控制系統(tǒng)成為一個整體。SOC能夠實時顯示。電池充放電時，BMS能持續(xù)監(jiān)測每個單體電池的電壓，同時持續(xù)監(jiān)測電池模塊的溫度。

3.4 輕量化結構與工藝

在滿足隔離要求、防護固定、防護結構和電池箱固定連接需求等前提下，通過將動力蓄電池及管理系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)集成為“多合一”箱體，減少部件空間占位，降低箱體體積，從事實現(xiàn)輕量化。

4 整車控制系統(tǒng)設計方案

4.1 設計要求

監(jiān)控車輛的各項參數(shù)，如速度、加速度、轉向角度等，并根據(jù)這些參數(shù)控制車輛的穩(wěn)定性和安全性。控制車輛的正常行駛、動力電池的能量管理、網(wǎng)絡管理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等，保證整車在較好的動力性、較高經(jīng)濟性及可靠性狀態(tài)下正常穩(wěn)定的工作。

4.2 設計思路

能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的調(diào)動，通過對電動汽車進行管理和分析運算，實現(xiàn)相應的管理控制。電池管理系統(tǒng)對電池的充放電功能進行管理和控制，保證電池的正常運行和延長電池的使用壽命。電機控制系統(tǒng)負責控制電機的運行，實現(xiàn)車輛的加速、減速、停車等操作。實現(xiàn)對電池、電機等系統(tǒng)的優(yōu)化控制，降低能耗。

4.3 主要參數(shù)

系統(tǒng)安裝有一個預充電電路，且由動力系統(tǒng)主開關來直接控制。有一個放電電路，能承受最大放電電流大于15s。配備動力系統(tǒng)激活指示燈控制功能。在控制系統(tǒng)中設計安全回路，可以直接動力蓄電池絕緣繼電器，安全回路包含一個控制系統(tǒng)應急切斷開關、兩個動力系統(tǒng)應急切斷開關、一個絕緣監(jiān)測裝置、一個多方向慣性開關及若干互鎖回路。如果動力系統(tǒng)在車輛行駛時未被激活，則電機可以空轉。低壓和高壓系統(tǒng)都配備合適的熔斷器。配備專用的、符合要求的充電器。充電器的所有連接處有絕緣并覆蓋住，符合標準，包含一個互鎖裝置。除充電器和電池箱正確連接外，連接器的任意一端都沒有高壓。高壓充電線是橙色的。當充電時，BMS能正常工作并且在檢測到錯誤的時候能夠斷開充電器。充電器能和車輛控制系統(tǒng)實時進行通訊，包括一個最小直徑為25mm的有清楚標記的推入式急停開關。系統(tǒng)配備兩個制動燈液壓開關，在其中任何一個開關工作時，制動燈應正常點亮。系統(tǒng)配備一個倒車燈控制功能，在點亮倒車燈的同時發(fā)出報警聲。車載儀表信息系統(tǒng)，能提供車輛運行數(shù)據(jù)，能以每分鐘一次的頻率實時傳送車輛的坐標位置、驅動電機的驅動電流和功率、動力蓄電池的輸出電流和輸出電壓。

4.4 輕量化結構與工藝

將小燈和轉向燈合為一體，使用公共搭鐵，在保障功能等前提下，降低線路長度，實現(xiàn)結構輕量化。

5 制動系統(tǒng)設計方案

5.1 設計要求

使汽車減速或在最短的距離內(nèi)停車，以保證行車的安全。有助于維持車輛的穩(wěn)定性。

5.2 設計思路

制動系統(tǒng)的效能應滿足法規(guī)要求，具有良好的制動穩(wěn)定性和制動效能。應考慮到制動舒適性，避免制動點頭、制動時摩擦片尖叫等不良現(xiàn)象。結構緊湊，易于安裝和維護。選擇高質(zhì)量的材料和零部件，以提高制動系統(tǒng)的可靠性和耐久性。考慮到制動系統(tǒng)的工作溫度范圍，選用適應高溫和低溫的材料和零部件。考慮到安全性，如制動液的防火性能、制動盤的抗磨損性能等。

5.3 主要參數(shù)

使用液壓制動系統(tǒng)，并通過一個單獨腳踏板操作，在靜態(tài)條件下、路面以及未鋪設路面行駛速度情況下抱死所有四個車輪。兩個獨立的液壓回路，每個回路控制兩個車輪。每個液壓回路都必須具有其自身的液體儲存裝置，通過單獨儲罐或者通過使用截流式儲罐。

制動踏板通過一個剛性連接直接推動制動主缸，有制動的動作，制動燈就必須點亮。制動管路牢固安裝，不露在競賽車輛底部（車架，擺臂、A形擺臂等）下方。

5.4 輕量化結構與工藝

在制動踏板、制動卡鉗、三通接頭等部件，選用鋁材，降低結構重量，實現(xiàn)材料輕量化。

6 傳動系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)設計

6.1 設計要求

懸架系統(tǒng)能夠承受沖擊，不與轉向系統(tǒng)干涉。保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速以及保證牽引力與車速之間協(xié)調(diào)變化的功能。具有良好的動力性。保證汽車能倒車，左、右驅動輪能適應差速要求。承受汽車的總重量，傳遞和承受道路對車輪各個方向的反作用力和扭矩。緩沖減振，保證汽車的乘坐舒適性。與轉向系統(tǒng)配合，控制汽車的行駛方向。使汽車的驅動力與行駛阻力相適應，以實現(xiàn)汽車的平順行駛。

6.2 設計思路

在滿足性能要求的前提下，采用輕量化材料和結構優(yōu)化等方式，減輕傳動系統(tǒng)的重量。

6.3 主要參數(shù)

（1）行駛系統(tǒng)。懸掛系統(tǒng)不與轉向系統(tǒng)干涉。懸掛系統(tǒng)須配備防側傾裝置，直徑25毫米，長度連接擺臂超過一半的位置。懸掛系統(tǒng)采用螺桿鏈接的方式與車架上的吊耳進行鏈接，鏈接螺栓等級不低于 8.8 級。車輪螺栓螺母自鎖狀態(tài)，螺桿外露2圈。

（2）傳動系統(tǒng)。驅動電機和減速器之間的連接采用花鍵連接。

6.4 輕量化結構與工藝

利用SolidWorks軟件的拓撲算例計算上、下叉臂，根據(jù)優(yōu)化結果設計并自制上、下叉臂，扣出可減重部分，實現(xiàn)結構輕量化。以下叉臂為例。在滿足強度要求等前提下，在法蘭、輪轂、輪圈等選材上選擇鋁合金，實現(xiàn)材料輕量化。

7 轉向系統(tǒng)設計方案

7.1 設計要求

幫助駕駛員更好地控制車輛的行駛方向和位置，提高車輛的操控性和穩(wěn)定性，保障駕駛員的安全。

7.2 設計思路

（1）選擇機械轉向系統(tǒng)。

（2）根據(jù)車輛類別，確定134mm的轉向盤直徑。選擇齒輪傳動。

（3）考慮駕駛員安全。

（4）通過優(yōu)化轉向比和轉向靈敏度等參數(shù)，使車輛在不同行駛狀態(tài)下具有良好的操控性和穩(wěn)定性。

7.3 主要參數(shù)

轉彎半徑不大于3米。在極限位置有轉向限位裝置。轉向柱采用固定件包裹。

7.4 輕量化結構與工藝

以“空”代“實”，采用空心無縫鋼管作為穩(wěn)定桿、橫拉桿主要材質(zhì)。這樣處理能夠提高強度、抗扭性能，降低質(zhì)量，實現(xiàn)材料輕量化。

基金項目：1.2022年度廣西職業(yè)教育教學改革研究中職重點項目《適應產(chǎn)業(yè)升級的新能源汽車專業(yè)群高技能人才培養(yǎng)研究與實踐—以柳州市交通學校為例》，課題項目編號：GXZZJG2022A052 ；

2.柳州教育科學“十四五”規(guī)劃 2022 年度職業(yè)教育重點課題《適應產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型升級的新能源汽車專業(yè)群建設研究—— 以柳州市交通學校為例》，課題立項編號：2022ZJA041。

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