陳立旦++齊忠蒙

摘 要：本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化研究現(xiàn)狀，提出了純電動(dòng)汽車(chē)核心零部件輕量化安全技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施方案及實(shí)施路線。本研究有利于降低原油依賴(lài)程度，有利于減少環(huán)境污染，有利于推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 輕量化 安全技術(shù) 研發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

本文為2015浙江省教育廳高等學(xué)校訪問(wèn)工程師校企合作項(xiàng)目階段性成果。

1.研究背景

電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展一直受到各國(guó)政府的高度重視，政府通過(guò)各種政策鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的研發(fā)生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)政府也投入了大量的人力、物力、財(cái)力，進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)，部分核心技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。可以說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化必將成為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的切入點(diǎn)。

為了進(jìn)一步降低新能源汽車(chē)的能源消耗，減輕環(huán)境污染，新能源汽車(chē)研發(fā)企業(yè)和生產(chǎn)廠家必須要研發(fā)出新的輕量化技術(shù)。消費(fèi)者一般認(rèn)為汽車(chē)輕量化必然降低汽車(chē)安全性，但是隨著新興材料的出現(xiàn)和運(yùn)用，汽車(chē)輕量化并不會(huì)降低安全性。事實(shí)證明，在各種新的設(shè)計(jì)理念、新技術(shù)、新材料和新工藝的集成應(yīng)用下，完全可以實(shí)現(xiàn)安全性、輕量化水平的共同提升。

2.汽車(chē)輕量化研究現(xiàn)狀

汽車(chē)輕量化主要包括兩個(gè)方面：車(chē)輛設(shè)計(jì)的優(yōu)化和輕量化材料。其中車(chē)輛設(shè)計(jì)主要包括車(chē)身輕量化、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、底盤(pán)輕量化三個(gè)方面；輕量化材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼等，主要用來(lái)改造和替代傳統(tǒng)的車(chē)身材料。

汽車(chē)輕量化已經(jīng)成為國(guó)外主要汽車(chē)OEM降低油耗、提升節(jié)能環(huán)保的重要方面。為此，美、日、歐、韓都分別制定了一個(gè)明確的發(fā)展指標(biāo)和路線。在輕量化材料方面，美日歐汽車(chē)OEM廠商在材料動(dòng)態(tài)物理力學(xué)性能測(cè)試及評(píng)價(jià)技術(shù)，如高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)技術(shù)、吸能試驗(yàn)技術(shù)等均加大研發(fā)力度，部分廠商已取得一定突破。

目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化材料正在加速發(fā)展，車(chē)用高性能鋼板、鎂合金已在汽車(chē)上有所應(yīng)用。在汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段。

3. 純電動(dòng)汽車(chē)核心零部件輕量化安全技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

3.1動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配技術(shù)

提出一種能達(dá)到指定功能需求的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，利用ADVISOR進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從電機(jī)、電池、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的選型匹配進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)整體優(yōu)化，從而提高整車(chē)等效燃油經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。在完成動(dòng)力系統(tǒng)各部件選型和參數(shù)匹配后，基于CAE仿真技術(shù)，針對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方案，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行合理布置，研究使整車(chē)具有合理軸荷分配的最優(yōu)空間布置方案。此系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)可以?xún)?yōu)化空間分配，減少零部件的用材，減輕車(chē)身重量。

3.2車(chē)輛總體布置技術(shù)

通過(guò)CATIA視覺(jué)化人機(jī)工程學(xué)模塊以及裝配模塊進(jìn)行整車(chē)總體布置設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵總成進(jìn)行強(qiáng)度校核和模態(tài)分析，并進(jìn)行整車(chē)性能分析和計(jì)算，有效減少車(chē)輛總體布置成本，同時(shí)使布局更合理，減輕車(chē)身重量。

3.3車(chē)輛安全結(jié)構(gòu)與車(chē)身輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)

采用高強(qiáng)度鋼板、模塊化部件及采用鋁、碳纖維和其他新興材料的同時(shí)，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，在優(yōu)化模型中綜合考察白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度、最大碰撞力、碰撞吸能要求和質(zhì)量最輕等多個(gè)性能指標(biāo)要求，進(jìn)行安全可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。

4. 純電動(dòng)汽車(chē)核心零部件輕量化安全技術(shù)實(shí)施方案

本項(xiàng)目首先確定集轎車(chē)的安全性和小型車(chē)的節(jié)能減排的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)性能為研究背景，制定總體研發(fā)方案。以總體研發(fā)方案為指導(dǎo)，研發(fā)出更具經(jīng)濟(jì)性和安全性的電動(dòng)汽車(chē)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配和整車(chē)安全結(jié)構(gòu)與輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)、路面試驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷改進(jìn)樣車(chē)獲得最佳輕量化性能，完成小批量試產(chǎn)。如圖1所示。

5. 純電動(dòng)汽車(chē)核心零部件輕量化安全技術(shù)實(shí)施路線

5.1整車(chē)總體布置

開(kāi)發(fā)扁平式電池箱結(jié)構(gòu)，動(dòng)力電池組安裝在電池箱內(nèi)，電池箱安裝在前后橋的底盤(pán)中間位置，采用扁鐵吊裝的方式固定。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電池箱散熱系統(tǒng)，空氣入口在電池箱前方，采用軟管連接，進(jìn)入駕駛倉(cāng)，作為進(jìn)氣口，電池箱后方安裝一個(gè)冷風(fēng)機(jī)，采用軟管與電池箱連接的方式，抽風(fēng)降溫。采用動(dòng)力裝置前置驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制器等零部件安裝在前機(jī)艙位置。電壓箱、車(chē)載充電機(jī)、高壓電氣盒等系統(tǒng)總成和零部件布置在座椅下面，保證其碰撞安全性。

5.2 動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配

開(kāi)發(fā)一套切實(shí)可行的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)匹配軟件，根據(jù)開(kāi)發(fā)車(chē)型的動(dòng)力性和驅(qū)動(dòng)方式要求，進(jìn)行初步動(dòng)力匹配。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用軟件ADVISOR進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化，基于等效燃油經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程，選取最優(yōu)組參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況，最終確定各電池、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)布置方案，利用三維建模軟件CATIA對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模并在虛擬環(huán)境下將其裝配至整車(chē)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，計(jì)算整車(chē)的軸荷分布，根據(jù)最佳軸荷分布選定動(dòng)力系統(tǒng)布置方案。依據(jù)布置方案進(jìn)行樣車(chē)改裝，通過(guò)樣車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證修改所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)，最終建立電動(dòng)汽車(chē)通用動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配仿真—試驗(yàn)平臺(tái)。

5.3整車(chē)安全結(jié)構(gòu)與輕量化

建立參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)有限元模型，確定車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化方案，結(jié)合車(chē)身剛度、模態(tài)等進(jìn)行分析驗(yàn)證，合理協(xié)調(diào)車(chē)身薄弱環(huán)節(jié)的加強(qiáng)與車(chē)身剛度優(yōu)化的關(guān)系、車(chē)身低階振動(dòng)與車(chē)身剛度優(yōu)化的關(guān)系、車(chē)身剛度優(yōu)化與車(chē)身輕量化的關(guān)系等，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身輕量化效果；同時(shí)，進(jìn)行整車(chē)碰撞安全模擬分析及優(yōu)化方案，確保整車(chē)的碰撞安全性能，實(shí)現(xiàn)整車(chē)質(zhì)量目標(biāo)、安全目標(biāo)、NVH目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整車(chē)成本可控的目的。具體車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方案如下（如圖2）：

一是采用Benchmark方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)目標(biāo)車(chē)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)和用材分析，提出車(chē)身的結(jié)構(gòu)和用材方案。二是采用CAE方法分析車(chē)身零部件的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等，對(duì)車(chē)身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。三是采用目標(biāo)分解的方法，將減重的目標(biāo)逐級(jí)分解到車(chē)身的各個(gè)部件，挖掘車(chē)身可實(shí)現(xiàn)減重的所有零部件潛力，形成輕量化設(shè)計(jì)方案。四是采用不同專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)集成、不同類(lèi)型的材料優(yōu)勢(shì)集成、不同技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)集成，實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化、性能優(yōu)化和成本控制。

6. 純電動(dòng)汽車(chē)核心零部件輕量化安全技術(shù)應(yīng)用前景

6.1經(jīng)濟(jì)效益

研發(fā)一種采用鋁、碳纖維和其他新興材料整合實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的新興技術(shù)。在保持汽車(chē)原有安全性指標(biāo)情況下，降低汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量6%。

6.2社會(huì)效益

有利于降低原油依賴(lài)程度，有利于減少環(huán)境污染，有利于推動(dòng)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，有利于促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)，規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后，將帶動(dòng)機(jī)電一體化、傳感、電機(jī)、電子電控、服務(wù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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