電動汽車車身結構設計與輕量化策略

馬東輝，馬少康，閆祿平

（1.北京車和家信息技術有限公司，北京 100102；2.武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢 430063）

引言

隨著城市交通擁堵、停車位緊張、綠色環保壓力劇增等，微型電動汽車獲得較快發展[1-2]。電動汽車車身設計涉及多學科交叉，主要集中在車身結構優化設計[1-4]、輕量化設計[6-10]等方面，車身設計是以功能、性能的實現為主線，以風險控制為目標，涉及項目預研、概念設計、工程設計和零件開發等。車身按照結構分類可分為非承載式、承載式（包括半承載式），非承載式車身較多采用剛性車架，車身本體（地板及以上非梁架部分）與車架之間采用彈性元件連接，汽車在壞路行駛時車架的振動通過彈性元件再傳到車身上，大部分振動被削弱[11]。因此，非承載式的車廂變形小、廂內噪音低、車身質量大且高度高，一般用于貨車、客車、越野車和部分高級轎車；而承載式車身沒有剛性車架，車身本體（地板及以上非梁架部分）與車架之間剛性連接，道路負載會通過懸架裝置直接傳給車身本體，這種車身兼顧了承載上部載荷和承受下部沖擊的雙重任務[12]。因此，承載式車身要有較高的抗彎曲和抗扭轉剛度，但噪音、振動較大。由于承載式車身質量小、高度低、裝配簡單、成本低，利于大規模生產，大部分轎車、城市SUV都采用這種車身結構。由于本文所設計開發的某小型電動汽車，其具有尺寸小、重量輕、成本低的產品特點，因此，確定車身結構采用承載式結構。在承載式結構基礎上完成后續車身設計及其輕量化策略。

1 車身架構設計

車身設計初期通常會進行主體架構的設計，再進行詳細結構設計。基于現代的計算機輔助設計方法，先根據整車布置空間做出大概的車身主體框架走勢仿真模型，進行拓撲優化，根據拓撲優化的結果以及初步工程可行性評估確定車身主體框架走勢。搭建車身主體框架時還要注意盡量構建環形結構，減少或避免懸臂梁。因為，從基礎力學模型可以得出一端固定的懸臂梁無論是在均布載荷還是集中載荷下其所受彎矩及剪力都比兩端支撐的簡支梁要大，也就是說在相同工況下，懸臂梁的結構剛度和耐久性能更差。

圖1 車身主要環形結構示意圖

基于以上因素，在確定車身框架走勢過程中考慮了主要環形結構的構建。如圖1所示是本產品車身框架設計的主要的環形結構，其中大概可以分為X向（垂直于車身坐標X軸）環、Y向環和Z向環三類。其中Z向環又分為上部Z向環和下部Z向環，上部Z向環有9環（機艙上部環）、1環（前風擋環）、2環（頂蓋環），下部Z向環有7環（機艙下部環）、6環（前地板框架環）、4環（后地板框架環）。Y向環主要有5環（門框環），X向環有8環（前端框架環）、10環（前圍框架環）、3環（尾部框架環）。它們連接Z向上部環、Z向下部環和Y向環，形成交織的立體環狀結構。除了這些主要的環以外，還有立體環形結構和隱式環形結構，圖2所示的11環就是由機艙前上縱梁、A柱、前圍下橫梁、機艙前下縱梁、輪罩加強板和減震器固定座組成的立體環形結構，12環則是由車身梁架與底盤后副車架共同構建的一種借用了非車身零件構成的隱式環形結構。

環形結構使車身框架成為一個整體，可以優化車身彎扭剛度，可以增加車身結構的共用，可以指導車身材料向有利于保證性能的區域應用，有利于車身輕量化。

圖2 車身立體環形結構和隱式環形結構示意圖

力的傳遞路徑也是車身主體架構設計時需要重點考慮的一個因素，這樣可以盡量把最合適的材料用到最需要的位置，既保證了性能又不浪費材料，圖3是本車主要傳力路徑示意圖，展示了車身下部力的傳遞路徑，前部碰撞力經機艙下縱梁將力分散傳遞到門檻與地板縱梁，后部碰撞力經后縱梁及后副車架將力分散傳遞到門檻與地板縱梁，形成了前后貫通的車身整體傳力路徑。

圖3 車身主要傳力路徑仰視圖

2 車身結構設計

構建完車身主體架構走勢后，就開始進行車身結構設計。三維數據的建立都要遵循點、線、面、體的過程，即由點生線、由線生面、由面生體的過程。所以在進行車身3D數據制作前首先會制作2D數據，即常說的典型斷面。車身典型斷面是車身設計過程中的一項重要工作，它能夠定義零件與零件間的配合關系，指導接下來的3D數據制作，反映運動件的運動軌跡，評估初步的工藝可行性，反映截面的彎扭特性等。一般一個車身的典型斷面會有幾十個，本文主要展示了本車的幾個主要典型斷面。

（1）門上鉸鏈位置的典型斷面，如圖4，斷面反映了車身此處內外板及加強板的搭接形式、型面尺寸及構成角度，體現了門的運動軌跡、密封形式、鉸鏈的固定方式以及門與翼子板的配合關系等。

（2）門限位器位置的典型斷面，如圖5，其主要體現了限位器的運動軌跡、安裝形式，以及為了配合限位器車身鈑金和門鈑金所定義的相關結構及尺寸，同時也體現了翼子板為了避讓門開啟所定義的固定結構。

（3）門檻位置的典型斷面，如圖6，此斷面涉及車身、開閉件、外飾件、內飾件、電器等多專業，所以此斷面主要體現了門與車身、外飾件之間的配合關系，外飾件、內飾件以及電器在車身鈑金和門鈑金上的安裝形式，以及車身鈑金自身的尺寸定義等。

（4）頂蓋后橫梁位置典型斷面，如圖7，此斷面是為了說明在斷面設計時除了考慮結構外還要兼顧人機需求，以保證人機需求車身結構進行了相關避讓，這種避讓是滿足性能要求和初步評估的前提。

圖4 門上鉸鏈位置典型斷面

圖5 門限位器位置典型斷面

圖6 門檻位置典型斷面

圖7 頂蓋后橫梁位置典型斷面

3 車身基本性能達標情況

確定了車身主體架構，完成了車身結構的具體定義，便要制作3D數據并進行性能仿真分析，本車身相關的主要性能指標及達成情況如表1和表2所示。

4 車身輕量化策略

本車車身輕量化主要采用三種策略：基于性能的車身設計優化、新材料的應用、新工藝的應用。

（1）基于性能的車身設計優化：車身各項性能指標初步達成后，還進行了車身靈敏度分析，篩選出對性能貢獻不敏感的區域和零件，進行輕量化方案的迭代計算，最終綜合車身結構耐久、NVH及碰撞安全性能，優化車身各處結構及材料。

（2）新材料的應用：根據不同位置的不同性能需求，本車身應用了多種材料以實現輕量化，有鋼鋁混合車身、復合材料翼子板、前蓋及背門等，實現比全鋼方案減重15%。

表1 車身結構

表2 車身NVH

（3）新工藝的應用：實現了多材料的成型和連接，車身還應用了鋼鋁鉚接（如圖 8）及鋁擠出冷金屬過渡連接（如圖9）等技術。

圖8 鋼鋁鉚接剖面及鉚接后的頂蓋橫梁

圖9 應用冷金屬過渡連接的前端框架

5 結論

本文結合從總體到局部、從架構到細節的車身設計思想，對一種新型電動汽車車身結構進行設計，通過CAE仿真優化技術實現車身架構和結構的校核與優化，應用多種材料、多種工藝等實現車身輕量化。車身良好結構和輕量化策略可為后續該型電動車的量產奠定基礎。

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