新能源汽車底盤布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王魯斌

（寧波華翔汽車技術(shù)有限公司，浙江寧波 315033）

0 引言

底盤屬于汽車載荷的重要部分，汽車的大部分零部件均需要依賴底盤進(jìn)行連接、固定。底盤除了本身要具備充足的強(qiáng)度、剛度之外，還要能保持科學(xué)的動(dòng)態(tài)性并盡可能減小整車產(chǎn)生的振動(dòng)。

無論是傳統(tǒng)燃油汽車還是對(duì)新能源汽車，底盤系統(tǒng)主要包含制動(dòng)、懸架以及轉(zhuǎn)向等諸多子系統(tǒng)，相應(yīng)的布局直接關(guān)系到汽車的操控性、舒適性和安全性。當(dāng)前的新能源汽車底盤布局設(shè)計(jì)，大多數(shù)是參考傳統(tǒng)燃油汽車進(jìn)行優(yōu)化，但是因?yàn)樾履茉雌嚤旧泶嬖阱漠惖尿?qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際布置方面必然存在差異性。對(duì)新能源電動(dòng)汽車而言，底盤布局當(dāng)中主要涉及懸掛、懸架等相關(guān)設(shè)計(jì)的變動(dòng)、汽車輔助設(shè)備選擇、動(dòng)力電池布置以及控制系統(tǒng)導(dǎo)線設(shè)計(jì)等[1]。與燃油汽車相比，新能源汽車的底盤布局更為靈活，對(duì)整車性能的影響更大。例如，新能源汽車的動(dòng)力電池組體積相對(duì)較大、質(zhì)量更重，使得簧載質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及汽車質(zhì)量等均會(huì)受到不同程度的影響，必須要全面兼顧動(dòng)力電池模組布局措施及對(duì)整車綜合性能產(chǎn)生的影響，包括平順性、操控穩(wěn)定性等。因此，深入研究新能源汽車底盤布局優(yōu)化方案，對(duì)新能源汽車未來發(fā)展具有重要意義。

1 新能源汽車底盤布局特征分析

從第一輛汽車發(fā)展至今，汽車底盤技術(shù)已經(jīng)歷經(jīng)上百年的發(fā)展歷程。從整個(gè)底盤系統(tǒng)來看，傳統(tǒng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等各種子系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而，對(duì)于新能源汽車而言，動(dòng)力系統(tǒng)的改變使得底盤系統(tǒng)也必須進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整。例如，動(dòng)力系統(tǒng)減速器接口，應(yīng)當(dāng)綜合參考全新的輸入信息實(shí)施修改，亦或是進(jìn)行再次設(shè)計(jì)；動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同樣需要全新的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源，零部件、管路均需要實(shí)施針對(duì)性的調(diào)整[2]。從新能源汽車的實(shí)際來看，其底盤布局特征包含以下4 個(gè)方面。

（1）新能源汽車底盤布局能夠直接沿用傳統(tǒng)汽車底盤結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的工作原理完全一致。

（2）新能源汽車底盤屬于機(jī)電一體化工程，涉及到電子控制系統(tǒng)、電動(dòng)化輔助系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)以及動(dòng)力電池系統(tǒng)等，相應(yīng)地底盤布局設(shè)計(jì)研究需要與電氣、機(jī)械等專業(yè)協(xié)同開展。對(duì)于實(shí)際布局設(shè)計(jì)而言，需要科學(xué)匹配控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，同時(shí)還要兼顧制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

（3）新能源汽車底盤設(shè)計(jì)也可以選擇整體化設(shè)計(jì)模式，盡量減少各種零部件，使車載能源多樣性得以充分體現(xiàn)。通過整體化設(shè)計(jì)，能夠節(jié)約車內(nèi)空間，為整車碰撞安全、外部造型等創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。

（4）優(yōu)于動(dòng)力性能、續(xù)航行使等方面的客觀要求，再加上新能源汽車動(dòng)力電池質(zhì)量在整個(gè)底盤布局當(dāng)中占據(jù)了較大的比例，對(duì)新能源汽車底盤輕量化布局的要求提出了更高的要求[3]。現(xiàn)階段，新能源汽車底盤輕量化主要包含輕量化輪轂、動(dòng)力電池輕量化技術(shù)以及底盤輕量化材料等。

2 國(guó)外新能源汽車底盤布局技術(shù)分析

作為全球知名的電動(dòng)車及能源企業(yè)，特斯拉融入IT 理念進(jìn)行造車，在新能源汽車方面積累了大量的專利、技術(shù)，在全球的影響力也在不斷增大。從Tesla Model S 底盤的具體結(jié)構(gòu)來看，在底盤中部位置設(shè)置電池保護(hù)設(shè)施，分別在前后設(shè)置高強(qiáng)度鋼材，以此來針對(duì)電池進(jìn)行有效的保護(hù)[4]（圖1）。同時(shí)，為了有效減輕整車質(zhì)量，選擇鋁合金材料作為底盤材料。此外，底盤本身預(yù)留了充足的崩潰區(qū)，以此來發(fā)揮緩沖吸振的功能，且整車的防碰撞性能也非常理想。特斯拉針對(duì)控制器、電池以及底盤等重要部件實(shí)施集成設(shè)計(jì)，使得底盤本身的結(jié)構(gòu)更為清晰、簡(jiǎn)單，除了輪胎、剎車系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及懸架系統(tǒng)之外，僅存在與底盤一體化的動(dòng)力電池板，前懸架選擇雙叉臂懸架，后懸架選擇多連桿懸架，在有效保障整車舒適性的同時(shí)，兼顧了操控穩(wěn)定性。

圖1 Tesla Model S 底盤布局

由于新能源汽車動(dòng)力電池的質(zhì)量原因，使得新能源汽車的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油汽車，減輕整車質(zhì)量就成為新能源汽車研究的重要內(nèi)容。因此，輕量化技術(shù)在新能源汽車底盤設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，其能夠有效控制整車質(zhì)量、保障汽車?yán)m(xù)航水平。圖2 為寶馬生產(chǎn)的i3 電動(dòng)汽車專用底盤，該底盤選擇碳纖維材料，本身在拉伸強(qiáng)度、彈性模量等諸多領(lǐng)域均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料硼鋼，而新材料制造費(fèi)用達(dá)到了整車的1/3，但車輛減重達(dá)到30%，有效兼顧了續(xù)航水平[5]。

圖2 寶馬i3 電動(dòng)汽車專用底盤

3 新能源汽車底盤布局優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.1 機(jī)械傳動(dòng)底盤布局

新能源汽車機(jī)械傳動(dòng)型底盤布局主要如圖3 所示，當(dāng)中涉及驅(qū)動(dòng)橋、傳統(tǒng)軸、變速器以及離合器等。對(duì)機(jī)械傳動(dòng)型底盤布局而言，離合器主要是應(yīng)用于接通、切斷電動(dòng)機(jī)到車輪的各種動(dòng)力；對(duì)應(yīng)的變速器則為不同速比的齒輪機(jī)構(gòu)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的檔位選擇，即能夠在低速獲取較大的轉(zhuǎn)矩，高速獲取較小的轉(zhuǎn)矩。基于機(jī)械傳動(dòng)底盤布局，能夠有效保障新能源汽車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低速后備功率，本身對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求較低，其能夠使用功率相對(duì)較小的電機(jī)[6]。需要注意的是，該種布局本身的能量傳遞效率相對(duì)較低，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能有所損失，不適用于高性能新能源車型。

3.2 無變速器型底盤布局

新能源汽車無變速器型底盤布局如圖4 所示，底盤布局中并沒有離合器、變速器，主要是選擇具有對(duì)應(yīng)速比的減速器，變速功能主要是依賴電機(jī)控制。該種布局中，機(jī)械傳動(dòng)裝置的體積相對(duì)較小、質(zhì)量相對(duì)較輕，然而需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備充分的后備功率、較高的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，才能夠保障新能源汽車在面臨加速、爬坡等情況下?lián)碛凶銐虻膭?dòng)力支持。

圖3 新能源汽車機(jī)械傳動(dòng)型底盤布局

3.3 無差速器型底盤布局

新能源汽車無差速器型底盤布局主要是使用2 臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（圖5）。由于單個(gè)電機(jī)能針對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)汽車在轉(zhuǎn)向的工況下，電機(jī)能夠利用電子控制系統(tǒng)達(dá)成2 個(gè)車輪差速的作用，最終達(dá)成轉(zhuǎn)向的目標(biāo)。

3.4 輪轂電機(jī)型底盤布局

圖4 新能源汽車無變速器型底盤布局

新能源汽車輪轂電機(jī)型底盤布局如圖6 所示，電機(jī)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)輪當(dāng)中，能顯著縮短電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪之間的動(dòng)力傳遞距離，有效控制能量傳遞損失。為了有效保障車輛穩(wěn)定運(yùn)行，還必須要設(shè)置減速比相對(duì)較大的行星齒輪減速器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠直接達(dá)到理想的車輪轉(zhuǎn)速。該型底盤布局還有另外一種結(jié)構(gòu)，即把低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)對(duì)應(yīng)的外轉(zhuǎn)子設(shè)置在車輪輪緣位置，不需要使用減速齒輪，這就使得驅(qū)動(dòng)輪與電機(jī)之間沒有機(jī)械傳統(tǒng)裝置，也就沒有能量損耗，在有效保障傳遞效率的同時(shí)，提升空間利用水平。不過，該種底盤布局本身對(duì)電機(jī)性能要求非常高，必須要電機(jī)具備良好的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、后備功率，這樣才能保障車輛的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 新能源汽車無差速器型底盤布局

4 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車作為我國(guó)汽車工業(yè)彎道超車的重要途徑之一，能否搶占新能源汽車市場(chǎng)，加大新能源汽車研發(fā)是重中之重。底盤作為新能源汽車中至關(guān)重要的一部分，相關(guān)領(lǐng)域必然需要加大研發(fā)力度，全面圍繞新能源汽車實(shí)際情況、發(fā)展需求，針對(duì)新能源汽車底盤布局進(jìn)行全面的優(yōu)化調(diào)整，致力于提升我國(guó)在新能源汽車領(lǐng)域核心競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

圖6 新能源汽車輪轂電機(jī)型底盤布局