電動汽車車身結構設計與輕量化策略

王偉博

長城汽車股份有限公司 河北 保定 071000

引言

民眾經濟能力持續提升，以及各地技術文化交流和貿易往來日益頻繁等諸多原因，促使人們的出行頻率越來越高，同時也促使汽車使用量急劇增加，燃油汽車在使用過程中的氣體排放，會造成一定的大氣污染，從而對當前的自然生態環境建設造成負面影響，因此，世界各國開始倡導民眾使用電動汽車。為了更好地滿足民眾對電動汽車續航能力和其他功能方面的要求，設計人員將如何優化電動汽車車身結構設計和促進車身輕量化發展作為汽車設計的研究重點。

1 車身輕量化的現狀和前景

行業內汽車輕量化主要是盡可能降低汽車重量，提高汽車動力，以最大限度降低燃料消耗。進行汽車輕量化設計的前提是保證汽車有足夠的強度和安全性。隨著時代的發展，環境問題已經成了越來越多人關注的重點問題，相關的工作人員需要從各個層面出發來滿足環境保護及節能減排的需求，最大限度降低汽車制造以及汽車使用過程中造成的污染。要重視環境保護與節能減排，從各個角度出發做好項目研究，讓汽車輕量化可以真正意義上發揮其對應的效果。相關的工作人員要明確工作的重點注意事項，讓工作的優化可以進行得更加徹底。研究人員可以從4個方面著手來做輕量化技術的深入分析，分別是電驅傳動總成輕量化、車身輕量化、零部件輕量化、電池輕量化[1]。其中，車身輕量化是需要重點考慮的一個內容，因為其重量占比是最大的。技術人員在進行車身設計的過程中，需要考慮安全性以及制造成本，要根據車輛的強度、高度要求來做深入的研究。車身輕量化包含了不同的方向，比如工業輕量化、材料輕量化、結構輕量化。要盡可能在保證同等力學特性的情況下降低自重。現在汽車行業整車CAD技術有了非常長遠的發展，所以在進行汽車結構優化的時候，要重視輕量化研究本身的意義所在，做好深入的研究，根據車身結構造型的特點，做好小型化、集成化設計。零部件方面則要做好中空化、薄壁化設計。

不同的設計方法對應著不同的目的和功能。當一輛汽車的車身覆蓋件以及車身骨、架重量都得到克制和壓縮的時候，車輛的輕量化就能取得階段性的進步。企業在研究的時候要從更長遠更全面的角度出發，做更深入全面的考慮，做好生物的改造和改良，盡可能減輕材料本身的重量，降低車重。目前來說，汽車輕量化設計最大的問題就是在輕量化的同時降低了車輛強度高度，使其使用性能和安全性大打折扣，得不償失，在整體優化上存在著缺陷。設計人員在結構設計時必須解決輕量化和安全性的沖突，使用密度低、強度高的材料，讓汽車的性能得到有效保障，也讓汽車的重量得到有效調整。要根據汽車的特性，選擇合適的高強度鋼材、復合材料、新型材料或者低密度合金材料、塑料材料。要根據汽車不同結構或零部件的應用環境和需求選擇適用的材料。

實際設計制造時，輕量化材料降低了汽車重量，能夠給予汽車更好的續航能力。輕量化材料需要得到更進一步的研究和發展。但是很多企業和研究單位在工藝能力試驗中上都有種種限制，開發成本非常高。

現在很多品牌都在著眼于汽車輕量化的內容，但是還是有諸多困難無法完全突破，需要有專門的研究人員合理開發引進先進工藝來進行加工，才能讓汽車在重量減少的同時，汽車的材料得到有效保障，在保證汽車結構穩定性的前提下，使各個方面力學性能都能滿足要求。行業內最常見的工藝是使用激光或者連續變截面軋制作的方法，搭接不同材質和厚度的材料，將其組合到一起，發揮各自材料的特性，并投入實際生產使用。《中國制造2025》明確指出了低碳化、智能化、信息化是電動汽車未來發展的方向，國家非常倡導在輕量化材料以及動力電池方面的研發。而在進行相關研發的時候，也要重視整車的體系創新，從整體的角度著手實現技術的超越[2]。

2 純電動汽車車身輕量化發展具有必要性

我國目前非常重視綠色技術創新體系，鼓勵新能源汽車的發展，希望從各個方面著手來壯大節能產業。所以汽車行業也需要從社會效益、經濟效益的角度出發，向節能環保的方向靠攏，研發低能耗、低排放的汽車類型。

純電動汽車屬于新能源汽車，是未來發展的大勢所趨。和傳統汽車相比，純電動汽車有不同的特性和特殊的結構原理，實際使用的時候會因為電池技術受到一定的制約，所以續航里程會因此受到比較大的限制。相關的研究技術人員需要從各個方面著手來解除限制。汽車輕量化是一種可行的發展方向，當汽車本身的重量越輕，即可行駛的距離就會越遠，能源消耗也會越少。

純電動汽車會用到鋰電子電池作為電源，但是在實際應用中能源利用率只能達到理論上的20%～30%，這里面還有巨大的進步優化空間，想要讓續航能力滿足要求，就需要注意做電池系統的優化。電池系統重量非常重，有的高達整車重量的30%～40%[3]。和傳統燃油車相比，電動車同樣尺寸的情況下會重很多。燃油車行駛的時候消耗燃油，車體的總質量會因為燃油的減少而降低。純電動車的質量是不會因為行駛而發生變化的，電池組的重量也是恒定的，所以如果電池組的重量過大，會大大影響汽車的續航能力。相關的工作人員在進行研究的時候，需要結合電池組的具體情況從各個方面出發來優化電池，降低電池重量，達到汽車輕量化的目的。然而到目前為止，電池組的優化還找不到重大突破的契機，不能大幅降低電池組本身的重量，所以汽車的減重也會受到限制，汽車輕量化措施不能只是從傳統簡單意義上來考慮，而輕量化技術也要進一步提升才能滿足現階段純電動汽車的要求。

相關的工作人員在設計的時候要注意從輕量化的根本目的出發，一方面保證汽車的性能，一方面減輕重量。確定目標之后，根據零部件和車身結構的強度、剛度要求，做微觀上的調整，分析不同零部件可以優化的空間，做好狀態模擬以及力學分析，深入計算，再結合工程制造成本效益等各方面的因素來確定可以投入實際使用的生產工藝。技術人員要持續不斷地做輕量化研究，這是保證純電動汽車發展的關鍵。要明確車身輕量化的優勢所在，降低成本，才能最大限度地提高性能，滿足市場需求，讓電動汽車有更廣闊的應用空間。

3 車身結構設計

3.1 主體構架設計

在進行汽車設計的時候，首先要關注主體構建設計，完成主體構架的初步定稿。使用計算機技術來計算，使用拓撲優化來保證汽車的車身主體結構更加科學。要注意支梁和懸臂梁的設計重難點，考慮其實際使用時可能因為承受原因而受到的損害，做好科學調整。

3.1.1 環形結構。在進行車身主體設計的時候主要會用到環形結構，由X、Y、Z向環一起構成。另外還存在著隱式環形結構和立體環形結構。立地環形結構包括11環，包含機艙前下縱梁、前圍下橫梁、A柱、減震器固定座、輪罩加強板等[4]。隱式環形結構則有12環，包括了車身梁架、底盤、后副車架等。這一系列的環形結構組合起來，是保證電動汽車性能的核心，可以讓汽車擁有更好的彎扭剛度，讓車身向著輕量化的方向更進一步。

3.1.2 力的傳遞路徑。在進行設計的時候要注意力的傳遞路徑可能給不同部位帶來的影響。技術人員要做好電力研究，以此來決定在某一些特定區域用什么材料，讓材料可以更好地發揮出使用效率和使用效果，不要出現無意義的浪費[5]。在應力集中的地方要使用強度更高的材料，在其他應力分散的地方使用較薄的材料。在材料選擇用量和質量方面，需要根據不同部位的要求來做針對性的取舍。注意力的傳遞路徑分析，對于承重部位要做好防護，打造一個科學的地傳遞路徑，保證遇到突發事件的時候可以盡可能給予車內司機和乘客更好的保護。

3.2 車身結構設計

注意在設計主體構架的時候，要從實際情況出發，做更全面的安排，保證主體構架足夠合理。要遵循三維數據的參考，一步一步地做好設計工作。可以先做好典型斷面2D設計，然后建立3D數據模型，以更直觀的方式來分析汽車工藝的可行性，并做好評估[6]。設計的時候，要參考不同區域不同形式的特點，根據典型斷面的位置來做設計優化。

3.2.1 頂蓋后橫梁位置。在設計的時候，一定要考慮人機因素，要讓車身結構能夠和人機需求同時得到滿足。考慮協調和避讓策略，結合性能優化以及輕量化的內容做綜合判斷。

3.2.2 門限位器位置。要讓翼子板躲避門開啟的固定結構，設計好門的形式與運動尺寸，配合安裝。

3.2.3 門上鉸鏈位置。要考慮翼子板、門的密閉形式、鉸鏈的固定方式，從多個角度出發來做好搭接工作，要讓門上鉸鏈的位置足夠科學合理。

4 車身輕量化策略

4.1 應用新型工藝

研究人員要隨時了解新型工藝的內容，合理使用新工藝，選擇好新型輕量化技術。可以通過新型技術手法連接多種材料，并按照預期設計成型，將其融合成一個可以投入實際使用的整體，然后達成輕量化優化的目的，并滿足車輛的相關需求[7]。

4.2 使用新型材料

目前來說，電動汽車還在一個發展的階段，相關的工作人員要結合實際需求尋找合適的材料，然后將其投入實際應用。在進行輕量化改造的時候，要根據應用特性選擇質量達標而重量更輕的材料。市面上的鋼鋁混合材料就是一類比較實用的新型材料[8]。它可以運用在復合翼子板、背門、車蓋等地方，而整體的減重可以達到15%，有非常好的表現特性和減重效果。

4.3 優化車身設計

在進行超聲優化的時候，需要注意測評，做好靈敏度分析，保證所有的配件都可以配合起來共同工作。要做好碰撞安全試驗，測評耐久性，保證車身整體指標達到要求綜合輕量化的需求，完善輕量化汽車的整體性能。

5 結束語

從某種層面上來說，電動汽車可以說是一種新概念，現如今電動汽車使用量越來越大，但是當今市場上的電動汽車基本上屬于燃油汽車改良版，在續航能力等方面存在一些短板，因此為了提升電動汽車節能效果，相關設計人員應重點考慮電動汽車車身結構設計與車身輕量化，以便更好地滿足消費者對電動汽車續航能力等方面的要求。