滑板底盤鎖緊機構綜述

中圖分類號：U463.1 文獻標志碼：A DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20240200

0 引言

近年來，滑板底盤在電動汽車領域得到了廣泛關注和應用。滑板底盤設計理念是將電動汽車的主要部件集成至一個平坦的底盤上，以簡化車身設計，提升電動汽車的模塊化和靈活性，降低生產成本同時提升車輛性能[1-3]。

通用汽車推出的滑板底盤概念車Hy-wire首次將上車身和底盤完全分離，通過8個螺栓固定底盤和車身4]。一些新興公司如Rivian、Canoo 等進一步推進了滑板底盤的設計[5-7]。隨著電動汽車市場的快速增長，傳統汽車制造商也開始投入滑板底盤的研發。例如，大眾汽車推出了模塊化電氣化工具套件（ModularElectrificationTodkit，MET）平臺，旨在作為其未來電動汽車的通用底盤8；特斯拉等車企先后投入到滑板底盤技術研發中[9-10]。作為未來汽車發展方向之一，滑板底盤市場規模正逐步擴大。據百諫方略統計，2024年全球電動汽車滑板底盤市場規模達到96.5億元，預計2030年將達到3514.6億元，2024～2030年期間年復合增長率為 82.06%^[11]。

車身與底盤上下分離解耦開發是滑板底盤關鍵技術之一，即在定義好艙體與底盤之間的各類接口或者連接方式前提下，艙體可支持不同結構及樣式開發，底盤可單獨開發及迭代。2024年，《智能滑板底盤一螺栓連接式接口機械性能要求及試驗方法》列入中國汽車工程學會標準研制計劃，標準化接口使得底盤與不同類型艙體之間的鎖緊與匹配更為便捷[2]。順應汽車電動化趨勢，自動化的快速鎖緊機構作為一種技術儲備可以用來替換螺栓連接，簡化裝配過程并降低成本。然而，底盤和艙體之間的連接方式將對整車噪聲、振動和聲振粗糙度（NoiseVibrationHarshness，NVH）性能、碰撞安全性能和可靠耐久性能等產生影響。本文從鎖緊機構可能影響的整車性能出發，分析了各種類型鎖緊機構的優點和局限性，并對滑板底盤鎖緊機構的發展趨勢進行展望。

1滑板底盤鎖緊機構對整車性能影響

1.1 NVH性能

汽車NVH性能是汽車評價的重要指標之一[13]，其直接影響汽車舒適性。鎖緊機構的頻率特性、預緊力和布置方式等均會影響整車NVH性能。通過有限元方法可對整車結構的靜態和動態特征進行研究，將鎖緊機構在整車中進行有限元建模，分析鎖緊機構連接點的布置對車身NVH性能的影響。同時，通過對車內聲學特性分析，可研究鎖緊機構對車內噪聲的影響。基于鎖緊機構、底盤和艙體的NVH性能分析步驟為：（1）利用Hypermesh建立包含艙體、底盤和鎖緊機構的整車有限元模型，對整車模態性能和靜剛度性能進行仿真計算，將其扭轉頻率和彎曲剛度與同類型車作對比，對鎖緊機構布置進行優化[14-16]。（2）采用頻率響應分析方法對關鍵連接點進行動剛度特性分析，得到其在外部激勵下的動態特性7]。從連接點部位、連接點個數和與鎖緊機構相連的結構人手，進行動剛度優化[18]。（3）建立整車聲腔有限元模型和聲固耦合模型，計算輸人的外部激勵與輸出聲壓之間的傳遞函數，對參考點處聲壓峰值進行貢獻度分析，得到鎖緊機構對車內聲學特性影響[19-20]。

1.2 碰撞安全性能

鎖緊機構應用于底盤和艙體連接時，需要考慮單個機構的強度和剛度性能和碰撞工況下對整車的影響。基于鎖緊機構、底盤和艙體的有限元模型，可對不同碰撞工況下整車碰撞性能進行分析。具體為：基于《C-NCAP管理規則（2021年版）》和《中國保險汽車安全指數（C-IASI）管理辦法（2020版）》相關要求[21-22]，在Hypermesh中建立艙體、底盤和鎖緊機構有限元模型，通過LS-DYNA求解器得到期望點的侵入速度、加速度和侵入量信息，進而評估各結構變形形式是否合理以及是否會造成駕駛員或者乘客損傷[23-24]。

1.3 可靠耐久性能

滑板底盤鎖緊機構的可靠耐久性是整車可靠耐久，可以通過臺架耐久試驗或者有限元分析得到。有限元分析方法首先建立鎖緊機構有限元模型，計算關鍵零部件應力應變，分析鎖緊機構零部件斷裂失效的影響因素，使機構滿足各向承載要求[25-26]。然后，在Adams軟件中建立艙體、底盤和鎖緊機構整體虛擬樣機模型，對其進行運動學仿真分析。隨后，基于隨機輸入激勵及虛擬路譜，計算鎖緊機構的機械振動響應特性和載荷譜。最后結合關鍵零部件載荷譜及其材料S-N曲線，采用Miner線性疲勞損失累計理論或者名義壽命法，計算高強耐久工況下關鍵零部件的疲勞磨損壽命[27-29]。

3滑板底盤鎖緊機構技術方案

滑板底盤鎖緊機構的設計是保證整車結構穩定性、安全性和功能性的關鍵。目前，滑板底盤和艙體的連接方式主要為螺栓鎖緊。然而，該連接方式存在拆卸效率低、螺牙易磨損和易松動的問題。參考某非承載式車身底盤與艙體螺栓連接規格[30]，單個自動鎖緊機構在制動轉彎等工況需滿足 1.2g 加速度承載，碰撞工況需滿足 40g 加速度承載。即鎖緊機構需要滿足碰撞承載等極限工況，同時需具備小尺寸、輕質量、大剛度、長壽命、高效率和大鎖緊力的特點。液壓驅動能夠提供最大鎖緊力，但是存在易泄露、難維護等缺陷，不宜用于底盤鎖緊機構驅動。按照鎖緊機構類型，可將其主要分為卡爪式鎖緊結構、鋼珠式鎖緊結構、連桿式鎖緊機構、電磁鎖緊機構和柔性鎖緊機構，下文將對其結構原理進行論述比較，為滑板底盤鎖緊機構選型及發展提供參考。

3.1卡爪式鎖緊機構

卡爪式鎖緊機構常用于飛行器交會對接、衛星在軌服務、天線重復展開和大型宇航結構在軌構造等領域[3，具有重復連接與分離、容差性能強、原理簡單、復雜零件少以及易加工布置的優點。圖1所示為北京理工大學簡彬3等研發用于航空宇航領域的卡爪式連接分離機構，該機構的工作原理為：首先，通過公座和母座的錐面定位使錐桿進入母座鎖芯。隨后，電機驅動絲杠轉動，依次傳遞至螺母、滑筒，最終驅動卡爪向右移動。在移動過程中，卡爪受到擠壓向內收攏，進而拉緊錐桿，從而實現機構的鎖止功能。當電機持續旋轉至滑筒和卡爪達到形成極限而難以移動時，機構內部產生預緊力，具備 6.6kN 的承載能力。解鎖過程則通過電機反轉實現：螺母、滑筒和卡爪向左移動，卡爪張開釋放錐桿，完成解鎖操作。哈爾濱工業大學的史創等[33]也進行了鎖緊爪式鎖緊機構的研究，實現了較大容差性能和可靠二次鎖止（圖2）。此外，國外的相關學者也進行了卡爪式連接分離機構的研究[34-36]，其技術路線已經較為成熟。將卡爪式鎖緊機構用于滑板底盤與艙體連接時的最大優勢是具有較強容差性能，可以滿足多點同步安裝時的誤差要求。但其結構復雜、零件多且力鏈傳遞路徑長，在碰撞工況和顛簸路面行車工況條件下可靠性較差。為了滿足碰撞強度要求，卡爪式鎖緊機構的設計需采用較大的包絡尺寸。

圖1北京理工大學卡爪式鎖緊機構[31]

圖2哈爾濱工業大學卡爪式鎖緊機構[33]

2.2 鋼珠式鎖緊機構

鋼珠式鎖緊機構具有較大的加速度承載、具備高工作可靠性以及拆裝方便等優勢，被廣泛用于機器人關節連接[37-38]、現代裝備運輸平臺上的設備更換和換電汽車中電池與底盤連接等場景[39-40]。鋼珠鎖緊機構結構緊湊、整體設計難度低，且其核心部件鋼珠在幾何尺寸、材料和制造工藝等方面已實現標準化。

如圖3所示，湖南文理學院晏濤等4研發的快速鎖緊機構通過傳動桿控制鋼珠位置，當鋼珠被擠壓至鎖定頭C形環槽內，通過外殼、C形環槽、鋼珠、限位塊和鎖定環的相互配合實現鎖定頭和底座的軸向鎖緊。圖4為美國Jergens公司研制的鎖緊機構[42]，將鎖定頭插入接收襯套內時，通過旋轉上部螺栓控制內部鋼珠擠出，進而實現襯套與鎖定頭的緊密結合。圖3和圖4中所述的鎖緊機構均通過手動方式擰緊，應用于滑板底盤場景時可通過電機驅動絲桿螺母結構完成鋼珠位置控制，實現自動化控制。此外，韓國的Yoo和Lee[43-44等進行了鋼珠式鎖緊機構的研究， Y₀₀ 研制的二階鋼珠式鎖緊機構能夠承載 15kN 和低于 350g 加速度的沖擊，Lee研制的鎖緊機構能夠承載500N和低于 30g 的加速度。

圖3湖南文理學院鋼珠式鎖緊機構[41]

圖4Jergens鋼珠式手動鎖緊機構[42]

零點定位系統是一種內嵌鋼珠形式的柔性化夾具。圖5為AMF公司研發的零點定位系統夾具，鎖定頭下移使得鋼珠進入鎖定頭C形槽內，系統通過液壓油驅動活塞環向上運動控制鋼珠擠壓鎖定頭，當鎖定頭、鋼珠、活塞環和定位面緊密貼合時實現鎖定頭軸向鎖緊，最大能夠實現 50kN 的承載[45-46]。

本文提出了一種電機驅動的鋼珠式鎖緊機構，如圖6所示。單鎖止機構的外形輪廓尺寸為 140×106× 94mm 。該鎖止機構可通過簡單接口實現與電機的集成設計，其結構緊湊、控制簡單，可以在5s內快速實現車身與底盤的鎖定或解鎖。同時，該結構承載能力強，能夠承受 的軸向載荷和 33kN 的剪切載荷。如圖7所示，在滑板底盤應用場景中，該鎖緊機構的鎖緊環通常固定于艙體上，鎖緊銷固定于底盤上。更換艙體時，機械抱臂運載艙體至底盤上方，進行艙體和底盤的定位和鎖緊環與鎖緊銷的初步對接。然后，電機驅動底盤上的絲桿運動，向外推動鋼珠，實現鎖緊環與鎖緊銷的完全鎖緊。該結構可以實現多艙體的自由變換，滿足用戶個性化需求，同時大幅減少整車開發成本和時間，后續也可拓展應用至飛行汽車、移動座椅以及電池包拆換連接。

圖5鋼珠式零點定位系統

圖6自研鋼珠式鎖緊機構

上述鋼珠鎖緊機構應用于滑板底盤與艙體連接時的最大優勢是其結構緊湊、強度和剛度高、鎖緊力大、鎖緊可靠，能夠以較小的質量和尺寸滿足碰撞性能要求。局限性是鋼珠表面易磨損，需要定期清理或更換，且鋼珠工作環境要求苛刻，通過密封設計可以保證其使用壽命。此外，鋼珠鎖緊機構本身不能實現精確定位，通常通過鎖定頭和底座的錐面配合可以提高定位精度。

圖7艙體更換流程

2.3 連桿式鎖緊機構

連桿式鎖緊機構與卡爪式類似，具有較強容差性能和重復性能，常用于航空航天、貨運飛船和日常交通運輸中貨物與艙體的連接。如圖8所示，哈爾濱工業大學王宇兵4提出了一種重復鎖緊機構，電機驅動齒輪和連桿結構使得壓緊鉤鎖與鎖緊耳軸一次鎖緊和預緊卡爪與鉤鎖橫軸的二次鎖緊，同時實現鉤鎖閉合和預緊力的施加。該鎖緊機構可以承受垂直方向 15kN ，水平方向 2kN 的負載。如圖9所示，哈爾濱工業大學的周少程4提出了一種鉤鎖-四桿式艙門鎖緊機構，該結構具有結構簡單、效率高以及鎖緊可靠的優點。電機驅動傳動組件和曲柄搖桿機構，實現鉤鎖與鎖緊耳軸的鎖緊，電機繼續驅動可為鎖緊機構提供較大預緊力。該結構采用蝸輪蝸桿機構，在實現冗余自鎖的同時還利用機構的自鎖特性實現預緊力的可靠保持。該機構在包絡尺寸不大于150×260×40mm 的前提下，可提供 10kN 的鎖緊力。如圖10所示，Walter4提出了一種連桿式鎖緊機構，該機構通過驅動絲杠螺母結構帶動連桿及其連接的鉤鎖轉動，使鉤鎖與鎖緊耳軸配合實現被鎖組件和底座的連接。除上述鎖緊機構外，連桿式鎖緊機構還被廣泛用于汽車門鎖機構的連接，但將連桿式鎖緊機構用于滑板底盤與艙體連接時存在包絡尺寸較大、零件多和不易保證桿件強度等問題。

2.4其它形式鎖緊機構

除卡爪式、鋼珠式和連桿式鎖緊機構外，還包括電磁式鎖緊機構和柔性鎖緊機構。由于電磁吸合力直接用于底盤和艙體連接時難以滿足碰撞工況要求，電磁力通常作為動力源驅動其他結構進行鎖緊。如圖11所示，Liu等[50-51提出了一種電磁鎖緊結構，通過控制電磁鐵的電磁回路實現曲軸左右移動，使得與斜面貼合的鎖緊塊在底座上垂直運動，實現鎖緊塊與被鎖組件的連接或者脫離，電磁結構能夠提供的鎖緊和解鎖力分別為26.5N和 11.5N 。如圖12所示，中北大學的樓雨涵等52進行了電磁鎖緊機構研究，該機構將主動系統和被動系統進行連接，當主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間電磁力相互吸引且鎖緊或解鎖電磁鐵與被動系統主電磁鐵相互排斥，被動系統主電磁鐵向右推動滑塊和鎖緊插板，鎖緊插板斜面進而推動鎖緊銷進入鎖緊槽實現鎖緊。該機構處于鎖緊狀態時電磁鐵將停止工作，機構利用自鎖和永磁體磁力保持鎖緊狀態，鎖緊或解鎖電磁鐵產生的力為 20.5～21.3N，。

圖8哈爾濱工業大學連桿式重復鎖緊機構[47]

圖9哈爾濱工業大學連桿式艙門鎖緊機構[48]

圖10連桿式鎖緊機構[49]

變剛度柔性鎖緊機構大多通過柔性材料變形鎖緊[53]、氣動鎖緊[54-5s]或者記憶合金（Shape MemoryAlloys，SMA）[56-57進行鎖緊。如圖13所示，柔性鎖緊機構應用于車身與底盤連接時具有極好的容差性能，但均難以滿足鎖緊后的高剛度、高強度需求。其中，氣動鎖緊（圖14）需要配備額外氣源和氣管。記憶合金鎖止機構（圖15雖然變形量大、控制簡單，但其驅動效率、重復性和可靠性較差[58]。

圖11電磁驅動式鎖緊機構[50-51]

圖12中北大學電磁式鎖緊機構[52]

圖13柔性材料變形鎖緊機構[53]

3結束語

本文圍繞滑板底盤鎖緊機構的關鍵技術進行了系統性綜述，從整車NVH性能、碰撞安全性能與可靠耐久性能等角度論述了機構需要滿足的整車性能，并重點論述了卡爪式、鋼珠式、連桿式、電磁式與柔性鎖緊機構的結構原理、性能特點及適用性。

滑板底盤鎖緊機構的工作環境復雜嚴苛，對鎖緊機構的緊湊性、承載能力、連接剛度、密封性與連接效率提出了較高要求。連桿式鎖緊方式和卡爪式鎖緊方式由于零部件多、包絡尺寸大和力鏈傳遞路徑長等局限性難以滿足要求；柔性鎖緊機構難以滿足高剛度、高強度需求；電磁鎖緊機構受環境影響大，其可靠性和對車身電磁兼容性能的影響需進一步評估；鋼珠式鎖緊機構憑借其結構緊湊、高強度和剛度等優勢，在艙體與底盤的連接領域具有廣闊應用前景，若通過外部工裝輔助或結構預引導方式實現精準對位，結合高耐磨材料和高性能密封結構，有望替代現在螺栓連接方案。此外，滑板底盤鎖緊機構在整備車身狀態下的建模分析及對整車性能耦合影響的研究仍較為薄弱，整車狀態下的動力學響應、聲學耦合與結構剛度變化需進一步研究。

未來的研究工作可聚焦以下3個方面：（1構建多物理場耦合的鎖緊機構-整車系統仿真模型，提升NVH、碰撞響應與疲勞壽命等相關性能的預測精度；（2）開展鋼珠式鎖緊機構在循環加載、高溫高濕、灰塵等極端環境下的性能驗證；（3）推動基于電驅動、新型材料及智能控制的鎖緊技術發展，提升其在艙體快速切換、智能平臺解耦與自動裝配等場景中的產業化水平。

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（責任編輯梵玲）

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ATamp;M視界、生產現場、材料應用、生產裝備、檢測技術、數字化園地、行業動態等。

投稿要求：

（1）來稿須具有獨創性并與實踐相結合，文章字數最好控制在5000～8000字之內。

（2）來稿不能在國內、外公開雜志上發表過，請勿一稿多投。

（3）來稿的試驗方法、試驗數據、試驗結論必須準確、可靠。

（4）來稿須包括以下項目：題名、作者姓名、作者單位、摘要（200字左右）參考文獻等。來稿采用word文檔的格式。

（5）來稿文章格式應符合一般科技論文格式，或參考近期本刊所刊登文章格式。

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（7）本刊使用網站投稿，投稿網址：htp：//qcgyycl.cbpt.cnki.net，咨詢電話：0431-82026054。

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