新能源汽车折叠底盘结构分析

2022-02-26刘建胜

应用能源技术 2022年1期

刘建胜

(爱驰汽车有限公司，上海 200082)

0 引言

由于科技的飞速发展和综合国力的崛起，我国人民对汽车的需求量大大增加，导致我国的汽车产量每年都呈现快速增长的趋势，这种情况虽然给人们的出行带来了方便，但也带来了环境隐患。随着汽车的增加，能源消耗逐渐增加，储油量逐渐减少，环境污染问题也开始引起大家的关注[1]。环境污染已成为当今社会的研究主题，因此，在新能源汽车的设计上，不仅需要对汽车的外观进行要求，而且还要防止环境再污染，从而推动新能源汽车行业的发展前景[2]。

新能源汽车折叠底盘结构不同于现有车辆，不使用现有车辆的发动机等设施，而是通过电池发电来旋转汽车电机和车轮，并利用有限元分析方法对汽车底盘结构进行设计。因此，折叠底盘结构在行驶过程中全部由电能控制，不向外界排放污染物，非常环保。近十年来，研发人员在设计汽车底盘时，主要采用较为传统的方法来设计底盘的尺寸和结构，或直接依赖新能源对底盘进行有限元分析和计算，由此带来的底盘设计难题是不可避免的。底盘是汽车最基本的部分，几乎所有的零部件都必须安装在底盘中，因此它必须承受汽车及其零部件的所有重量、载荷和工作[3]。因此本文设计了一种新型汽车折叠底盘分析方法，旨在满足新能源汽车的节能减排要求。

1 新能源汽车折叠底盘结构分析方法设计

1.1 构建新能源汽车底盘折叠结构模型

汽车的设计和生产是一个非常复杂的过程，汽车的每个部件都可以作为一个单独的模块独立开发。每个模块都形成了特定的市场规模。汽车的各个部件经过模块化拆卸后，会形成许多相对独立的模块，这些模块是独立的，可以并行运行[4]。此外，在模块拆解后的设计和生产中，每个模块只需要承担自己的风险，因此提高了汽车整体的抗风险能力。

最终将具有各种功能的汽车模块组合在一起，形成理想的汽车产品。折叠车分为车架模块、集成轮毂模块、集成车身模块和电控模块。考虑到各部件之间的装配和运动干涉问题，折叠车的尺寸主要由微型车的尺寸和MIT城市车的设计尺寸来确定，其功能由两个液压杠杆实现，基于此，设计的折叠车参数见表1。

表1 折叠车参数

由表1可知，前车身采用头盔式的设计方式，不仅使被动安全性提高，而且方便乘员上下车，更能节省空间。在运动结构和车身尺寸确定后，开始对折叠车进行实体建模和运动仿真[5]。运用三维建模软件UG建立了3D模型零件图并进行装配及运动仿真，从而确定汽车的折叠功能，基于此设计的折叠汽车模型如图1所示。

图1 折叠汽车模型

由图1可知，为方便底盘的安装和制造，新能源汽车的车轮采用一体化设计理念进行设计，将电机、定位参数、悬挂系统和制动系统都集成在车轮中，使结构更加紧凑[6]。整体轮毂设计具有结构紧凑的优点，安装位置旋转角度小，易于设计、生产和维护，大大降低了使用成本，由于车身的非弹簧质量大，对外界激振响应慢，整车的操控性差，基于此，设计出的集成化车轮如图2所示。

图2 集成化车轮

根据图2的集成化车轮，在折叠汽车实体模型建立后，为了了解本设计对于停车时节省空间所发挥出的效用，引入折叠效率的概念，折叠效率公式为：

F=(L0-L1)/L0×100%

(1)

利用该公式，可以对折叠汽车折叠功能的优劣作出评估，折叠后，整车长度和传统汽车宽度相当，可以横停在传统汽车停车位上。这样一个传统汽车停车位能停4辆本设计中的折叠汽车，可节省大量的停车空间。

1.2 基于有限元模型分析新能源汽车折叠底盘受力

折叠汽车的底盘受力问题对其设计有重要意义，因此本文设计的方法使用了有限元模型来精准地分析此时新能源汽车的折叠底盘受力情况[7]。有限元指的是自由裁量权，可被视为有限且足够小的元素集，这些元素之间通过节点进行连接，如果节点处的受力情况发生改变，会产生节点位移排斥现象，基于此，可以使用有限元模型，建立每个节点受力的线性代数方程来分析每个节点的受力情况。

使用计算机进行有限元分析指的是将建立的三维模型离散化，将结构的实际载荷施加到其离散后的各个节点中，通过相应的处理软件进行划分，得到划分单元，然后定义材料属性，施加载荷，最后求解结构的整体刚度矩阵，建立各个划分单元的平衡方程和线性求解代数方程，计算每个节点的位移，计算每个节点的应力[8]。在进行有限元分析之前，首先要确定汽车底盘各部分的受力。由于新能源汽车没有传统动力汽车的发动机、变速器和动力传动系，电机采用轮式电机，因此在分析荷载时应根据实际情况确定，此时的参数值见表2。

表2 额定参数值

根据表2的额定参数值，设计此时的折叠底盘受力有限元分析公式，如式(2)所示。

(2)

在有限元分析公式中，新能源汽车的底盘采用折叠式车架安装。此时车架的分析分为三个步骤，第一步，进行刚性分析，第二步，分析此时的静强度，第三步，再进行模态分析。由于新能源汽车的车架由前后车架的重叠部分组成，因此在分析前需要对它们进行网格划分，并定义前后车架重叠部分的接触面，从而准确描述零件之间的传递力。分割网格时需要注意的问题有几个，第一是原始模型的简化，第二是元素类型的选择，第三是元素数量的控制，第四是网格类型的选择，最后是组件之间连接类型的处理以及载荷的应用[9]。

有限元分析中使用的框架单元一般分为三类，即梁单元、板壳单元和实体单元。在分析中，可将框架简化为空间链接结构，将梁单元来代替框架的整体结构。这种分析方法的优点是有限元模型简单，单元数少，不用消耗过多的计算机资源，且其计算速度快，此时分析框架的空间结构已经得到了简化，车架的结构过于简单，难以实现汽车底盘的处理。因此，使用这种方法分析时会产生应力集中现象，导致局部应力响应效果不理想。

框架的有限元分析最常用的单元为板壳单元和实体单元。板壳单元具有精确性，因此其可以直接反映纵横梁、局部加强板和各种辅助支架的连接方式，解决了汽车底盘模型不易模拟的问题。此外，该单元还可以生动和准确地反映现实世界的应变力和应力条件，动态地分析汽车底盘框架[10]。使用实体单元进行框架有限元分析时，具有占用计算机内存大，计算周期长的缺点。在实际工作中，网格是按实体划分的，如果网格划分不正确，很容易在计算过程中出现内存溢出等问题，导致有限元模型分析计算程序的强制终止，因此，本文设计的有限元模型采用板壳单元和实体单元相结合的方式来模拟汽车底盘的框架结构。

建立的有限元模型应具备良好的经济性和超高的计算精度。显然，有限元模型建立得越完善，其计算结果就越准确。但是，有限元模型并不是越复杂越好，这是因为，有限元模型的复杂程度与有限元模型的精度不成正比。复杂的有限元模型在预处理、数据准备、计算时间和处理上浪费了大量的人力和物力，大大增加了计算成本，基于此建立的模型如图3所示。

图3 有限元模型

由图3可知，车架部分主要由纵梁、横梁和杆板组成。两根纵梁是汽车载荷和扭转力的主要承重构件。本文基于有限元模型分析，认为新能源汽车的应力状态是复杂的，在实际应用中，拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种组合的复杂应力状态，可以使前后车架通过滑轨分开连接，提高底盘的最大承受力。在设计底盘受力时，要在反映结构力学特性的前提下，使有限元模型尽可能简单，节省计算时间，更好地反映底盘结构特性。

在建立有限元模型分析新能源汽车折叠底盘受力时，本文考虑到有限元模型需要实现自由度最大的目的。如果自由度较低的有限元能够满足计算要求，那么就没有必要刻意选择自由度较高的单元。因为增加有限元类别与底盘受力精度有关，所以会提高计算精度，减少计算时间。确定使用的有限元类型后，如果有限元节点数量较多，分析新能源时会自动将有限元节点数量减少。拆分底盘受力时，本文考虑到有限元模型中的网格的大小会影响计算精度，增加计算时间，因此在研究时，需要将有限元模型的网格进行紧密划分，保证其拥有超大内存，单个文件大小达到1 G以上，可以不断调整网格尺寸，控制文件大小，实现新能源汽车折叠底盘受力分析的精准化操作。

1.3 进行模态分析

模态分析是折叠汽车结构分析的核心步骤，经验表明，在进行更详细的动态模拟之前，应先进行折叠底盘的模态分析。模态分析决定了折叠结构的载荷量，经过动力学分析，发现新能源汽车底盘结构在各种动载荷下的响应状态会影响实际应用中部件的运行效果。因此，在设计汽车底盘时应避免共振，共振会在整个汽车底盘结构中引起噪音，在严重的情况下还会损坏机械零件。因此在进行分析时，需要了解机械结构的固有频率，采取相应的措施来防止汽车底盘在一定频率下发生共振，从而减少因共振造成的不必要的损失，因此，在模态分析时，需要求解所需的控制参数，如式(3)所示。

{M}{δ}+[C]{δ}+[K]{δ}={p}

(3)

公中，{M}代表此时的质量矩阵；{δ}代表节点矩阵；[C]代表底盘阻尼；[K]代表底盘刚度；{p}代表载荷。车架底盘的振动特性与其固有的频率密切相关，但如果外界对车架的激励值接近框架的固有频率，即使激励幅度不大，也会引起较大的共振效应从而导致车架损坏。静态分析的有限元模型可以将共振参数从载荷约束中移除，从而进行后续的模态分析，分析结果见表3。