电动汽车车身结构设计与轻量化策略

2022-05-06王伟博

科学与信息化 2022年8期

王伟博

长城汽车股份有限公司河北保定 071000

引言

民众经济能力持续提升，以及各地技术文化交流和贸易往来日益频繁等诸多原因，促使人们的出行频率越来越高，同时也促使汽车使用量急剧增加，燃油汽车在使用过程中的气体排放，会造成一定的大气污染，从而对当前的自然生态环境建设造成负面影响，因此，世界各国开始倡导民众使用电动汽车。为了更好地满足民众对电动汽车续航能力和其他功能方面的要求，设计人员将如何优化电动汽车车身结构设计和促进车身轻量化发展作为汽车设计的研究重点。

1 车身轻量化的现状和前景

行业内汽车轻量化主要是尽可能降低汽车重量，提高汽车动力，以最大限度降低燃料消耗。进行汽车轻量化设计的前提是保证汽车有足够的强度和安全性。随着时代的发展，环境问题已经成了越来越多人关注的重点问题，相关的工作人员需要从各个层面出发来满足环境保护及节能减排的需求，最大限度降低汽车制造以及汽车使用过程中造成的污染。要重视环境保护与节能减排，从各个角度出发做好项目研究，让汽车轻量化可以真正意义上发挥其对应的效果。相关的工作人员要明确工作的重点注意事项，让工作的优化可以进行得更加彻底。研究人员可以从4个方面着手来做轻量化技术的深入分析，分别是电驱传动总成轻量化、车身轻量化、零部件轻量化、电池轻量化[1]。其中，车身轻量化是需要重点考虑的一个内容，因为其重量占比是最大的。技术人员在进行车身设计的过程中，需要考虑安全性以及制造成本，要根据车辆的强度、高度要求来做深入的研究。车身轻量化包含了不同的方向，比如工业轻量化、材料轻量化、结构轻量化。要尽可能在保证同等力学特性的情况下降低自重。现在汽车行业整车CAD技术有了非常长远的发展，所以在进行汽车结构优化的时候，要重视轻量化研究本身的意义所在，做好深入的研究，根据车身结构造型的特点，做好小型化、集成化设计。零部件方面则要做好中空化、薄壁化设计。

不同的设计方法对应着不同的目的和功能。当一辆汽车的车身覆盖件以及车身骨、架重量都得到克制和压缩的时候，车辆的轻量化就能取得阶段性的进步。企业在研究的时候要从更长远更全面的角度出发，做更深入全面的考虑，做好生物的改造和改良，尽可能减轻材料本身的重量，降低车重。目前来说，汽车轻量化设计最大的问题就是在轻量化的同时降低了车辆强度高度，使其使用性能和安全性大打折扣，得不偿失，在整体优化上存在着缺陷。设计人员在结构设计时必须解决轻量化和安全性的冲突，使用密度低、强度高的材料，让汽车的性能得到有效保障，也让汽车的重量得到有效调整。要根据汽车的特性，选择合适的高强度钢材、复合材料、新型材料或者低密度合金材料、塑料材料。要根据汽车不同结构或零部件的应用环境和需求选择适用的材料。

实际设计制造时，轻量化材料降低了汽车重量，能够给予汽车更好的续航能力。轻量化材料需要得到更进一步的研究和发展。但是很多企业和研究单位在工艺能力试验中上都有种种限制，开发成本非常高。

现在很多品牌都在着眼于汽车轻量化的内容，但是还是有诸多困难无法完全突破，需要有专门的研究人员合理开发引进先进工艺来进行加工，才能让汽车在重量减少的同时，汽车的材料得到有效保障，在保证汽车结构稳定性的前提下，使各个方面力学性能都能满足要求。行业内最常见的工艺是使用激光或者连续变截面轧制作的方法，搭接不同材质和厚度的材料，将其组合到一起，发挥各自材料的特性，并投入实际生产使用。《中国制造2025》明确指出了低碳化、智能化、信息化是电动汽车未来发展的方向，国家非常倡导在轻量化材料以及动力电池方面的研发。而在进行相关研发的时候，也要重视整车的体系创新，从整体的角度着手实现技术的超越[2]。

2 纯电动汽车车身轻量化发展具有必要性

我国目前非常重视绿色技术创新体系，鼓励新能源汽车的发展，希望从各个方面着手来壮大节能产业。所以汽车行业也需要从社会效益、经济效益的角度出发，向节能环保的方向靠拢，研发低能耗、低排放的汽车类型。

纯电动汽车属于新能源汽车，是未来发展的大势所趋。和传统汽车相比，纯电动汽车有不同的特性和特殊的结构原理，实际使用的时候会因为电池技术受到一定的制约，所以续航里程会因此受到比较大的限制。相关的研究技术人员需要从各个方面着手来解除限制。汽车轻量化是一种可行的发展方向，当汽车本身的重量越轻，即可行驶的距离就会越远，能源消耗也会越少。

纯电动汽车会用到锂电子电池作为电源，但是在实际应用中能源利用率只能达到理论上的20%～30%，这里面还有巨大的进步优化空间，想要让续航能力满足要求，就需要注意做电池系统的优化。电池系统重量非常重，有的高达整车重量的30%～40%[3]。和传统燃油车相比，电动车同样尺寸的情况下会重很多。燃油车行驶的时候消耗燃油，车体的总质量会因为燃油的减少而降低。纯电动车的质量是不会因为行驶而发生变化的，电池组的重量也是恒定的，所以如果电池组的重量过大，会大大影响汽车的续航能力。相关的工作人员在进行研究的时候，需要结合电池组的具体情况从各个方面出发来优化电池，降低电池重量，达到汽车轻量化的目的。然而到目前为止，电池组的优化还找不到重大突破的契机，不能大幅降低电池组本身的重量，所以汽车的减重也会受到限制，汽车轻量化措施不能只是从传统简单意义上来考虑，而轻量化技术也要进一步提升才能满足现阶段纯电动汽车的要求。

相关的工作人员在设计的时候要注意从轻量化的根本目的出发，一方面保证汽车的性能，一方面减轻重量。确定目标之后，根据零部件和车身结构的强度、刚度要求，做微观上的调整，分析不同零部件可以优化的空间，做好状态模拟以及力学分析，深入计算，再结合工程制造成本效益等各方面的因素来确定可以投入实际使用的生产工艺。技术人员要持续不断地做轻量化研究，这是保证纯电动汽车发展的关键。要明确车身轻量化的优势所在，降低成本，才能最大限度地提高性能，满足市场需求，让电动汽车有更广阔的应用空间。

3 车身结构设计

3.1 主体构架设计

在进行汽车设计的时候，首先要关注主体构建设计，完成主体构架的初步定稿。使用计算机技术来计算，使用拓扑优化来保证汽车的车身主体结构更加科学。要注意支梁和悬臂梁的设计重难点，考虑其实际使用时可能因为承受原因而受到的损害，做好科学调整。

3.1.1 环形结构。在进行车身主体设计的时候主要会用到环形结构，由X、Y、Z向环一起构成。另外还存在着隐式环形结构和立体环形结构。立地环形结构包括11环，包含机舱前下纵梁、前围下横梁、A柱、减震器固定座、轮罩加强板等[4]。隐式环形结构则有12环，包括了车身梁架、底盘、后副车架等。这一系列的环形结构组合起来，是保证电动汽车性能的核心，可以让汽车拥有更好的弯扭刚度，让车身向着轻量化的方向更进一步。

3.1.2 力的传递路径。在进行设计的时候要注意力的传递路径可能给不同部位带来的影响。技术人员要做好电力研究，以此来决定在某一些特定区域用什么材料，让材料可以更好地发挥出使用效率和使用效果，不要出现无意义的浪费[5]。在应力集中的地方要使用强度更高的材料，在其他应力分散的地方使用较薄的材料。在材料选择用量和质量方面，需要根据不同部位的要求来做针对性的取舍。注意力的传递路径分析，对于承重部位要做好防护，打造一个科学的地传递路径，保证遇到突发事件的时候可以尽可能给予车内司机和乘客更好的保护。

3.2 车身结构设计

注意在设计主体构架的时候，要从实际情况出发，做更全面的安排，保证主体构架足够合理。要遵循三维数据的参考，一步一步地做好设计工作。可以先做好典型断面2D设计，然后建立3D数据模型，以更直观的方式来分析汽车工艺的可行性，并做好评估[6]。设计的时候，要参考不同区域不同形式的特点，根据典型断面的位置来做设计优化。

3.2.1 顶盖后横梁位置。在设计的时候，一定要考虑人机因素，要让车身结构能够和人机需求同时得到满足。考虑协调和避让策略，结合性能优化以及轻量化的内容做综合判断。

3.2.2 门限位器位置。要让翼子板躲避门开启的固定结构，设计好门的形式与运动尺寸，配合安装。

3.2.3 门上铰链位置。要考虑翼子板、门的密闭形式、铰链的固定方式，从多个角度出发来做好搭接工作，要让门上铰链的位置足够科学合理。

4 车身轻量化策略

4.1 应用新型工艺

研究人员要随时了解新型工艺的内容，合理使用新工艺，选择好新型轻量化技术。可以通过新型技术手法连接多种材料，并按照预期设计成型，将其融合成一个可以投入实际使用的整体，然后达成轻量化优化的目的，并满足车辆的相关需求[7]。

4.2 使用新型材料

目前来说，电动汽车还在一个发展的阶段，相关的工作人员要结合实际需求寻找合适的材料，然后将其投入实际应用。在进行轻量化改造的时候，要根据应用特性选择质量达标而重量更轻的材料。市面上的钢铝混合材料就是一类比较实用的新型材料[8]。它可以运用在复合翼子板、背门、车盖等地方，而整体的减重可以达到15%，有非常好的表现特性和减重效果。