纯电动客车的轻量化设计

陈宗和

摘 要：随着汽车工业的迅猛发展，汽车保有量快速增加，对节能减排的要求愈来愈迫切，汽车轻量化这一课题应运而生。从国家层面来看，发展汽车轻量化技术关系到国家的能源安全、环境保护的问题;从专业技术方面来看，发展汽车轻量化技术已经成为汽车企业提高核心竞争力的重要手段。鉴于此，本文主要分析纯电动客车的轻量化设计。

关键词：纯电动客车;轻量化;设计

1、引言

轻量化是指在确保汽车的主要力学性能（如强度、刚度、模态等）达到设计要求的情况下，通过对车身结构进行优化设计以及采用新型材料等手段来有效地降低整车的重量。对于传统的燃油汽车而言，轻量化有助于降低油耗，从而缓解能源短缺的问题;对于新兴的纯电动汽车而言，轻量化可以有效地提高纯电动汽车单次充电后的续驶里程，从而提升它的使用便利性。汽车轻量化是一个综合性的研究领域，我们可以通过开发和使用新型的材料、对原结构进行优化设计、采用新型的制造工艺等多种方法来达到这一目标。

2、国内电动客车轻量化现状

作为全球第二大电动汽车市场的中国，政府对电动汽车市场高度重视，并且给予政策上的鼓励推动，这使得近几年国内电动汽车的产销量实现了快速的进步。2014纯电动汽车的销量为45048辆，而2015年销量增加到147482辆。电动客车制造企业方面，从本世纪初开始，多家客车企业（如安凯客车、中通客车、宇通客车、金龙客车等）引进国外的电动客车制造技术理念，积极投入研发，在该领域快速地发展壮大。全国六米以上新能源客车2014年产销量都超过28万辆，这说明国内客车企业步入了高速发展阶段。国内各大高校对纯电动汽车轻量化开展了深入的研究。

汽车车身骨架结构是整车的主要承载部件，骨架质量在汽车整备质量中的比重占30%～40%，因此一直以来提到汽车轻量化就是指车身结构的轻量化。对电动汽车来说，减轻车身结构的质量显得更为重要。因为动力电池组的质量过大而使得汽车整车质量过大，这将直接导致电动汽车的动力性和续驶里程不敌传统汽车，故在动力电池技术轻量化获得重大突破之前，车身结构轻量化依然是汽车轻量化的重要途径。

3、车用轻量化材料

3.1、高强度钢板

在大量汽车的生产过程中，高强度钢板的使用最多。在国外，通过运用高强度钢、超高强度钢等，已经取得了很好的轻量化效果。目前在国内，在钢材的开发与应用方面取得了较大的发展，但还没有形成完整的产品系列化，其中有待解决的主要问题有钢材表面质量、尺寸误差工艺性能不同等。

3.2、铝、镁合金

车身零件、部件选用铝合金制造，其优点是密度小、单位重量的材料具有更高的碰撞能量吸收率、具有更好的导热性。铝合金制造的难点是焊接性能差，用于制造车身构件还存在成本高，要进行特殊的防锈处理等缺点。因此，铝材料在车身上的应用受到一定限制。尽管镁合金现在在汽车上的应用并不多，但预计将来会有明显的增加，因为镁合金是当前在用的最轻的结构金属，其比铝合金有更高的强度-密度比且碰撞吸能好。

3.3、塑料

由于塑料质量轻、工艺简单等特点，目前已成为减小质量、降低油耗、提高动力性的主要方式之一。虽然塑料价格比钢铁高，但焊接点却可大大减少，同时装配工艺可以大大改善，充分显示出塑料的优越性。

在国外，奔驰公司某些车型的塑料用量已达110kg，奥迪公司Audi100Ⅲ型为140kg，亚菲特公司在新产品汽车上的塑料用量已占整车质量的10%。美国通用公司的Convair分部为重型货车研制了一种玻璃纤维、石墨和环氧树脂构成的复合材料制成的槽型纵梁，其刚度很强度均与钢梁相似，而质量却减少了70kg。

4、纯电动客车的轻量化设计

4.1、车身结构轻量化设计

（1）顶盖骨架轻量化设计

1）闭环设计。尽可能不断开车顶横梁并使其贯穿于整个车顶，布置横梁时应尽量使其与侧窗立柱对接，这样，就能使车顶横梁、侧围立柱及底架横梁形成封闭环，从而很好的对整车在运行过程中所产生扭转载荷进行传递，并且可直接传递左侧和右侧所产生的力，而不使附加载荷产生于车顶内。

2）横梁、纵梁的尺寸。就车顶各构件在承载中的贡献度而言，其纵梁的贡献度相对较低，所以可以适当减小纵梁的尺寸。车顶横梁尺寸可适当地进行增加，从而使其抗扭能力和抗弯能力得到提升。

3）三角形结构。从顶盖骨架的优化结果中可以看出，拓扑优化出了个别三角形，在实际中就稳定性而言，三角形更优于其他的多边形，与此同时，车身骨架的三角形结构越多，其刚度就会越大。

4）便于制造。优化结果中部分材料显示构件是弯曲的。因为在车身骨架结构实际生产制造中，加工直杆要比加工弯杆更容易，因此，要尽量使用直杆，从而使车身骨架在可制造性上得到较好的满足。

（2）侧围骨架轻量化设计

1）右侧骨架

考虑到力的传递路线、可适当增加斜撑的高宽比、删除一些不必要的杆件等，根据优化结果，利用立柱或斜撑来改善腰梁的受力情况，删除一些不需要加强的部位处的杆件。在改进设计时，要充分考虑城市公交客车的一些特点：乘客乘坐时间短，客流不均衡，上下车频繁，超载严重。对车身侧围骨架，尤其是车门两侧的骨架强度重点关注。

2）左侧骨架

考虑到斜撑、窗立柱设计，整体设计以及成本问题。改进设计左侧围的过程与右侧围大致相同。

4.2、底架轻量化设计

（1）满足总布置需要。底架的结构形式首先应满足汽车总布置的需要。汽车在道路上行驶时，路况复杂多变，各种载荷会使得底架产生弯曲变形和扭转变形，若一侧车轮出现悬空或抬起的情况时，底架还可能扭曲成菱形。由于这些变形，会致使安装在车身底部的各部件间相对位置发生变化，这样会影响到各部件的正常工作。所以，底架应该具备适当的刚度和足够的强度。

（2）合理布置杆件位置和数量。通过焊接结构尺寸比较相近的小截面冷弯型的钢杆件，构成该客车的全桁架式底部骨架。对于这种空间桁架的结构，合理地布置其杆件位置和数量，可以很好地使整车的力流进行传递，并使杆件的应力得到调整，从而达到等寿命、等强度设计的目的。

（3）改进优化结果中一些不合理的局部部分。在拓扑优化之后，就单元密度的优化结果而言，还存在一些中间值，并不全都是“1”或者“0”。在处理过程中需考虑应力等因素，删除多余的材料或在需要材料的地方进行补充，这样才不会浪费材料，并保证结构受力时的协调性。

5、结束语

汽车车身所占汽车总质量的比重约为40%，在空载条件下，车身质量上的油耗约为70%;车身制造成本占整车制造成本的比重超过50%。统计数据表明，车身质量每减轻1t，用户每年将会增加10万元的净收益。随着车身质量的减小，其作用在动力系统及悬置上的载荷也会随之减小，那么就可以改善总成的受力情况。因此，车身结构的轻量化对减少汽车自重、提高整体燃油经济性和整车性能、减少污染物排放、降低制造成本等至关重要。由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

[1]张琼，李晓光，鲁飞，牛海侠.纯电动客车铝合金车身骨架多目标轻量化设计[J].黄河科技学院学报，2020，22（02）：33-39.

[2]吳兵.某纯电动客车车架轻量化研究[D].湖南大学，2017.