纯电动汽车车架优化的发展趋势简述

摘要：随着国家新能源汽车政策的推行，纯电动汽车市场占有率越来越大，但是，大部分电动汽车仍然沿用传统燃油车的车架，因此需要对车架进行优化。目前纯电动汽车车架的研究主要集中三个方面：一方面是电池布局对电动汽车车架性能的影响分析，选择最佳的电池布局方式有利于提升车架的力学性能；另一方面是电动汽车整体结构对车架的影响和优化研究，使车架更适合电动汽车的系统布局，同时具有适宜的刚度和强度，保证汽车的安全舒适性能以及车架的疲劳寿命；还有车架轻量化研究，提升纯电动汽车的动力性和续航里程为目标。

关键词：电动汽车　车架优化　发展趋势　轻量化

1  传统燃油车车架

车架是汽车最为重要的承载部件，一般由两根纵梁和数根横梁组成，经由悬挂装置、前桥、后桥支承在车轮上。车架的功用是支撑、连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，在行驶过程中，车架不仅要承受汽车各个总成的质量和有效载荷，还要承受行驶时所产生的各种静载荷和动载荷[1]，因此，其结构和性能对传统燃油汽车的操作稳定性和乘车舒适性等都有重要的影响。早期出现的车架，是两条纵向的主粱上焊接大小不同的副横梁所构成，像一条平躺着的梯子，直至上世纪 60 年代，这种梯形车架仍然被大部分汽车所采用。但是由于钢骨设计的车架必须通过电弧焊焊接主梁和副梁，加之笼式结构也无法腾出较大的空间，造成了制造工艺复杂、无法大量生产之外，也不适合用在强调空间感的车，因此，梯形车架在一般小轿车上应用的情况越来越少，车架开始呈现出多种多样的形式，可以分为：梯形车架、一体式金属车架、脊梁式车架、碳纤维车架、大梁式车架、桁架式车架以及承载式车架等。大梁式车架的优点是构造简单、容易开发，生产工艺要求较低，而且钢梁具有很强的抗扭强度和承载能力；承载式车架将车架和车身二合为一，质量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产，故大梁式和承载式是车架当中的主流车架形式。

2  电动汽车车架

随着能源消耗逐渐增多和环境问题变得日益严峻，纯电动汽车成为传统燃油汽车最主要的替代品。纯电动汽车和燃油车相比，最大的差异是采用新的动力传动系统，增加动力电池系统，电机和减速器总成取代了燃油车的发动机和变速器总成，故电动汽车的结构布局需要在原有的基础上面做出相应的调整以适应新的动力系统，但是为了缩短开发周期和节约成本，大部分新能源汽车沿用了传统汽车车架结构，那么如何结合新能源汽车的特点，对新能源汽车的车架进行优化成为了一个新的研究课题：首先，燃油汽车的结构布局主要围绕乘员和动力总成，电动车在布置时除了关注乘员和动力总成，还需要考虑动力电池、悬架在车架上的布置。其次，车架主要用来缓冲凸凹不平的路面给车辆带来的震动以及避免在碰撞工况下动力电池承受过大的载荷，因此要保证车架有足够的刚度和强度。最后，在保证车架的刚度和强度下，还应该考虑车架的轻量化，降低整车的质量，增加电动汽车的续航里程。总的来说，新能源电动汽车车架和传统油车车架的功能相差不多 , 但新能源电车车架结构更为复杂。

3  电动车汽车车架优化趋势

在国家政策的推动下，对于传统汽车厂而言，在自产的传统燃油车的基础上进行油改电的产品是成本低、周期短、成效快，部分的电动汽车直接沿用了传统燃油车的车架，车身做适应性改进来放置电池和电机，但是这样只能保证电动车的基本功能，性能则乏善可陈，因此，可以从以下三个方面进行优化，使车架和新能源汽车的性能更为贴合。

3.1　电池分布结构优化

与传统燃油汽车相比 , 电动汽车没有油箱，使动力电池在车架上的布置位置相对灵活，但是动力电池的重量要占到车架承受载荷的 30%，因此动力电池的布局也是优化电动汽车车架结构的关键之一。电池布局的相对位置、质心高度、安全性能、合理分配轴重都会影响到车架的应力分布情况和振动特性，更影响整车的舒适性和操作性，因此在电池的布局中，需考虑以下几个问题：动力电池安放所需要的容纳空间；满载时前、后轴比重要相等；保证汽车通过性良好的基础上，尽量降低质心的高度；便于充电、维修和更换动力电池；与驾驶舱隔离开，防止漏电。目前，市面上大多数的电动汽车取消传统油箱和中央传动轴后，后排地板放平，以形成“滑板式”底盘，动力电池组则可以放置在车厢底板下，整体包裹，既不影响车内的空间，又可以降低车子的重心，让车子的高速的时候具有更好的稳定性；其次，部分电动汽车将动力电池制作成字母“T”的形状，放置在第二排座椅下方，此类布置对车内空间影响较大。除此之外，安全也是优化时需要考虑的问题，有的电动汽车将电池组分散摆放，与乘坐者隔绝，电池组分散放置时接触面积小，可防止多次摩擦或碰撞带来危险，即便一块或几块电池故障，也不会使其他电池的使用受到影响，依旧可维持汽车正常运行。当动力电池的布局发生变化，车架产生位移变形和等效应力的位置不一样且应力和变形值相差较大，因此，电池布局不合理会使车架产生的应力超过材料的屈服极限 , 破坏整体结构 , 电池布局对车架结构性能优化影响较大[2]。

3.2　整体布局结构优化

电动汽车是一个系统，包含了许多子系统，子系统之间越协调越能提升车子的整体性能，因此纯电动汽车车架结构的优化应该以电动汽车总体布局为前提，结合电动汽车的特点，对整体车架进行优化 :首先，电动汽车主要是通过柔性的线而不是通过刚性联轴器和驱动轴来传递能量，因此，电动汽车各系统的布置具有很大的灵活性 : 其次，采用不同的驱动系统、电动机和储能装置也会使系统结构有很大区别，影响电动汽车的尺寸、形状及质量[3]。另外，对车架进行优化时，还应该分析车辆在行驶时车架所承受的各种力，汽车的使用条件复杂，受力情况也十分复杂，随着汽车行驶条件的壁画，车架上的载荷变化很大，而车架纵梁与横梁的截面形状和连接点又是多种多样，这样使得车架承载更为复杂，为满足上述要求，通常车架的优化时：应该满足一定的刚度，以保证车架上的各种零部件之间的距离在车辆正常行驶中变形幅度尽可能的小 ; 同时满足一定的强度，以保证车架的疲劳寿命及耐久性满足要求，车架上的主要部件在规定时间内才不会出现断裂，最后具有适当的扭转刚度，当汽车在不平路面 . 上行驶时，为了保证汽车对路面不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，车架必须具有合适的扭转刚度。但是车架扭转刚度也不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差。因此，通过分析电动汽车的特点，需要在原有的车架上进行优化，满足电动汽车独有的结构要求并充分利用了电力驱动的灵活性。

3.3　车架的轻量化

车架的轻量化是指在确保其刚度性能、强度性能和模态性能满足要求的前提下，采用有效的方法减轻其重量[4]。在新能源汽车总重量中，电池的重量高达 30%，车身与配件占 70%，有实验表明，汽车的车上质量每减少 10%，能量消耗就随之减少6% ～ 8%[5], 若能将车架轻量化，就能够增强车辆动力性和续航里程。就目前来说，可以从三个方面进行轻量化：

3.3.1　车架结构轻量化

在轻量化的研究中，通过结构优化来实现轻量化的方法研发的周期短，成效快，得到了广泛的应用。得益于数学算法和计算机技术的快速发展，结构轻量化已有一套成熟的优化体系，根据实际的问题和情况，建立车架的数学模型，分析车架在多种工况下的弯扭刚度、自由模态、位移及应力等性能，采用一定的优化方法，对车架进行尺寸优化、厚度优化或者打孔以达到轻量化的目的，保证车架性能不减的同时，降低车架的质量，常用的结构优化方法主要有尺寸优化、形状优化、形貌优化、和拓扑优化四种。首先，尺寸优化是最基本的结构优化形式，福特汽车公司就应用尺寸优化方法，减少部件厚度和总质量，实现了车架的轻量化[6]，尺寸优化在不更新几何和网格基础上，仅改变有限元模型的参数，通过调整车架的板材厚度、截面面积来实现减轻质量的优化方式；其次，形状优化是在现有拓扑模式的基础上，改变零部件的几何形状来改善其应力条件，从而减少材料使用来降低质量；再次，形貌优化和形状优化有类似之处，在钣金件上中寻找最优的加强筋分布，利用冲压工艺形成压痕添加加强筋，在满足强度、频率等要求的同时能减轻重量；最后，拓扑优化是根据特定的工作环境和约束条件，对材料分布进行优化，寻找有效的载荷传递路径和最佳材料布局，得到质量最小的结构，比如美国的 Altair 公司对客车的车身进行了拓扑优化，在减少制造成本和增加内部空间的同时，还能够减轻车身 30%的重量[7]。在车架轻量化的研究中，各种优化方法没有明确的应用界限，采用哪种优化方法需要根据特定的情景进行选择。此外，除了以上四种优化方法，通过将车架的结构集成化来实现轻量化，也可以达到减轻质量的目的。

3.3.2　新型材料轻量化

采用轻量化材料对原车架钢材进行替换，是一种效果最为显著、使用最为简单的轻量化方法，从汽车市场现有的轻量化材料来看，可分为四类，第一类是高强度钢材，包括高强钢、先进高强钢以及超高强钢，高强钢具有更高的抗拉强度和屈服强度，在焊接中具有良好的塑性，易于成型，若将高强钢作为车架的主材，车架的强度可比原先提升好几倍，因此，使用高强度钢材取代传统钢铁材料，可以降低构成材料的厚度，及增加材料的强度，从而实现轻量化 ; 第二类是轻金属材料，包括铝合金、镁合金、钛合金等，轻金属材料具有质量轻、耐腐蚀性好、比强度高、流动性好、熔点低好等多个优点，铝合金是当前应用最多也是最为成熟的轻金属材料，主要表现在更高的比强度以及便于加工上，使用铝合金作为汽车的主材，可以在不牺牲安全性的情况下，将汽车的全部总质量减少近 50%；第三类是纤维复合材料，可分为炭纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，纤维具有很多优良的性能，如强度高、耐热性好、抗热冲击性好、热容量小、比重小、抗腐蚀、耐辐射性好、和热膨胀系数小等，可用于汽车前段模板、护板、托盘、支架。在机械强度上，其中碳纤维的强度要远超过钢，但是它的比重不到钢的 1/4，是车架实现轻量化的理想材料，第四类是泡沫金属，作为 21 世纪最具潜力的新材料之一，泡沫金属具有密度低、吸收冲击能力强、比刚度强、抗弯曲度大、隔热性好、隔音性好、减震性好等优势，泡沫金属是在金属中加入添加剂，经过发泡工艺形成的一种复合型金属，由孔隙和金属框架组成，同时具有气泡和金属的特征，目前，泡沫金属在电动汽车的车门、发动机盖罩、行李厢盖、汽车翼子板、保险杠上取代了传统钢材的使用，满足轻量化的需求，并且在强度、韧性以及安全性方面比其他轻型材料具有更多优势，因此未来电动汽车的发展，会将泡沫金属作为主要的制造材料。

3.3.3　制造工艺轻量化

从车架结构的优化到新型轻量化材料的使用，都离不开与之相适应的成型技术和连接技术，采用先进的成型技术将新型轻量化材料加工成型，保证零件的良好性能，避免汽车在发生碰撞、冲击中出现零部件过度变形的情况，如内高压成形制造技术、超高强度钢热冲压成形技术、辊压成形技术、高压铸造成型技术等，每种成型技术都有自己的特点和应用。内高压成形制造技术是将管坯放入模具，利用高压液体填充，使其直径变大成型，用于制造汽车的扭力梁、控制臂和副车架；超高强度钢热冲压成形技术通过热处理高温成型来实现零件的高强度，用于制造前后保险杠、A 柱、B 柱、C 柱加强版等[8]。除此之外，轻量化的连接技术也可以进一步减轻汽车质量，目前，汽车行业采用较多的是点焊和二保焊，这两种焊接工艺因存在强度降低的问题，已不适合焊接新型轻量化材料。可将传统焊接技术换成先进的激光拼焊、搅拌摩擦焊、铆接、胶接、铝合金钎焊等方法。有研究报告显示，至 2030 年，汽车中轻量化材料的应用将会急剧增加，相应的连接技术也将随之变化，点焊将被取代，激光拼焊、搅拌摩擦焊等先进技术将广泛应用于汽车制造[9]。

4  总结

目前而言，传统汽车的车架沿用到纯电动汽车是成本最低，成效最快的方式，但是由于纯电动汽车的结构特性，需要从电池布局、整体布局和轻量化三个方面对车架优化，若将三个方面综合考虑，电动汽车能获得最佳性能又能将车架最大轻量化 , 除此之外，在未来的发展中，还可以对纯电动汽车车架的进行创新设计，更大程度的提升纯电动汽车的性能。