新能源汽车底盘的三维设计研究

摘要：随着新能源汽车的面世，其底盘的三维设计面临着改朝换代，是沿用传统汽车的底盘，还是摒弃重新开发。这一切的未知都等待着人们去研究。从新能源汽车底盘结构、电池组布置、底盘轻量化、底盘改装布置设计注意事项等简要描述了新能源汽车底盘的三维设计思考。

关键词：标准化；科学调整；电池分散；轻量化

当今时代，最炙手可热的话题可谓是是绿色环保。这是一种趋势， 汽车行业也只有顺应才能生存。现有的汽油柴油作为燃料中，化石燃料是不可再生的，总有用完的一天，所以人们一直在寻找可替代的能源，同时，燃油汽车的排放问题一直是诟病，而且如今的尾气转化催化剂的研发也遇到了瓶颈，短期不可能有较大的突破。寻找新能源迫在眉睫。经过人类的不断探索，确实发现了一些，其中包括了纯电动汽车、燃料电池汽车、氢能源汽车等。它们可谓各有优缺，氢动力汽车以其极高的燃烧效率和无任何污染的排放闻名，但是提取氢气这个过程成本太大，目前尚未攻克，而且氢气在运输和存储方面还有许多问题亟待解决。所以目前并未大力推广，还仅仅停留在研发的阶段。所以，本文所讲的新能源汽车也特指纯电动汽车和燃料电池汽车（燃料电池汽车是电动汽车的一种，所以下文都以电动汽车代之）。相应地，电动机代替了传统的燃油机， 将改变整辆车的设计，包括新能源汽车的重要部分底盘。

1 新能源汽车底盘设计

传统内燃机汽车底盘由行驶系统、传动系统、悬架系统、制动系统和转向系统构成，并考虑到安全性等要求，需另外加强车体结构设计， 从而导致底盘结构十分复杂。而电动汽车可以一定程度上简化底盘，它将传动、动力和控制及悬架系统全部集成一体，不需要变速箱、发动机等原有机械结构，这样一来底盘的设计就变得相对容易，便于标准化，同时还可以变得更加紧凑，节省了车辆大量空间，便于布置其他电器化设备。总体来说，新能源汽车底盘设计的变化主要体现在以下几个方面：①沿用了传统汽车底盘设计平台，节省了不必要的新平台研发成本。在设计底盘过程中，尽可能沿用之前的汽车构架，同时汽车底盘上的一些电子回路不变；②弃用不适于新能源汽车底盘的发动机。因为动力系统发生了根本改变，电动机取代原本的发动机，所以，原有构架需全部重新布置。完成每个子系统中的零件设计后， 还需根据相关结构设计悬挂系统， 通过运用CAE分析， 计算出合适的悬挂强度， 同时尽可能减少行驶时底盘的噪音。一旦悬架系统出现问题，则需找到问题并重新设计。设计师需要统计同一方案中底盘新增部件的质心位置和重量，以此作为参考分析底盘的质量分布，并校验原有悬架系统的可靠性，如果仍存在问题，则应重新设计或更改系统的设计参数。设计完成后利用Adams 软件分析修订后的底盘轮毂的定位参数，以此作为参考评估现有设计方案。从总体上而言，燃料电池汽车的底盘设计有很大的优化空间，前景可观（见图1）。



1．1 新能源汽车底盘结构

电动车相比于传统燃油汽车底盘结构有较大不同，所以需要重新设计，这其中可以前后各设置一个电机， 去掉变速箱和离合器，电机动力通过传动轴传递到主减速器，其整体结构（见图2）。



该设计方案用电动机替代原来的发动机和变速器，不仅减轻了重量，同时还提高了电动汽车的传动效率。前后双置发动机在保证提供足够动力输出的前提下，前后动力分配也更为均匀，充分利用了空间。但是也存在一些缺陷，比如电动机的控制变得较原来内燃机结构复杂，没有变速器之后汽车的运行操控性和稳定性下降，而且前后动力输出也有可能存在不同步的问题等。

1．2 电池组的布置

相比于传统内燃机车，新能源汽车将原有的内燃机改成了电动机，电池组也替代了油箱，这看似一等一的替换其实并不等效，就那电池组和油箱而言，电池的能量密度肯定不如汽油，一箱50L 的汽油大约可以跑600KM，而目前拥有最先进电池技术的汽车厂商特斯拉同样续航能力有500KM，而他的电池组却重达0．9 吨（ 含电池包外壳）。这也就是说原来50L 的汽油现在要用0．9 吨的电池所代替，所以电动汽车不得不把电池组平铺在底盘上方，这意味在相同车高和离地间距的条件下，车内空间高度会减少，也就是驾驶者和乘客的头部空间会减少。唯一的解决方案可能就是调整座椅的角度， 这样一来， 人的驾驶感受必然会打折扣，所以必须合适的摆放。这期间，又要考虑到安全性， 不仅要与人隔离，而且要考虑到碰撞、雨水、高温等恶劣条件下正常工作。同时，还要考虑到更换的问题。所以，电池的摆放应该尽量分散，给传动轴和发动机等装置尽可能腾出空间（见图3）。



电池分散放置可以尽可能让所有零件处于同一平面，很大程度减小了底盘的纵向高度，为车内腾出更大空间，提供更好的驾驶体验。而且分散放置可以有效减小过度碰撞造成危险（电池之间的隔层可以放置缓冲材料），而且四块电池并联，即使其中一块出现故障，其余电池也不会受影响，仍能行驶。但是同样的将分散的电池统一输出也比一整块电池麻烦的多，会一定程度上加大电池的维护成本，不是很经济。

1．3 底盘轻量化

由于新能源汽车电池占据了很大重量， 约占整车的30％， 约70％的能源损失在汽车车身上。因此，实现汽车底盘控量化不仅可以有效提高新能源汽车的能源效率，而且能够提高新能源汽车的驾驶性能。底盘零件当前实现轻量化的主要途径为结构优化设计、先进材料和先进制造工艺的应用。结构方面包括零件形状、尺寸优化和使用空心零件结构等途径实现减重。材料方面主要有两种：一是通过使用铝合金和镁合金等轻质合金材料代替钢质材料；二是使用更高强度的钢板，通过材料强度减薄厚度实现减重。工艺方面包括使用液压成形、热成形等先进成形工艺降低零件重量（见图4）。



1．4 底盘改装布置设计注意事项

电动车底盘的设计是在传统底盘的基础上对系统进行重新规划， 由于这是一个全新的领域，为了尽可能提高底盘的可靠性，应该着重考虑：①蓄电池组应该尽可能安放在底盘质心，这样可以提高车辆行驶的稳定性，同时靠近主减速器，减少传递动力过程中的能量损耗；②电池架应设计得便于蓄电池的安装、拆卸和检查；③有选择性的沿用传统底盘的一些可靠结构，减少新平台的研发成本，提高车辆行驶、转向、制动能力。

2 结论

新能源汽车目前还处于发展阶段，所以还有很多需要改进和完善的地方，尤其是在汽车底盘的三维设计方面。我国现在大部分新能源汽车仍然沿用传统发动机汽车的底盘，固然这省去了不小一笔研发费用， 但终究不是长远之计，最后还是会被国外先进技术所吞噬。所以唯有潜心打造出真正适合电动车的底盘才能在今后的汽车市场立足。