新能源汽車底盤設(shè)計(jì)..

1、新能源汽車底盤設(shè)計(jì)方向朱赤【摘要】本文闡述了底盤設(shè)計(jì)在新能源汽車設(shè)計(jì)中的重要性,并結(jié)合典型實(shí)例探討了新能源汽車底盤的設(shè)計(jì)方向,分析了不同種類底盤的特點(diǎn)與優(yōu)勢?！局黝}詞】新能源汽車底盤整體優(yōu)化設(shè)計(jì)滑板式底盤0 引言美國科羅拉多州的洛基山研究所(RMI首先提出未來汽車的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:不參照現(xiàn)有的汽車設(shè)計(jì)模式;整體化系統(tǒng)設(shè)計(jì);強(qiáng)調(diào)輕量化和高效的制造平臺。整體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念,就是在設(shè)計(jì)汽車的過程中不及僅僅對單個(gè)部件優(yōu)化,更重要的是在設(shè)計(jì)之初對整個(gè)汽車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以降低因動力系統(tǒng)的改變而帶來的連鎖反應(yīng)。新能源汽車作為汽車工業(yè)的未來發(fā)展方向,在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用了大量整體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,尤其在底盤方面,底

2、盤的設(shè)計(jì)與新能源汽車的總布置方案息息相關(guān),與新能源汽車動力系統(tǒng)架構(gòu)及其集成度聯(lián)系緊密,同時(shí)也影響著新能源汽車的外觀設(shè)計(jì)與內(nèi)部空間,是新能源汽車設(shè)計(jì)中極其重要的開發(fā)內(nèi)容。1 簡介底盤系統(tǒng)包含了懸架、制動、轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng),在傳統(tǒng)意義上它影響著整車的舒適性、安全性與操控性,而對于新能源汽車而言,它的影響更加深遠(yuǎn)。新能源汽車的底盤系統(tǒng)需要適應(yīng)于車載能源的多樣性、適用于高度集成的系統(tǒng)模塊,同時(shí)不限制汽車內(nèi)部空間與外部造型的設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)方向縱觀各類新能源汽車,從概念車到量產(chǎn)車,從國內(nèi)自主車型到國際典型車型,底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)朝著兩大方向發(fā)展:一方面以傳統(tǒng)車平臺為基石,根據(jù)需求進(jìn)行局部改進(jìn);另一方面推翻傳統(tǒng)思維模

3、式,創(chuàng)造出全新的理念。2.1 方向一:改制從探索新能源車伊始,很多新能源車是在現(xiàn)有平臺上實(shí)施新的總布置方案。其設(shè)計(jì)思路是被動的,根據(jù)其他系統(tǒng)方案的更改給底盤系統(tǒng)帶來的影響,在原有平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)或更改底盤各子系統(tǒng)。在該思路指導(dǎo)下,傳統(tǒng)車的成熟零部件得到最大可能的沿用,保持底盤框架不改變,制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等在保持工作原理基本不變的前提下做相應(yīng)改變或調(diào)整。 圖1 “改制”設(shè)計(jì)思路沿用底盤平臺沿用原有平臺的底盤構(gòu)架,即副車架不變、底盤子系統(tǒng)工作原理不變。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的取消影響部分底盤子系統(tǒng)因?yàn)樾碌膭恿ο到y(tǒng)取代了原傳統(tǒng)發(fā)動機(jī),新能源汽車的制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)都需要在原有構(gòu)架

4、上做出相應(yīng)調(diào)整。制動真空助力泵失去了真空源,需要增加電動真空泵為其提供真空源,相應(yīng)的管路等零部件需要更改;原動力轉(zhuǎn)向泵因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的取消而無法沿用,需要開發(fā)新的轉(zhuǎn)向動力源,相應(yīng)的管路等零部件需要更改;新動力系統(tǒng)的減速器接口與原車相比發(fā)生了改變,因此傳動系統(tǒng)需要根據(jù)新的輸入信息進(jìn)行更改或者重新設(shè)計(jì)。各子系統(tǒng)零部件更改的設(shè)計(jì)完成之后,根據(jù)總布置的位置與零部件數(shù)模設(shè)計(jì)懸置支架,最后通過CAE分析來確定懸置系統(tǒng)的強(qiáng)度與噪音并做出相應(yīng)的改進(jìn)。總布置的改變影響懸架系統(tǒng)由于實(shí)施了新的總布置方案,前后艙布置內(nèi)容較原型車有重大改變,需要重新計(jì)算整車的質(zhì)量與載荷匹配,來確定原有懸架系統(tǒng)是否可靠,若不可靠需調(diào)整或重新

5、設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)。首先需要統(tǒng)計(jì)新能源汽車相對于同一平臺的原型車新增部件的質(zhì)量與質(zhì)心位置,結(jié)合沿用的原車部件的質(zhì)量與質(zhì)心位置,計(jì)算出新總布置方案下新能源汽車的質(zhì)量與質(zhì)心位置;再通過質(zhì)量與X向質(zhì)心位置計(jì)算出前后軸荷分布;然后根據(jù)質(zhì)量與軸荷來校驗(yàn)原有懸架系統(tǒng)的可靠性,若不可沿用則重新設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)或更改原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù);最后通過Adams來分析懸架的更改對四輪定位參數(shù)的影響,并對懸架設(shè)計(jì)做出相應(yīng)調(diào)整。改制設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是,盡可能的沿用傳統(tǒng)車底盤,根據(jù)需要進(jìn)行部分的改制工作,開發(fā)難度小、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短,并且能夠與傳統(tǒng)車共用平臺,并在很大程度上沿用傳統(tǒng)車的成熟零部件。由于傳統(tǒng)車的設(shè)計(jì)有承載式車身與非承載式

6、車身的區(qū)別,兩種車型在總布置方面區(qū)別很大,它們在新能源汽車設(shè)計(jì)中的所展現(xiàn)的特點(diǎn)與前景也不盡相同。承載式車身由于大部分轎車采用的是承載式車身,所以很多新能源車也沿用了這樣的構(gòu)架,動力總成等部件都需在車身上尋找懸置點(diǎn),副車架原則上不承擔(dān)重量。此類結(jié)構(gòu),使得車身上的懸置設(shè)計(jì)工作變得復(fù)雜,不利于量產(chǎn)化,并需要進(jìn)行大量的CAE分析工作。同時(shí)因?yàn)椴贾每臻g的不規(guī)則,總布置的難度較大。上海汽車新能源汽車事業(yè)部目前已有的幾款車型均采用這類底盤形式,但因?yàn)樵摬块T在整體優(yōu)化設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下,于懸置設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新,推出了集成框架,使得車身懸置集成度大大提高,克服了這類底盤設(shè)計(jì)在量產(chǎn)化上的劣勢。 圖2 榮威750底盤&

7、amp; 基于750的Plug-in燃料電池車這類車型還有很多,如通用汽車的氫動3號是基于賽飛利的構(gòu)架,而Equinox 燃料電池車則是在Equinox原車上做的改裝。 圖3 Equinox燃料電池車非承載式車身現(xiàn)在有很多汽車平臺依然采用非承載式車身,在此類平臺上設(shè)計(jì)的新能源汽車既不需在平臺開發(fā)上投入大量人力物力,且因?yàn)槠涞妆P框架的特點(diǎn)使得該設(shè)計(jì)也符合了整體化設(shè)計(jì)的理念。由于底盤有大梁,形成一個(gè)大框架,且能承重,所以可將動力系統(tǒng)等部件布置于底盤框架之中。該框架結(jié)構(gòu)的空間規(guī)整,可在設(shè)計(jì)初期就整體規(guī)劃各部件的集成度和布置位置,大大降低了總布置的難度,且重心低、車身改制量小。通用汽車于2007年推出

8、的V olt所采用的就是此類底盤結(jié)構(gòu)。這款擁有E-Flex 系統(tǒng)的汽車,其“Flex”的因素中,底盤框架是必不可少的一部分。E-Flex系統(tǒng)的精髓就在于能夠在同一框架結(jié)構(gòu)下,便捷地更換不同的動力系統(tǒng),而總布置卻無需做大的變動。非承載式車身下的底盤框架帶有大梁,以其大而規(guī)整的布置空間,為E-Flex系統(tǒng)的這一精髓提供了可靠的平臺。 圖4 Chevrolet V olt(混合動力型底盤&總布置無論是采用承載式車身還是非承載式車身,其設(shè)計(jì)方向都是依據(jù)傳統(tǒng)車的平臺來開發(fā)新能源汽車,底盤設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。承載式車身多用于小型車,非承載式車身多用于SUV等。兩者相比,承載式車身

9、結(jié)構(gòu)較非承載式車身結(jié)構(gòu)總布置難度更大、駕駛艙與乘客艙內(nèi)空間較小、對車身設(shè)計(jì)的限制性更大、不便于維修與保養(yǎng)。然而,在整體優(yōu)化設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下,不論是采用哪種底盤結(jié)構(gòu),都應(yīng)在設(shè)計(jì)初期考慮各零部件系統(tǒng)的集成化,為總布置與底盤件的改制或重新設(shè)計(jì)提供更好的信息輸入,這樣便能克服自身的弱點(diǎn),提高經(jīng)濟(jì)效率。 表1 傳統(tǒng)平臺兩大類型對比2.2 方向二:創(chuàng)新所謂創(chuàng)新設(shè)計(jì),是跳出現(xiàn)有平臺的框架,以整體優(yōu)化設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想,從零開始構(gòu)思全新的平臺或者全新的汽車?yán)砟?。它沒有固定的思路,除了動力系統(tǒng)的創(chuàng)新,其他各個(gè)功能系統(tǒng)都有著無限的創(chuàng)新空間,同時(shí)它們之間也要完全匹配,從而提高整車性能。對底盤系統(tǒng)而言,底盤的框架結(jié)構(gòu)、各

10、子系統(tǒng)的工作模式均可做出全新的設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是,無前例可循,從概念到功能實(shí)現(xiàn)都要從無到有再一步一步完善,開發(fā)難度大、開發(fā)成本高、開發(fā)周期長,可沿用的平臺、零部件資源匱乏,可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少。但是,正因?yàn)槠瘘c(diǎn)是零,設(shè)計(jì)之初便可以遵循整體化設(shè)計(jì)的理念,帶來更優(yōu)化、集成度更高、性能更卓越的新能源汽車。新能源汽車底盤設(shè)計(jì)方向性的改革始于“滑板式底盤”的出現(xiàn),下面就結(jié)合滑板式底盤的應(yīng)用來闡述底盤創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與前景?！盎迨降妆P”是通用公司的一項(xiàng)創(chuàng)新,它徹底推翻了傳統(tǒng)底盤的模式。從2002 年的 Autonomy 到 2003 年的 Hy-Wire 再到 2005 年的 Sequel， 通用公司將該

11、 全新方案實(shí)現(xiàn)了從概念到可行到成功實(shí)現(xiàn)的演進(jìn)。 Autonomy 概念產(chǎn)生 Hy-wire 方案可行 Sequel 功能實(shí)現(xiàn) 表 2 采用滑板式底盤的三代燃料電池汽車 該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心是厚度為 11 英寸（28cm）的鋁制滑板式底盤，其框架內(nèi) 包含了轎車所有的核心系統(tǒng)（推進(jìn)系統(tǒng)、車載儲能系統(tǒng)） 、變速、轉(zhuǎn)向和制動部 件，并提供唯一的通向車身的電氣連接。同時(shí) By-wire（線傳操控技術(shù)）的引入， 使得底盤系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)也引進(jìn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)：制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等不再通過 傳統(tǒng)的機(jī)械方式進(jìn)行控制， 而是采用了電子控制， 因此踏板、 轉(zhuǎn)向柱等都可取消， 總布置空間也增大許多。 以 Sequel 為例，

12、其線傳操控制動系統(tǒng)（Brake-by-wire）取代了依靠機(jī)械控制 的傳統(tǒng)制動，它不僅節(jié)省了布置空間，而且能夠在再生制動與傳統(tǒng)制動之間進(jìn)行 制動混合，以縮短剎車距離；其線傳操控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-by-wire）使用兩臺電 機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，一臺電機(jī)用于后輪。后輪轉(zhuǎn)向能力使車輛的轉(zhuǎn)彎半徑從 12.8m 減少到 11.3m，改進(jìn)了轉(zhuǎn)向操控性。此外，Sequel 還設(shè)有緊急機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以 備萬一。 Sequel 的懸架系統(tǒng)采用帶有可控 （阻尼） 減震元件的獨(dú)立雙橫臂 （A 臂） 前懸架，而后懸架采用獨(dú)立雙橫臂懸架裝置與后輪輪轂電機(jī)連接，帶有可控阻尼 和空氣調(diào)平能力的減震器。 滑板式底盤的應(yīng)用使得

13、汽車具有以下優(yōu)勢： 車身設(shè)計(jì)自由度很大 平面式的底盤與車身獨(dú)立，給車身的造型設(shè)計(jì)提供 了無比的自由。 線傳操控系統(tǒng)使得底盤與車身之間僅需要通過一個(gè)船塢式的接口 相連，這為重新改造車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了大量機(jī)會。采用這種底盤，可以根據(jù)客 戶需求隨意定制車身造型，隨意更換車身風(fēng)格，其內(nèi)飾的設(shè)計(jì)也可以天馬行空。 總布置難度降低、內(nèi)部可利用空間增大 由于底盤是扁平的整體框架，而 且安置在底盤上的燃料電池動力系統(tǒng)的集成度高、 線傳操控系統(tǒng)使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與 制動系統(tǒng)所占空間大大減小，所以總布置的可利用空間相對增大，其布置難度也 相對降低，相應(yīng)的車內(nèi)可利用空間也有所增大。 制造、維護(hù)大大簡化 得益于底盤的整體化設(shè)

14、計(jì)，零部件少、集成度高， 制造、裝卸的工藝復(fù)雜程度降低，同時(shí)也便于維護(hù)。 出色的操控性 所有核心系統(tǒng)都布置在底盤上，因此車輛重心非常低，提 高了汽車的操控性。 碰撞安全性高 整副底盤在制造過程中保證 50:50 的前后配重，符合嚴(yán)格 的碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)；若發(fā)生碰撞，堅(jiān)固的底盤能吸收絕大部分沖擊力，使乘客艙免 于因碰撞而內(nèi)陷。 然而，滑板式底盤技術(shù)也存在著尚未解決的劣勢：它目前僅適用于燃料電池 汽車，還未在其他電動汽車中嘗試過，適用范圍較窄；采用非機(jī)械底盤控制，依 賴于線傳操控系統(tǒng)的發(fā)展與成熟。 3 結(jié)語 上述兩個(gè)新能源汽車底盤的設(shè)計(jì)方向各有特點(diǎn)：改制設(shè)計(jì)以其高效、經(jīng)濟(jì)的 特點(diǎn)， 可以應(yīng)用于近期走向量產(chǎn)化的新能源汽車以及低投入、 短周期的試制項(xiàng)目； 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的前期投入大、開發(fā)周期長，是未來汽車的發(fā)展趨勢，將在提高整車性 能、降低制造成本等方面做出更大的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 1 徐喬. 燃料電池汽車設(shè)計(jì)探索. 上海汽車. 2006, 01 2 Jonathan Butler. General Motors Chevrolet FC Volt. Fuel Cell Today. 2007, 04 3 王望予. 汽車設(shè)計(jì). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2007 Abstract