四轮车轻量化设计与制作

汪修函　孙铭潞　康拳妮　周小红

摘 要：汽车的轻量化能减小动力传动系统负荷，提高汽车的操控性，并能增加新能源汽车的续航里程，是当前汽车技术的研究热点。本文以新能源四轮汽车为基础，在结构轻量化、材料轻量化以及轻量化材料加工方面进行研究，针对车架结构、悬架系统、转向系统和制动系统等方面进行了相应优化设计，并采用有限元分析模拟了车架的强度和刚度，制作了一辆轻量化纯电动四轮汽车。制作的四轮车辆经过路试，在百米加速用时上和长距离行驶能耗方面大大减少。本作品设计中的车辆新结构、新材料和新工艺，具有技术前瞻性，对新能源汽车行业发展具有一定的学术价值。

关键词：新能源汽车 轻量化 赛车 车架 有限元分析

Lightweight Design and Production of Four-wheeled Vehicles

Wang Xiuhan，Sun Minglu，Kang Quanni，Zhou Xiaohong

Abstract：The lightweight of automobiles can reduce the load of the power transmission system， improve the maneuverability of the automobile， and increase the cruising range of new energy vehicles， which is the current research hotspot of automobile technology. Based on the new energy four-wheeled vehicle， this paper conducts research on structural lightweight， material lightweight， and lightweight material processing， and optimizes the design of the frame structure， suspension system， steering system and braking system. And using finite element analysis to simulate the strength and stiffness of the frame， a lightweight pure electric four-wheel vehicle was produced. The four-wheeled vehicle produced has undergone a road test and has greatly reduced energy consumption in terms of 100-meter acceleration and long-distance driving. The new vehicle structure， new materials， and new technology in the design of this work are technologically forward-looking and have certain academic value for the development of the new energy automobile industry.

Key words：new energy vehicle， lightweight， racing car， frame， finite element analysis

1 引言

汽車轻量化，即减少汽车质量，能减小动力和动力传动系统负荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性能。纯电动汽车按目前的电池技术水平，每续驶一公里需电池重量一公斤，也就是说满足汽车续驶里程 200 公里，仅汽车的电池重量就高达 200 公斤，因此对于新能源汽车，轻量化技术已是新能源汽车行业的一个关键技术。汽车轻量化技术包含：汽车结构轻量化，轻量化材料使用、以及新型的轻量化材料加工制造工艺。汽车轻量化不是一味的追求减轻车身质量，因为车身在轻量化过程需要权衡考虑多个方面，整车结构安全性因素便是其中最重要的一点。目前，在进行轻量化的过程中需要使用大量的模拟仿真，通过仿真软件对新设计材料进行结构刚度、强度、疲劳性以及碰撞等分析，从而优化设计，提高新能源汽车的可靠性和安全性。本文探索四轮新能源汽车的轻量化设计与制作，在保证其原有的行驶安全性、抗震力、耐碰性和舒适度等功能下，合理有效地将其进行“瘦身”，减轻汽车整体重量，从而提高汽车操控性，减少能耗，增加了续航里程。

2 四轮车轻量化设计思路

本文以全国第二届新能源汽车轻量化关键技术竞赛用车为基础，对汽车轻量化拓扑结构、轻量化材料、先进加工工艺等资料进行总结归纳，优化设计车身结构、选择轻量化材料，并利用有限元模拟仿真进行强度和刚度核算，形成的设计思路如图1所示。

根据设计思路，对汽车的车架、悬架和转向系统做相应的改进，包含以下几个方面：

2.1 车架的设计

从安全和轻量化角度出发，采用桁架式金属车架，利用Solidworks三维制图软件，对车辆进行三维模型的参数设计、处理，使结构得到了优化。并利用Ansys专业有限元分析软件对车架模型进行建模，计算车架的弯曲刚度和扭转刚度，对设计结构进行调整。

2.2 悬架的设计

采用双横臂独立式悬架系统，具有结构简单，加工方面的特点。材料设计上，采用中空设计理念来减轻质量，采用高强度空心管材作为原料，达到轻量化设计的目的。可采用Φ25mm×1.6mm、20mm×1.2mm 4130航空管作为悬架的支撑结构。