新能源汽车底盘设计

新能源汽车底盘设计方向朱 赤【摘要】 本文阐述了底盘设计在新能源汽车设计中的重要性，并结合典型实例探讨了新能源汽车底盘的设计方向，分析了不同种类底盘的特点与优势。【主题词】 新能源汽车底盘 整体优化设计 滑板式底盘0 引言美国科罗拉多州的洛基山研究所(RMI)首先提出未来汽车的设计准则：不参照现有的汽车设计模式；整体化系统设计；强调轻量化和高效的制造平台。整体化系统设计的设计理念，就是在设计汽车的过程中不及仅仅对单个部件优化，更重要的是在设计之初对整个汽车系统进行优化，以降低因动力系统的改变而带来的连锁反应。新能源汽车作为汽车工业的未来发展方向，在设计过程中运用了大量整体化系统设计理念，尤其在底盘方面，底盘的设计与新能源汽车的总布置方案息息相关，与新能源汽车动力系统架构及其集成度联系紧密，同时也影响着新能源汽车的外观设计与内部空间，是新能源汽车设计中极其重要的开发内容。1简介底盘系统包含了悬架、制动、转向等子系统，在传统意义上它影响着整车的舒适性、安全性与操控性，而对于新能源汽车而言，它的影响更加深远。新能源汽车的底盘系统需要适应于车载能源的多样性、适用于高度集成的系统模块，同时不限制汽车内部空间与外部造型的设计。2 设计方向纵观各类新能源汽车，从概念车到量产车，从国内自主车型到国际典型车型，底盘系统的设计朝着两大方向发展：一方面以传统车平台为基石，根据需求进行局部改进；另一方面推翻传统思维模式，创造出全新的理念。2.1 方向一：改制2.1.1 设计思路从探索新能源车伊始，很多新能源车是在现有平台上实施新的总布置方案。其设计思路是被动的，根据其他系统方案的更改给底盘系统带来的影响，在原有平台的基础上设计或更改底盘各子系统。在该思路指导下，传统车的成熟零部件得到最大可能的沿用，保持底盘框架不改变，制动系统、转向系统、悬架系统、传动系统等在保持工作原理基本不变的前提下做相应改变或调整。图1 “改制”设计思路 沿用底盘平台 沿用原有平台的底盘构架，即副车架不变、底盘子系统工作原理不变。 传统发动机的取消影响部分底盘子系统 因为新的动力系统取代了原传统发动机，新能源汽车的制动系统、转向系统、传动系统都需要在原有构架上做出相应调整。制动真空助力泵失去了真空源，需要增加电动真空泵为其提供真空源，相应的管路等零部件需要更改；原动力转向泵因为发动机的取消而无法沿用，需要开发新的转向动力源，相应的管路等零部件需要更改；新动力系统的减速器接口与原车相比发生了改变，因此传动系统需要根据新的输入信息进行更改或者重新设计。各子系统零部件更改的设计完成之后，根据总布置的位置与零部件数模设计悬置支架，最后通过CAE分析来确定悬置系统的强度与噪音并做出相应的改进。 总布置的改变影响悬架系统 由于实施了新的总布置方案，前后舱布置内容较原型车有重大改变，需要重新计算整车的质量与载荷匹配，来确定原有悬架系统是否可靠，若不可靠需调整或重新设计悬架系统。首先需要统计新能源汽车相对于同一平台的原型车新增部件的质量与质心位置，结合沿用的原车部件的质量与质心位置，计算出新总布置方案下新能源汽车的质量与质心位置；再通过质量与X向质心位置计算出前后轴荷分布；然后根据质量与轴荷来校验原有悬架系统的可靠性，若不可沿用则重新设计悬架系统或更改原系统的设计参数；最后通过Adams来分析悬架的更改对四轮定位参数的影响，并对悬架设计做出相应调整。2.1.2 特点与应用实例改制设计的特点是，尽可能的沿用传统车底盘，根据需要进行部分的改制工作，开发难度小、开发成本低、开发周期短，并且能够与传统车共用平台，并在很大程度上沿用传统车的成熟零部件。由于传统车的设计有承载式车身与非承载式车身的区别，两种车型在总布置方面区别很大，它们在新能源汽车设计中的所展现的特点与前景也不尽相同。 承载式车身由于大部分轿车采用的是承载式车身，所以很多新能源车也沿用了这样的构架，动力总成等部件都需在车身上寻找悬置点，副车架原则上不承担重量。此类结构，使得车身上的悬置设计工作变得复杂，不利于量产化，并需要进行大量的CAE分析工作。同时因为布置空间的不规则，总布置的难度较大。上海汽车新能源汽车事业部目前已有的几款车型均采用这类底盘形式，但因为该部门在整体优化设计理念的指导下，于悬置设计上有所创新，推出了集成框架，使得车身悬置集成度大大提高，克服了这类底盘设计在量产化上的劣势。图2 荣威750底盘 & 基于750的Plug-in燃料电池车这类车型还有很多，如通用汽车的氢动3号是基于赛飞利的构架，而Equinox燃料电池车则是在Equinox原车上做的改装。图3 Equinox燃料电池车 非承载式车身现在有很多汽车平台依然采用非承载式车身，在此类平台上设计的新能源汽车既不需在平台开发上投入大量人力物力，且因为其底盘框架的特点使得该设计也符合了整体化设计的理念。由于底盘有大梁，形成一个大框架，且能承重，所以可将动力系统等部件布置于底盘框架之中。该框架结构的空间规整，可在设计初期就整体规划各部件的集成度和布置位置，大大降低了总布置的难度，且重心低、车身改制量小。通用汽车于2007年推出的Volt所采用的就是此类底盘结构。这款拥有E-Flex系统的汽车，其“Flex”的因素中，底盘框架是必不可少的一部分。E-Flex系统的精髓就在于能够在同一框架结构下，便捷地更换不同的动力系统，而总布置却无需做大的变动。非承载式车身下的底盘框架带有大梁，以其大而规整的布置空间，为E-Flex系统的这一精髓提供了可靠的平台。图4 Chevrolet Volt（混合动力型）底盘&总布置无论是采用承载式车身还是非承载式车身，其设计方向都是依据传统车的平台来开发新能源汽车，底盘设计具有开发周期短、开发成本低等优点。承载式车身多用于小型车，非承载式车身多用于SUV等。两者相比，承载式车身结构较非承载式车身结构总布置难度更大、驾驶舱与乘客舱内空间较小、对车身设计的限制性更大、不便于维修与保养。然而，在整体优化设计理念的指导下，不论是采用哪种底盘结构，都应在设计初期考虑各零部件系统的集成化，为总布置与底盘件的改制或重新设计提供更好的信息输入，这样便能克服自身的弱点，提高经济效率。平台类型设计自由度车载能源多样化可利用成熟平台承载式车身低（总布置空间局限性）较难适应（对模块集成化要求高）较多非承载式车身高（总布置空间大、内外饰设计自由度大）易适应较少表1 传统平台两大类型对比2.2 方向二：创新2.1.1 设计思路所谓创新设计，是跳出现有平台的框架，以整体优化设计为指导思想，从零开始构思全新的平台或者全新的汽车理念。它没有固定的思路，除了动力系统的创新，其他各个功能系统都有着无限的创新空间，同时它们之间也要完全匹配，从而提高整车性能。对底盘系统而言，底盘的框架结构、各子系统的工作模式均可做出全新的设计。2.2.2 特点与应用实例创新设计的特点是，无前例可循，从概念到功能实现都要从无到有再一步一步完善，开发难度大、开发成本高、开发周期长，可沿用的平台、零部件资源匮乏，可借鉴的经验很少。但是，正因为起点是零，设计之初便可以遵循整体化设计的理念，带来更优化、集成度更高、性能更卓越的新能源汽车。新能源汽车底盘设计方向性的改革始于“滑板式底盘”的出现，下面就结合滑板式底盘的应用来阐述底盘创新设计的特点与前景。“滑板式底盘”是通用公司的一项创新，它彻底推翻了传统底盘的模式。从2002年的Autonomy到2003年的Hy-Wire再到2005年的Sequel，通用公司将该全新方案实现了从概念到可行到成功实现的演进。Autonomy 概念产生Hy-wire 方案可行Sequel功能实现表2采用滑板式底盘的三代燃料电池汽车该创新设计的核心是厚度为11英寸（28cm）的铝制滑板式底盘，其框架内包含了轿车所有的核心系统（推进系统、车载储能系统）、变速、转向和制动部件，并提供唯一的通向车身的电气连接。同时By-wire（线传操控技术）的引入，使得底盘系统的各个子系统也引进了创新设计：制动系统、转向系统等不再通过传统的机械方式进行控制，而是采用了电子控制，因此踏板、转向柱等都可取消，总布置空间也增大许多。以Sequel为例，其线传操控制动系统（Brake-by-wire）取代了依靠机械控制的传统制动，它不仅节省了布置空间，而且能够在再生制动与传统制动之间进行制动混合，以缩短刹车距离；其线传操控转向系统（Steer-by-wire）使用两台电机控制前轮转向，一台电机用于后轮。后轮转向能力使车辆的转弯半径从12.8m减少到11.3m，改进了转向操控性。此外，Sequel还设有紧急机械转向系统，以备万一。Sequel的悬架系统采用带有可控（阻尼）减震元件的独立双横臂（A臂）前悬架，而后悬架采用独立双横臂悬架装置与后轮轮毂电机连接，带有可控阻尼和空气调平能力的减震器。滑板式底盘的应用使得汽车具有以下优势： 车身设计自由度很大 平面式的底盘与车身独立，给车身的造型设计提供了无比的自由。线传操控系统使得底盘与车身之间仅需要通过一个船坞式的接口相连，这为重新改造车身内部结构创造了大量机会。采用这种底盘，可以根据客户需求随意定制车身造型，随意更换车身风格，其内饰的设计也可以天马行空。 总布置难度降低、内部可利用空间增大 由于底盘是扁平的整体框架，而且安置在底盘上的燃料电池动力系统的集成度高、线传操控系统使得转向系统与制动系统所占空间大大减小，所以总布置的可利用空间相对增大，其布置难度也相对降低，相应的车内可利用空间也有所增大。 制造、维护大大简化 得益于底盘的整体化设计，零部件少、集成度高，制造、装卸的工艺复杂程度降低，同时也便于维护。 出色的操控性 所有核心系统都布置在底盘上，因此车辆重心非常低，提高了汽车的操控性。 碰撞安全性高 整副底盘在制造过程中保证50:50的前后配重，符合严格的碰撞安全标准；若发生碰撞，坚固的底盘能吸收绝大部分冲击力，使乘客舱免于因碰撞而内陷。然而，滑板式底盘技术也存在着尚未解决的劣势：它目前仅适用于燃料电池汽车，还未在其他电动汽车中尝试过，适用范围较窄；采用非机械底盘控制，依赖于线传操控系统的发展与成熟。3 结语上述两个新能源汽车底盘的设计方向各有特点：改制设计以其高效、经济的特点，可以应用于近期走向量产化的新能源汽车以及低投入、短周期的试制项目；创新设计的前期投入大、开发周期长，是未来汽车的发展趋势，将在提高整车性能、降低制造成本等方面做出更大的贡献。参考文献1 徐乔. 燃料电池汽车设计探索. 上海汽车. 2006, 012 Jonathan Butler. General Motors Chevrolet FC Volt. Fuel Cell Today. 2007, 043 王望予. 汽车设计. 机械工业出版社. 2007Abstr