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新能源汽车新的底盘概念
概述
汽车行业模式从传统内燃机车辆转向电动汽车给汽车OEM带来了新的技术挑战。在这个转变期，电动汽车预计将以小批量生产，需要新的设计和生产流程。 为了拥有更加灵活和高效的生产系统，OEM和供应商正致力于将模块化作为一种设计方式，以缩短产品上市时间，降低供应链的复杂性并降低整车生产成本。
介绍
电动汽车被视为解决城市交通产生的一些主要问题的技术方案，例如提高能源效率和减少温室气体排放。 事实上，目前的城市交通是用内燃机车辆构成。 这种类型的车辆具有30％的最大能量效率水平并且产生的的CO 2通常保持在120和150 g/km之间的水平。 向电动汽车的转变将解决城市环境中的空气污染问题，并将在全球范围内改善能源使用，如果电能混合物具有来自可再生能源的强大储量，则可以进一步改善能源使用。
一些研究和市场前景表明，至少到2020年之前，电动汽车在全球范围内对汽车行业的意义不大。这意味着在这个里程碑之前，电动汽车将被视为和生产的利基汽车，而司机将开始使他们的行为适应今天电池组提供的较低车辆行驶范围，以及管理汽车充电和充电基础设施部署的新方法所带来的限制。 由于几乎所有新型号的电动汽车都是小众汽车，一些生产技术和材料将不适合用于这些汽车的生产，同时，为了在不同型号汽车上使用更多数量的相同部件，模块化将是一个必要条件。 不同车型应用共同部件，增加了市场供货量，却并没有对新车设计和开发追加投资。
其中一种新方法是为不同的车身使用通用底盘，应用相同的动力系统和传动系统。对于不同车型（在相同或不同品牌上）使用通用平台的策略已经在传统汽车行业中使用[1]，并且随着汽车原始设备制造商倾向于减少平台数量而更广泛化。当该策略应用于电动动力系统时，模块化可以显著增加。电动动力系不需要沿着汽车移动元件，并且电动机可以尽可能靠近车轮放置。此外，电动动力系统可以拥有的不仅仅是一个电动机。可以每个车辆轴一个电机，甚至每个车轮一个电机。这允许车辆有不同布局，包括在一个独立平台中组装所有这些元件。这个平台或滑板包括所有电子组件和系统，有一个新的设计布局，所有的身体部位都在这个平台上组装。由于有用于城市用途的多用途车辆，用于城市环境中的货物交付的小型车辆以及其他特定配置，这使该公共平台在多个车辆配置上得到应用。
开发过程也获得了独立性，因为技术部件（包括动力总成和动力传动系统）是由一个团队开发的，而车身和内饰是由不同的团队开发的，只需要考虑两个模块的接口，系统和车身。 这一概念还增强了新技术的引入，例如线控驱动和线控制动。去除了驱动器，动力传动系统和动力传动系统之间相互作用的所有机械元件[2,3]。 利用这些技术，系统和车身之间的连接仅通过用于车身框架的固定装置和用于电源和控制布线的电插头来实现。
2002年，GM推出了AUTOnomy 概念和 Hy-wire概念，两者均采用滑板底盘制造，几乎所有机械，电气和结构部件均已放置。 底盘包括完整的动力总成系统，包括氢气罐，燃料电池，电动轮电机和所有电子控制组件。 它还包括转向系统，制动系统和悬架。 2005年晚些时候，GG提出了相同的概念。
TREXA于2009年推出了第一个电池电动车平台。 它允许使用通用平台进行多种车身配置。 该平台的设计允许其在轴距尺寸和动力总成配置方面的扩展性，尤其是在电池容量方面。 2011年初，Trexa推出了采用其储能技术（Enertube trade;）的全新设计。 这种新配置使用管状底盘框架，既作为车辆平台的主干，又作为可扩展电池组的外壳。
同样在2011年，展出了另一款滑板底盘，UNI-Chassis,，它使用连接两个模块（前部和后部）的主干管，其中悬挂系统，制动系统和发动机组装在一起。 在中心管内，主动力轴将发动机/离合器输出连接到后变速器[5]。 通过这种配置，发动机缸体成为底盘的结构元件。 一旦内燃机被电动机代替并且电动机定子执行相同的结构功能，这也可以用于电动机动底盘/模块。
功能要求/设计约束
多平台车辆
能够满足几个不同市场需求的底盘结构是这一概念的主要概念。这些市场被认为是利基市场，产量有限通常会迫使价格过高或牺牲最终产品质量。为了弱化这些问题，汽车倾向于使用模块化部件或系统，这些部件或系统对于具有不同配置的各种车辆是共用的。由于电动汽车往往是以小批量生产的，因此技术组件必须设计成模块化的，并且可以在不同的型号上用于不同的市场。这些组件包括底盘，底盘是需要大量开发投资的组件或模块，因此受益于共享配置。使用相同电动底盘的不同车辆的例子有用于公众（用于市中心或诸如机场的封闭场所）和可以进入市中心的小型电动车辆。
在车辆底盘的现有情况下，定义和设计约束了认证规则的要求，考虑到要在底盘上组装的车辆类型的尺寸限制（电动城市车辆或用于封闭空间的公共交通的自动电动车辆） ，以及足够的电池包装量，最后具有竞争力的生产成本，在公共道路上驾驶车辆必须能够满足多种需求。
正式类型
底盘的第一个基本要求是车辆的定义--L7e认证类[6]。影响底盘开发的主要限制因素是重量限制，该限制表明该认证类别中的车辆最大重量可达400千克（货物运输量为550千克）。通过最初的车辆重量分析，确定车辆的完整结构可以不超过90kg，这是总认证重量的22.5％。
这种认证类别在开发时需要考虑另一个结构性约束，即安全带锚固点的完整性。尽管强度要求仅为M1级车辆的一半（由于最大速度差异），但它将使设计有用于固定安全带的上框架。
虽然今天的碰撞安全性不是L7e类车辆的法律要求，但正在修订立法，以便在不久的将来将其纳入法规。这引起了战略和道德问题，引入了能量吸收结构增加了前后设计空间中的约束。
关于认证类别的其他问题提出了其他功能要求，这些要求是通过对其将在市场上面临的可能的竞争者进行基准测试和评估而获得的，例如：结构性能要求，人体工程学和成本。
结构性能
弯曲刚度必须足够高，以便即使在完整的电池组上加载2g加速度时也能保持平台形状。 由于所有电池都位于前轴和后轴之间，可能会使梁发生弯曲，因此会损坏或恶化滑板的所需形状。 这样，选择 8000N/mm的弯曲刚度作为车轮的性能目标。
通过基准研究获得扭转刚度目标，并且使用 L. L. Thompson et al等人[7]描述的类似方法，指定4000Nm/deg的目标以确保具有竞争性和稳定性。 注意避免超过目标刚度以将底盘保持在重量目标内。
成本
L7e级车辆的平均成本必须在生产方面进行审查，以实现结构的价值。 成本限制了用于制造结构的技术和材料的选择。 每个结构500欧元（最终成本）。
空间框架
在所提供的装置中对多平台车辆的需求是必须与其所具有的样式，设计或形状无关的部件共享相同的结构。 通过空间框架滚动底盘是实现这一要求的一种方法，其中车身板对整体结构性能没有影响。
电池
与填充燃料箱相比，目前可用的电池充电是一个缓慢的过程。 快速充电减少了这个时间差，但并非所有电池类型都支持这种充电速率，并且它还不是一种普遍的技术。 考虑的另一种可能性是在加油站进行电池更换，直接受益于自治问题。 为了不限制未来的发展并与市场将要求，从机箱下方的电池交换能力与其他解决方案同步。
尽管如此，考虑到为新的快速充电系统准备的即将推出的电池组，考虑到常见的现有充电系统，以及考虑到铅酸的最坏情况，考虑的最小车辆行程为100km 并且确定了电池组的体积。 电池，更重，更紧凑。
一般尺寸
除了底盘必须容纳的电池组的尺寸之外，还必须限制一些一般尺寸以确保多平台车辆要求的符合性。 由于L7e车辆必须小到足以在标准范围内，但同时它必须有足够的内部空间以便乘客舒适和人体工程学，并且作为公共交通工具，它必须允许残疾乘客的运输。 鉴于这些方面，引入了最小轴距为2000mm以及乘客区域的完全平坦的地板。 在通道和人体工程学舒适性方面，引入了该底盘的高度限制，将地板高度限制在300mm。
概念
总体布局
像滑板底盘是满足上述要求的几种选择之一。 使用滑板和单独的螺栓连接的上部滚轮是多平台车辆问题的解决方案。 通过这种选择，滚动结构作为空间框架的上部，这意味着车辆的形状容易改变。 因此，就底盘而言，L7e型车辆仅仅通过改变侧面车身和外车身板的形状就可以与小型城市公共交通不同。
图1.滑板底盘的一般视图和防滚架
滚动框架由管状钢框架组成，该框架将独立于底盘（hvac，二次电子设备，内部等）保持车身面板以及其他功能部件。 这种上部滚动的主要作用部分是侧翻安全性和侧面碰撞安全性，这严重依赖于轴距。
滑板下部结构由焊接在一起的直弯曲高强度钢板构成，以允许宽范围的厚度变化和低成本解决方案。 根据此解决方案设计的底盘可实现61Kg的完整下部结构，并且在当前的RFQ中符合所建立的价格目标。
滑板结构主要分为三个独立的模块：中央模块，前部和后部。
图2.中央模块
中心模块由结构主干组成，以满足车辆底盘性能要求。诸如结构骨架的厚度和横截面的尺寸是从具有重量和刚度约束的FEA优化获得的。因此，骨架具有200mmtimes;200mmtimes;1.5mm的横截面，由Omega;形轮廓构造，并且用螺栓固定在板上，厚度为2mm。该板允许引导液压和主线束在中央主干内多次进入。
三个锥形梁焊接到中央通道的每一侧，以便支撑电池组的所有重量以及要装载到地板上的任何重量。这些锥形梁也可作为四角处上部滚轮的主要连接。在中央隧道内部增加了三个隔板，以便在锥形梁之间进行有效的载荷传递。末端隔板用作前后模块螺栓连接的接收器。
根据功能要求，中心模块的布局允许更换电池组，因为它们从下方对准并用螺栓固定到锥形梁上。
中心模块作为底盘整体尺寸的主题，需要通过增加或减少中央主干的长度来改变轴距，保持前后模块的相同配置和尺寸。
图3.前后模块的中央模块
模块由弯曲钢板和U形钢板组成，形成框架，负载从悬架传递到中央主干。 对于前后模块，4轮通过双叉骨悬架独立固定，用于较低的滑板位置，因此具有有限的高度要求，同时保持所有运行的底盘部件在滑板概念中。 双叉骨架的优势在于它可以为上半身提供更广泛的包装解决方案，以及更加可配置和可调节的悬架，为未来应用提供更大的灵活性。
图4.完整的机箱组件
后部模块框架之间是电机外壳，前部模块之间是转向齿条。 使用独立模块的优点是前后模块都可以根据未来的应用进行修改，而不会影响滑板的其余部分，因此可以始终针对机箱的功能进行优化。 更大的电机，电线驱动甚至电机和四轮转向都是可以集成在这种底盘设计上的几种方案。
螺栓固定模块允许在这些部件损坏的情况下进行更换，从而避免主机架的大量维修费用。 前部模块设计用于在正面碰撞的情况下吸收能量，这是该模块内的大部分空间是空的并且没有庞大元件的主要原因。
图示了平整的上机架区域的数量，显示了可用于不同车辆配置和设备分配的空间。
图5.底盘水平上表面。
结构性能
结构性能和处理来自CAE和FEA模拟。刚体动力学软件用于确定操纵和定义悬架几何形状，它影响和引导前后模块的主要设计。充分利用了4轮双叉骨悬架，底盘更加运动和稳定，因此在L7e市场上更加鲜明。然而，如果目标是具有这些特征更重要的公共交通工具，则调整该几何形状可以得到更舒适和更柔软的乘坐体验。
从作为操作定义的硬点开始，该结构受到多种载荷情况的影响，通过该载荷情况，在重量，刚度和应力方面优化了耐久性。主要的优化方向是弯曲和扭转刚度优化，它们确定了主骨架的大小，因此也决定了大部分中央模块。
使用优化软件进行FEM测试装置和超过50次迭代，获得主要尺寸（见上文），扭转目标在0.2％范围内，弯曲性能比目标低10％。然而，这是可以接受的，因为上部滚动将抵消这种刚度的不足。
图6厚度分布.
从厚度优化中获得了总重量61Kg，其中中心主干，从前悬架到后部，具有1.5mm厚的钢板，如上面绿色所示，并且周围部件已经减小到厚度从0.8mm至1.2毫米。
图7应力集中
为了保证应力限制和耐久性，增加了模块过渡中的局部增强件，其中减小等效横截面尺寸。 此外，为解决耐久性和滥用的问题，悬挂支架还具有更高厚度的板，约4mm，由高强度钢制成。 高强度和超高强度钢的使用减少了这些增强材料的耐久性需求，因为疲劳应力可能比低碳钢高得多。
结论
该概念符合为此目的提出的整体功能要求，它具有低廉的生产成本，约500欧元，主要是由于所使用的直弯技术，没有工具成本;使用优化的钢厚度分布，有助于保持结构的总重量为61Kg。
然而，正如从设计底盘时所预期的那样，这个概念有一些优点和一些弱点。
资料编号：[3944]
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