隨著城市人口稠密地區(qū)的不斷擴(kuò)展和交通流量不斷增長(zhǎng)，有害物排放和噪聲輻射也隨之而來(lái)，這對(duì)汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了新要求。因此德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)汽車(chē)研究所( ika) 與歐洲項(xiàng)目的研發(fā)人員共同設(shè)計(jì)了1 種輕型車(chē)身結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車(chē)方案。

關(guān)鍵詞：車(chē)身結(jié)構(gòu) 微型電動(dòng)車(chē) 白車(chē)身設(shè)計(jì)

1起因和開(kāi)發(fā)目標(biāo)

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照聯(lián)合國(guó)的預(yù)測(cè)，至2050 年城市居民的比重將占到66%。隨著城市化的快速發(fā)展，將加劇交通擁堵、城市噪聲和環(huán)境污染等現(xiàn)象。為了降低CO2 排放，歐盟于2009 年通過(guò)了1 項(xiàng)法規(guī)，至2020 年汽車(chē)的平均CO2排放量必須降低到95 g /km。除了降低廢氣排放之外，在開(kāi)發(fā)新車(chē)型時(shí)還必須考慮到用戶(hù)的需求。由于僅有10%的城市居民的日平均行駛里程超過(guò)90 km，因此考慮到各種不同的氣候條件，可設(shè)計(jì)城市微型電動(dòng)車(chē)的蓄電池容量。車(chē)輛不僅要兼顧高性能和低成本，還必須考慮到安全性與可靠性，并且在發(fā)生交通事故時(shí)必須確保乘客及駕駛員的人身安全。

為此歐洲新車(chē)鑒定程序協(xié)會(huì)( NCAP) 于2014 和2016年對(duì)輕型電動(dòng)車(chē)( L7e) 的被動(dòng)安全性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明了其關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，以及安全帶回拉系統(tǒng)不足以起到保護(hù)作用，因而存在使乘客受傷的較高風(fēng)險(xiǎn)。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)( VDI) 根據(jù)測(cè)試得出的安全性水平，與常規(guī)M1 級(jí)車(chē)輛相比較，于2013 年建議對(duì)質(zhì)量在400 ～ 800 kg 之間的車(chē)輛實(shí)施M0 級(jí)車(chē)輛進(jìn)行等級(jí)劃分。這也促進(jìn)了更安全可靠和高效的城市微型電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)積極性。因此設(shè)計(jì)了一種新款微型電動(dòng)乘用車(chē)Epsilon 兼具很高的安全性和輕型車(chē)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)之初按照M0 級(jí)設(shè)計(jì)，以填補(bǔ)L7e 與M1 車(chē)輛之間車(chē)型段的空缺。并在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)確定了下列規(guī)范:

( 1) 單位里程電耗小于80 Wh /km;

( 2) 汽車(chē)質(zhì)量小于600 kg;

( 3) 0 ～ 100 km/h 加速時(shí)間小于10 s;

( 4) 電動(dòng)車(chē)行駛里程大于150 km;

( 5) 在按NCAP 為規(guī)范的碰撞試驗(yàn)中評(píng)為四星級(jí)。

2車(chē)輛方案的開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)iat 技術(shù)中心( CRF) 進(jìn)行了市場(chǎng)分析和用戶(hù)調(diào)研，確定了用戶(hù)對(duì)微型電動(dòng)車(chē)主要用于上班及閑暇之余使用，要求行駛安全性及舒適性，特別是要考慮到充電時(shí)間短，并具有足夠的行駛里程，以及適用于城市的運(yùn)載能力。同時(shí)在詳細(xì)的用戶(hù)調(diào)查中，已確認(rèn)了運(yùn)載4 人的運(yùn)輸容量及可變的行李艙裝載空間等設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)城市交通運(yùn)輸中的用戶(hù)需求，考慮較低的實(shí)際購(gòu)置成本和維護(hù)保養(yǎng)成本，以此推斷出最小輕型車(chē)方案的設(shè)計(jì)要求。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)發(fā)車(chē)輛外形。圖1 示出了2個(gè)適合于95%體形的男性和5%體形的女性的裝載容量方案。該車(chē)輛外形方案呈現(xiàn)出較小的基本尺寸、較低的車(chē)輛重心和后橋上緊湊的動(dòng)力總成，其特點(diǎn)是駕駛員與副駕駛員座位在車(chē)輛長(zhǎng)度方向上錯(cuò)位15 cm，高效利用了車(chē)內(nèi)空間，有效減小了車(chē)輛寬度，而且駕駛員后方的第三個(gè)人能有充分放置腿部的空間。在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)就調(diào)整好車(chē)輛外形方案，在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中為整車(chē)開(kāi)發(fā)預(yù)留了結(jié)構(gòu)空間，這樣就能進(jìn)行動(dòng)力裝置、底盤(pán)和白車(chē)身( BiW) 等總成的平行設(shè)計(jì)，并被整合在1 個(gè)整車(chē)虛擬模型中。這種車(chē)輛方案的重要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總于表1。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和被動(dòng)可靠性

為了滿(mǎn)足具有挑戰(zhàn)性的輕量化和安全性的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，為車(chē)身開(kāi)發(fā)選擇了1 種整體輕量化的結(jié)構(gòu)型式，兼顧了布局優(yōu)化、功能集成的設(shè)計(jì)理念，并從幾何學(xué)角度發(fā)揮材料潛力來(lái)減輕質(zhì)量。在布局優(yōu)化方面，針對(duì)碰撞情況和靜態(tài)負(fù)荷狀況分析了基于車(chē)輛外形方案的結(jié)構(gòu)空間，以便查明車(chē)身主要負(fù)載路徑上的最佳材料分配，其優(yōu)化結(jié)果用作BiW 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。圖2 示出了碳素纖維增強(qiáng)塑料( CFK) 和鋁混合結(jié)構(gòu)型式空間框架車(chē)身的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，又稱(chēng)為CFK-Al 空間框架。

前車(chē)、側(cè)檻變形件和后緩沖裝置都用鋁擠壓型材制成，而CFK 多腔型材則是采用Axon Automotive 公司專(zhuān)利制造工藝方法制成的，其中各個(gè)腔室都由碳素纖維編織層包裹的泡沫塑料芯構(gòu)成。這種CFK 空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用尺寸為60 mm × 60 mm 或60 mm × 120mm 的標(biāo)準(zhǔn)化型材橫斷面。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化型材橫斷面的沖壓模具降低了成本。這種CFK 空間框架結(jié)構(gòu)用蒙板密封，同時(shí)與CFK 型材粘合，形成了結(jié)構(gòu)接合件。外部蒙板塑造出車(chē)輛外形，但是在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到其對(duì)車(chē)身機(jī)械性能的影響。

車(chē)身開(kāi)發(fā)是本身質(zhì)量達(dá)到600 kg，滿(mǎn)足歐洲NCAP和美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)標(biāo)準(zhǔn)( FMVSS) 安全性規(guī)定的關(guān)鍵因素。對(duì)于BiW 設(shè)計(jì)，包括BiW、車(chē)門(mén)和門(mén)鎖零件、外部蒙板及車(chē)窗玻璃和裝配件在內(nèi)的極限質(zhì)量為210 kg。為了達(dá)到該目標(biāo)，借助于有限元模擬針對(duì)扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力及圖3 所示的動(dòng)態(tài)負(fù)荷狀況來(lái)設(shè)計(jì)BiW。從最大侵入程度和加速度方面來(lái)評(píng)定這些試驗(yàn)結(jié)果。Autoliv公司根據(jù)計(jì)算的加速度曲線設(shè)計(jì)了乘客安全帶回拉系統(tǒng)，而且還由Graz 理工大學(xué)汽車(chē)安全性研究所分析了行人保護(hù)。

在這些試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照歐洲NCAP 進(jìn)行評(píng)定，期望能達(dá)到四星級(jí)要求。為了保證模擬計(jì)算結(jié)果的正確性，Graz 理工大學(xué)汽車(chē)安全性研究所，按照歐洲NCAP 進(jìn)行50 km/h 速度和100%覆蓋堅(jiān)硬障礙物真實(shí)整車(chē)碰撞試驗(yàn)。碰撞試驗(yàn)車(chē)輛包括CFK-Al 空間框架結(jié)構(gòu)、底盤(pán)以及動(dòng)力總成模擬系統(tǒng)和牽引蓄電池及重要封裝部件，使得該試驗(yàn)車(chē)輛總質(zhì)量為600kg，并附加設(shè)置了75 kg 重的H3 假人( 代表平均體重條件下的男性駕駛員) 。圖4 示出了碰撞前后和圖4 碰撞前后和變形過(guò)程期間試驗(yàn)車(chē)輛和模擬模型變形過(guò)程期間試驗(yàn)車(chē)輛和模擬模型的狀況。通過(guò)模擬和真實(shí)試驗(yàn)之間的幾何學(xué)比較，表明了鋁前車(chē)結(jié)構(gòu)變形特性具有良好的一致性。CFK 空間框架結(jié)構(gòu)形成了1 個(gè)可靠的安全盒，在試驗(yàn)和模擬中僅呈現(xiàn)出最小的侵入程度。因此這些物理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了模擬計(jì)算結(jié)果，并表明未來(lái)的M0 級(jí)微型車(chē)具有可靠安全的車(chē)輛結(jié)構(gòu)，為行人保護(hù)提供了良好的理論基礎(chǔ)。

4示范車(chē)輛

在虛擬車(chē)輛開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上建造了1 輛可供行駛的樣車(chē)( 圖5) 。車(chē)輛外形在緊湊的尺寸條件下顯示出一種獨(dú)特設(shè)計(jì)。為了建造樣車(chē)，首先開(kāi)發(fā)了動(dòng)力總成系統(tǒng)，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，同時(shí)建造車(chē)身，并完成車(chē)體裝飾和內(nèi)飾，此外還使用了量產(chǎn)車(chē)的零部件，例如底盤(pán)部件、動(dòng)力總成部件以及暖通空調(diào)( HVAC) 系統(tǒng)。另外，還為樣車(chē)開(kāi)發(fā)了容量為15． 6 kW·h 的空氣冷卻蓄電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了Panasonic 公司生產(chǎn)的1 530個(gè)18650PF 型蓄電池單元( 102 組串聯(lián)，15 組并聯(lián)) ，運(yùn)行電壓為367 V。100 mm 厚的地板下蓄電池裝置與較小的車(chē)體寬度相結(jié)合能達(dá)到較小的1． 8 m2 正面面積。為了盡可能縮短充電時(shí)間，除了交流電接頭之外還考慮了直流電接頭，這樣就能在25 min 內(nèi)使800 V 和24kW 的蓄電池電量從15%快速充電到80%。

5結(jié)論和展望

Epsilon 車(chē)輛方案顯示了輕型、安全、高效的微型電動(dòng)車(chē)專(zhuān)門(mén)用于城市交通具備的潛力，并填補(bǔ)了L7e 與M1 級(jí)車(chē)型之間的空缺。特別是通過(guò)輕量化和安全性具佳的CFK-Al 空間框架結(jié)構(gòu)，不僅在理論上，而且通過(guò)樣車(chē)碰撞試驗(yàn)已證實(shí)了這種車(chē)型的安全性。在虛擬設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，還制造了可供行駛的樣車(chē)。在后續(xù)工作過(guò)程中，將進(jìn)行行駛試驗(yàn)和效率測(cè)試。此外，還將公開(kāi)展示該車(chē)輛的道路試驗(yàn)情況，并進(jìn)行詳細(xì)的用戶(hù)使用研究，促使市場(chǎng)接受從而投產(chǎn)這類(lèi)車(chē)型。