新材料与工艺手册

智轨电车轻量化设计

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发表于 2021-3-1 13:40:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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智轨电车轻量化设计

银应时1,杨 勇1,2,刘 彪1,2,卢 祺1,罗晓峰1,唐长民1,李扬戈1
(1.中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412000;2.中车时代电动汽车股份有限公司,湖南 株洲 412000)
摘 要:为了提高车辆的操控性能及降低车辆能耗,对车辆进行了轻量化设计。简要介绍了车辆轻量化设计的常用方法。从机械和电气两大类部件的轻量化设计着手,给出了智轨电车的实际减重方案及减重效果。在此基础上,对智轨电车更深入的减重途径进行了分析和展望。
关键词:车辆;轻量化;设计;方法
0 引言

无论是轨道车辆还是公路车辆,其运行时的能耗和车辆本身的重量成正比关系,减轻车辆自重,可以降低能耗,节约运行成本,提高车辆的操控性能和舒适性[1-4]。对智轨电车来说,减轻车辆自重不仅可以降低能耗,还可以在不增加轴重的前提下,增加动力电池的重量,从而增加续航里程,提高智轨电车的市场竞争力。本文采用车辆轻量化常用方法[4-8],对智轨电车进行了轻量化设计,取得了较好的效果,并对智轨电车的进一步减重进行了展望。

1 车辆轻量化设计常用方法

车辆轻量化设计必须在确保车辆强度和安全性的前提下进行。常用的轻量化设计方法有采用高强度或轻型材料替代常规材料、优化结构、改进工艺等3种。

1.1 基于新型材料的轻量化

基于新型材料的轻量化方案,一是用力学性能相近的低密度材料零件来替代高密度材料零件,常见的有用铝合金代替钢材、用复合材料代替金属材料;二是用性能优良的高强度材料代替普通材料,降低零件的厚度,实现减重和性能提升,常见的是用高强度钢代替普通钢。

智轨电车常用材料性能对比分析如表1所示。各部件在选择材料时,需考虑部件功能、重量及成本要求等因素。

1.2 基于结构优化的轻量化

结构优化包括尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化。拓扑优化是设计中常用的提高零件性能和减轻零件重量的优化方法。利用有限元分析软件,对结构的各种受力工况进行模拟分析,并根据分析结果优化结构设计。确保结构在满足强度、刚度要求的前提下,具有较小的重量,从而实现轻量化。

1.3 基于制造工艺提升的轻量化

工艺是将设计图纸转换为实物的手段。不同的工艺,对结构有不同的要求。比如螺栓连接或者铆接,需要设计接头,其结构重量大于焊接连接的结构。从工艺角度考虑,轻量化设计需尽量减少螺栓连接或者铆接。

表1 智轨电车常用材料性能对比

2 机械部件轻量化设计

机械部件包括车体、内外装饰、走行机构及操控系统等。机械部件轻量化设计主要从车体结构优化、内外装饰总成结构优化及材料替换、走行机构结构优化、操控系统结构优化及材料替换等方面进行,每列车减重共计约1 080 kg。

2.1 车体轻量化

车体结构轻量化方案主要通过优化型材尺寸参数、优化车体结构、采用轻质材料等方法来实现。每列车共减重约410 kg,主要减重方案如表2所示。

表2 车体结构轻量化方案

2.2 内外装饰轻量化

内外装饰轻量化主要通过优化零部件尺寸参数、设计新结构及采用轻质材料等方法来实现。每列车减重约310 kg,主要减重方案如表3所示。

表3 内外装饰轻量化方案

2.3 走行机构轻量化

走行机构轻量化主要通过优化零部件尺寸参数、设计新结构件等方法来实现。每列车减重约150 kg,主要减重方案如表4所示。

2.4 操控系统轻量化

操控系统轻量化主要通过优化结构及用轻量化材料等方法来实现。每列车减重约50 kg,主要减重方案如表5所示。

表4 走行机构轻量化方案

表5 操控系统轻量化方案

3 电气部件轻量化设计

智轨电车的电气部件大部分采用供应商定型的成熟产品,已经经过非常多的优化和改进,其本身的减重潜力不大,且成本很高。因此,智轨电车的电气部件减重设计主要是其安装零部件的轻量化设计。

电气部件安装零部件的轻量化设计,主要有减少安装件数量、对安装件进行轻量化设计及优化安装方式等方法。每列车减重共计约160 kg。

3.1 减少安装件数量

在确保安装效果满足使用要求的前提下,减少安装件的数量,从而实现减重的目的。每列车减重约0.5 kg,主要减重方案如表6所示。

表6 减少安装件数量减重方案

3.2 安装件结构轻量化设计

电气部件安装件结构轻量化设计的主要方法有开减重孔、减小板厚及优化形状等。每列车减重约10 kg,主要减重方案如表7所示。

表7 安装件结构轻量化设计方案

3.3 改变线束固定方式

将客室及车顶左右两侧的线束,由线槽固定更改为采用2 mm铝合金支架固定,减重约100 kg,主要减重方案如表8所示。

表8 改变线束固定方式的减重方案

3.4 优化电缆布置

优化电缆布置,减少电缆的长度,从而减轻电缆的重量。1列车减重约50 kg。

4 车辆轻量化对比分析

通过机械结构和电气结构2方面的轻量化设计,1列智轨电车减重约1 080 kg,大大地提升了车辆的性能和市场竞争力,如表9所示。

表9 智轨电车轻量化对比

5 结语

为进一步减轻列车重量,可改进车体骨架的设计及焊接工艺,直接在车体骨架外表面油漆,作为车辆的外表面。这样可以取消外饰板及其粘胶,仅此一项改进,一列车大概可以减重500 kg。

可以考虑将车体骨架和车架做成一个碳钢全焊接结构或者铝合金全焊接结构的整体,这样一方面可以节省连接件的重量,降低车体的重量;另一方面可以提高车体的可维护性,降低全生命周期成本。

采用无线传输技术,减少线缆的使用,降低线缆重量。除以上减重措施外,可对由供应商提供的车门、空调及铰接盘等外购件提减重要求,亦可对安装在车顶的动力电池、高低压箱等设备进行集成化设计,减少箱体的用料,减少设备间的布线,从而达到减重的目的。



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