新能源汽车机械零件结构的优化设计分析

引言

新能源汽车是解决环境污染和能源资源稀缺问题的重要方式之一。然而新能源汽车的电池重量较大，导致车辆整体重量增加，降低了续航里程和能效。新能源汽车轻量化技术是目前研究的重点和难点。在全球能源危机和环境保护意识日益增强的背景下，新能源汽车成为汽车产业发展的重要方向。

一、新能源汽车机械零件结构优化设计的理论基础

1.1 结构优化设计的基本概念

结构优化设计是在给定设计空间与约束条件下，通过系统性调整零件的几何参数与拓扑形态，实现预设性能指标最优的过程。其核心在于建立 “性能 - 约束” 的动态平衡机制，即在满足强度、刚度、尺寸限制等硬性约束的前提下，最大化提升零件的功能性指标，如轻量化水平、能量传输效率或抗疲劳性能。与传统经验化设计不同，现代结构优化设计依托量化分析工具，将定性需求转化为可计算的参数模型，通过迭代寻优逼近理论最优解，形成从目标设定到方案验证的闭环设计流程。

1.2 新能源汽车机械零件的特点与要求

新能源汽车机械零件的设计需适配其独特的动力传输与能量管理模式，呈现出鲜明的技术特征。从工况角度看，电机系统零件需承受高频交变电磁力与瞬时冲击扭矩，要求结构具备优良的动态刚度与热稳定性。电池舱部件需应对宽域温度波动与持续振动冲击，需兼顾结构密封性与散热均衡性。传动系统零件则面临高转速、低损耗的运行需求，对几何精度与表面耐磨性提出严苛要求。从功能集成角度，零件需满足轻量化与模块化双重需求：通过材料革新与结构精简实现减重，以延长续航里程。通过接口标准化设计适应快速装配与维护需求。

1.3 结构优化设计的数学模型与方法

结构优化设计的数学模型由设计变量、目标函数与约束条件三大要素构成。设计变量涵盖零件的几何参数与拓扑参数。目标函数是待优化的核心指标，可表示为单一目标或多目标组合。约束条件则包括强度约束、几何约束与性能约束。常用的优化方法可分为三类：拓扑优化通过删除冗余材料生成最优材料分布形态，形状优化通过调整边界曲线提升结构流畅性，尺寸优化则通过参数微调实现性能精准匹配。这些方法借助有限元分析软件，将物理场仿真结果转化为数学迭代依据，最终输出可直接应用于工程实践的优化方案。

二、新能源汽车核心部件机械零件结构优化设计

2.1 电机系统相关零件的优化设计

电机壳体的设计的目的是实现壳体的散热效果和质量更轻，对内腔不做材料支撑，只保留壳体受力结构，内腔的剩余材料呈蜂窝状或网格状；同时增大热负荷区域的非受力结构的热导路径，即热筋，这种热筋需要进行形状优化设计以扩大热接触面积；其次通过优化转子硅钢片的叠层形式和铁芯槽结构以减少铁耗的消耗；优化边角位置的形面连接，以圆弧取代角过渡降低应力集中的程度；轴承座壳体结构考虑集成化，使支撑面从传统的分体式转换为整体型结构，以求保证轴承座运转的稳定性，并对壁厚进行结构优化，满足所需刚度的情况下降低壳体的重量。

2.2 电池系统相关零件的优化设计

箱体采用多层隔板间断式设计，基于电池模组电芯固定约束力和减重要求，采用拓扑设计生成隔板结构，满足每个电芯模块的独立固定，同时形成贯穿式通道提高冷却效率。箱体材料组合面均采用阶梯过渡板，同时提高箱体密封性，提高箱体对冲击载荷的抵御能力。系统结构部分支架优化主要从动态承重设计入手，通过对支架与车底盘链接处的形状优化设计成渐变过渡截面形式提高振动疲劳寿命，结构上的局部强化针对承重着力点，分别采用适当加厚截面满足局部加强的目的，取得较好的轻量化效果。

2.3 传动系统相关零件的优化设计

针对减速器齿轮采用了齿轮修形优化方法，将齿轮的齿顶、齿根修成圆弧，从而减小啮合冲击噪声，齿面采用鼓形修正消除安装误差。传动轴设计为空心轴，通过内径与壁厚的优化得到传动轴的优选比，两头法兰盘采用叉形空心轻量设计，传动轴的转动惯量小。差速器壳体采用拓扑优化去除多余材料，成为非对称加强筋结构，其扭矩承受能力不降低的情况下，实现传动质量的减少，传动效率得以提高。

三、新能源汽车机械零件结构优化设计的关键技术

3.1 计算机辅助设计与仿真技术

参数化技术,CAD 软件利用模型零件进行参数化建模，即通过输入一个或多个参数来构建该类零件模型，并在参数中实现零件模型的修改；由此软件可自动与修改零件的尺寸值进行重新关联并应用相应的模型进行运算，可以实现模型更改的多方案建模与方案对比；然后利用仿真技术进一步地与软件进行交互，实现对于模型的应力、应变及温度结果的快速捕捉；除此之外，还可以使用其他软件利用参数化技术得到一些近似的结果。拓扑优化技术：根据经验研究，开发出用一系列预先设计的部件替代真实部件或工件。从几个原始方案中选出一组最佳设计来安排如何使用和建立工程开发模式，以及定义所需的最小工程布局以获得成功和有创意的结果。

3.2 材料选择与应用技术

针对零件在性能要求和优化目标下使用不同的材料，对于受载较大的传动件，应优先考虑使用具有较强强度的合金材质，在其上进行热处理来强化机械性能；针对对减轻重量要求较大的壳体件，选择使用碳纤维复合材料或者是铝合金，在其上进行加工来减轻质量，在材料中综合考虑结构和材料的配合，对于一些应力集中的部位选择局部加强材料，不重要或不受力的部位则选择轻质材料，在一些零件的表面对材料进行表面处理等提高材料的耐磨能力以及耐腐蚀能力，这样能提高零件的使用寿命。

3.3 试验验证技术

试验验证是确保优化设计有效性的关键环节，涵盖台架试验与整车试验两大层面。台架试验通过专用设备模拟零件的实际工作环境，测试其强度、疲劳寿命、散热效率等指标，如对电机壳体进行温度循环试验，验证其散热性能稳定性。整车试验则将优化后的零件装配到实车，在不同路况与气候条件下进行长期运行测试，评估零件对整车性能的影响，包括续航里程、噪声水平及可靠性表现。试验过程中采用高精度传感技术采集数据，与仿真结果进行对比分析，进一步修正优化方案，确保零件性能满足实际使用需求。

结语

新能源汽车机械零件结构优化设计意义重大，它以相关理论为基础，针对核心部件零件，借助关键技术实现性能提升。这既满足了新能源汽车对高效、轻量化等需求，也推动了产业技术进步。随着技术发展，优化设计将更精准、高效，为新能源汽车的持续发展提供有力支撑，助力实现绿色出行目标。

参考文献

[1] 闫翠萍, 丁勇. 新能源汽车轻量化技术及应用分析[J]. 农机使用与维修,2024,(06):113-116.

[2]孙昕辰,张凯,李祥,等.新能源汽车电池包箱体结构优化及底部碰撞研究[J].价值工程,2024,43(10):101-105.