不同材质车轮轮毂条件下的纯电动车整车能耗变化规律研究

车轮是车辆行驶系中的重要旋转部件，也是各类乘用车及商用车底盘总成轻量化的关键对象。已有研究表明通过对车轮件的有效轻量化，可对新能源汽车的整车能耗经济性带来显著的提升作用。因此，本文以典型新能源车型为研究目标，研究了钢、铝合金及镁合金三种不同材质条件下，轮毂质量的变化对整车能耗的影响规律。结果表明：该车型轮毂每 降低1kg带来的能耗降低值大约为0.04kW • h/100km (60km/h条件下)，产生的能耗提升效果约为簧上车体等系统降低1kg 产生的能耗降低效果的6 ~10倍，充分说明对于电动车而言，其轮毂的轻量化成效相比于车体等非旋转构件而言更为明显, 为提升新能源汽车产品的能耗经济性，将轮毂等典型底盘构件作为重点轻量化对象可能具有更为显著的意义。

引言

为缓解日趋严峻的能源、环境压力，近年来国家正从政策法规层面入手大刀阔斧推进我国汽车产业的节能减排发展，以电动汽车为代表的新能源汽车逐渐在汽车领域崭露头角。国内新能源汽车发展始于2009年左右，随后在2009- 2012年由国内政府牵头率先在公共交通领域进行了行业推广应用。2013年由国家主导开始全国范围内的新能源车第二轮推广，主要针对的对象就是乘用车型。从2014年开始至今基于政策牵引，为推进国家2020年乘用车油耗控制目标，国内业界纷纷致力于新能源乘用车的研发及市场推广， 产销量逐年提升(图1和图2)。在国内汽车市场日趋饱和、 增速放缓的情况下，新能源车市场在市场需求的带动下，中国新能源汽车产业发展取得了明显成效。

图 1 2014-2017年我国新能源汽车总产量

首先对于传统燃油乘用车领域而言，轻量化几乎已成为保证车辆动力性、安全性、燃油经济性实现良好匹配的最为重要的技术手段；而对于新能源汽车而言，电动车的三电系统设备质量相当于传统动力汽车的3〜4人的满载状态，因此对于新能源汽车而言对轻量化技术的需求更加迫切⑵。

图3中可以看出⑶，在众多实现汽车节能减排方式中轻 量化技术是目前实现节能减排最有效的手段。基于此当前国 家层面高度关注汽车产业的轻量化技术发展，在诸如《中 国制造2025》（2006-2020国家中长期科学和技术发展规划 纲要》《汽车产业中长期发展规划》等纲领性文件中均强调了轻量化技术研发与应用在我国汽车产业发展进程中的突出地位，轻量化已然成为我国未来汽车产业技术发展的最为重要的方向之一⑸。

图 3 汽车节能减排技术⑶

汽车车轮是汽车行驶系中的重要旋转部件，同时也是外饰件，其与轮胎共同组成车体与地面之间的接触媒介，起到支撑、驱动、制动及转向作用的部件⑹。传统乘用车多采用钢质车轮，其质量约占汽车整车质量的5%〜9%左右。近年来已有大量研究提出：若将整车分为簧上和簧下两部分, 车轮就属于所谓的车辆簧下构件，对于簧下可定义为由悬架系统中的弹性元件所支撑的质量，一般包括车轮、弹簧、减振器以及其他相关部件等。对于簧上和簧下两部分而言，在同等轻量化幅度条件下，对整车油耗（能耗）的影响是存在显著差异的。簧下轻量化对整车能耗的影响程度显著高于簧上部分（业内研究指出簧下轻量化对能耗的影响程度定量大约可达到5〜15倍于簧上轻量化的程度，即簧下降低 1kg质量相当于15kg簧上轻量化效果），通过降低簧下质 量，更加有利于提升整车的综合服役性能水平。

目前，汽车车轮轻量化主要技术途径是采用各类轻质材料，随着新材料技术不断发展，当前各类乘用车车轮材质早已从传统的钢、铝合金，逐渐向镁合金、碳纤维等方向发展。但是，针对汽车实行轻量化，往往意味着成本、工艺等方面的难度提升。因此针对具体零件实行轻量化，必须从燃油（能耗）经济性、安全性、舒适性及成本等多方面进行综合评估。其中，作为轻量化影响最直接的能耗经济性指标，必须准确衡量其降低质量后对整车能耗经济性指标的影响规律和程度，从而才能对轻量化成效做出准确合理的判断。当前，国内针对乘用车静态构件轻量化成效的评价涉及较多，对于车轮这类旋转件却涉足较少，也缺乏必要数据积累，因此目前车轮的主要材料依旧还是多采用钢材、铝材， 对于镁合金甚至碳纤维等轻质材料应用于车轮上的可行性⑺、必要性等认知不足，需要对此开展相应的基础性研究。此外，当前国内电动车构件的轻量化对于其能耗经济性指标影响研究也相对较少。本文选取典型电动车型，研究车轮轮毂重量的变化对于整车能耗的影响规律，为当前国内汽车行业实施乘用车乃至商用车轮毂件的轻量化提供一定的参考依据。

1、试验车型及试验方法

木文以国内某自主品牌车企成熟新能源车型为研究对象。通过配备三种不同材质的车轮轮毂构件，检测不同工况条件下的整车能耗变化，获取车轮轮毂件质量变化对新能源车型整车能耗的影响规律和程度。试验过程参照GB/ T18386-2005标准要求执行。具体试验方法采用等速法，设定试验车速为 30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h, 试验过程均在专用台架上完成，以便考察在最为理想行驶工况条件下因车轮轮毂质量变化对整车能耗构成的影响。其中能耗参量定义为100km耗电量，其参照GB/T18386定义为充电期间来自于电网的能量（单位为kW・h）与试验期间行驶的总距离即续驶里程值之间的比值（单位参照当前行业常用值为kW • h/100km） 。试验过程中的涉及相关条件参 照GB/T 18385-2005对应要求，试验过程中允许停车两次， 每次停车时间不得超过2min,当行驶至车载仪器提示停止指 示时停止试验（此时电量接近耗尽）。试验结束后，记录车辆行驶总距离及用时量（h）,进而得出相应的100km能耗值。具体试验过程如图4所示。此外，每种车速条件下的试验车型承载工况又分为空载（1610kg）和满载（1980kg）,满载质量由厂家提供。

图4 试验过程

2、试验轮毂信息

试验所用车轮材料分为钢车轮、铝车轮和镁车轮，其中 镁合金车轮按结构差异性分为两种，共计4组轮毂件。每组 车轮轮毂构件的相关信息见表1。

针对本车，四种材质条件下整车的空载和满载能耗见表2〜表5。如图5所示，在相同载荷状态及车速条件下随着轮毂质量的降低，能耗也随之降低，但是能耗降低幅度较小，这应该与车轮系统质量占比偏小有关。由图6可以看 出：在空载条件下（等车速）轮毂质量变化对能耗的影响程度更高，分析认为也是由于满载条件下相对于空载整车质量偏高，因此车轮系统质量变化对整车能耗的影响相对减弱有关。四种车轮轮毂质豈与整车能耗之间的近似对应关系如式（1）〜式（10）。

3、试验结果

图5整车能耗随轮毂质量的变化规律

图6轮毂质量变化对空载和满载条件下整车能耗的影响对比

进一步讨论轮毂质量变化对整车行驶经济性的影响。根据试验结果，该车型轮毂每降低1 kg带来的能耗降低值大约为0. 04kW • h/100km (车速60km/h条件下)，而根据行业经验总结数据得出，电动车整车(目前主要基于簧上轻量化得出)质量每降低10%,产生的能耗降低比例约为5%~ 8%。本文试验车型整备质量约为1610kg,以该车型原配备 的铝合金轮毂100km能耗为11. 7kW • h/100km (60km/h条件下)，则可近似换算出如轮毂材质不变，从车体等部分降低1kg后带来的能耗降低值范围为0. 004〜0. 006kW • h/ 100km,也即该车型轮毂降低1kg产生的能耗提升效果约为等部位降低1kg产生的能耗降低效果的6〜10倍, 充分说明对于电动车而言，其轮毂轻量化之后所带来的能耗经济性提升成效相比于车体等非旋转构件而言更为明显，对于车企而言，未来除了传统的车身外，应高度关注并实施车轮轮毂构件的轻量化，可能具有更为显著的意义。

5、结论

针对国内某典型新能源车型，进行了配备二种材质车轮轮毂条件下的整车能耗对比试验研究，结果表明：随着轮毂系统质量的提高，对新能源汽车整车能耗将会构成显著影响。相对于车体而言，对轮毂等簧下典型系统构件的轻量 化，可能将更加有助于提升新能源整车能耗经济性水平。

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