陳樂強(qiáng)、楊彥三、楊延功、孫國偉、劉　濤

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城　252000）

?

10 m純電動(dòng)客車輕量化設(shè)計(jì)與分析

陳樂強(qiáng)、楊彥三、楊延功、孫國偉、劉濤

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

摘要：通過對(duì)某10 m純電動(dòng)客車局部采用低密度材料，車架采用高強(qiáng)度材料，部分骨架結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化的方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并采用CAE對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的整車骨架進(jìn)行強(qiáng)度分析。輕量化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)，不但能夠滿足整車的強(qiáng)度要求，而且能夠增加車輛的續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；輕量化設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析；續(xù)駛里程

純電動(dòng)客車，因其零排放、低噪聲、能源來源多等優(yōu)勢(shì)，特別適合像中國這樣的能源、環(huán)境壓力大的國家。政府對(duì)純電動(dòng)客車的研發(fā)、購買及運(yùn)營的優(yōu)惠政策也越來越大。純電動(dòng)客車是在這種背景下，成為新能源汽車重點(diǎn)發(fā)展的方向之一[1]。

純電動(dòng)客車由于其電池的能量密度遠(yuǎn)低于常規(guī)燃料，所以如何增加純電動(dòng)客車的續(xù)航里程成為純電動(dòng)客車發(fā)展的一個(gè)重要難題。增加純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程普遍采用兩種方式[2]：一是增加電池容量，但是這不僅增加了電池組的成本，而且還增加了車輛重量，影響純電動(dòng)客車的使用成本和能源效率；二是對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，由于行駛的能量消耗和車的重量存在正比例的關(guān)系，減少整車的重量，就可以達(dá)到增加行駛里程的目的[3]。

本文選取一款10 m純電動(dòng)客車6108EVG作為研究對(duì)象，主要對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)與分析。

1　輕量化設(shè)計(jì)

1.1低密度材料的應(yīng)用

選擇合適的低密度材料，即在保持原材料截面、體積不變的情況下，通過降低材料的密度來降低零部件的重量，如采用鋁合金、鎂合金、鈦合金等替代鋼材料。此方法雖然效果明顯，但是成本較高，不適于在客車各零部件上大范圍采用[4]。

客車的生產(chǎn)工藝主要以焊接為主，低密度材料大部分是合金材料，所以這些低密度材料只能應(yīng)用在客車的局部不需要焊接的部位，如艙門、封板、地板等。此車型上主要進(jìn)行了表1所示的低密度材料的應(yīng)用。

表1　低密度材料的應(yīng)用

1.2高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用

選用更高強(qiáng)度的鋼材即高強(qiáng)鋼，通過提高其屈服極限強(qiáng)度、最大抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度極限來減小所用鋼材的尺寸、壁厚等參數(shù)，達(dá)到降重的目的?？蛙嚬羌苁怯设旒芙Y(jié)構(gòu)焊接而成，用高強(qiáng)鋼型材替代現(xiàn)有的普通鋼材，能在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上達(dá)到很好的降重效果[5]。

客車行業(yè)現(xiàn)階段主要用的高強(qiáng)鋼材料為QSTE 700TM。普通鋼材的骨架轉(zhuǎn)換為高強(qiáng)鋼骨架，壁厚可以通過公式（1）進(jìn)行換算[6]。

式中：ths為高強(qiáng)鋼的厚度；tms為普通鋼的厚度；Rehs為高強(qiáng)鋼的屈服極限；Rems為普通鋼的屈服極限。

以普通鋼材Q345為例。在替換為強(qiáng)鋼過程中，高強(qiáng)鋼壁厚選取如表2所示。

表2　高強(qiáng)鋼材壁厚計(jì)算

高強(qiáng)鋼型材隨著強(qiáng)度的提高，其總伸長率（塑性）下降，導(dǎo)致其加工成型困難，相對(duì)于普通強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)鋼在加工成型時(shí)，更容易出現(xiàn)裂縫、回彈、翹曲褶皺等缺陷。客車骨架是通過型鋼拼焊而成的框架式結(jié)構(gòu)，車身骨架因?yàn)樵煨偷男枰?，很多型鋼都要進(jìn)行彎弧、沖壓等二次成型[7]。高強(qiáng)鋼的一次成型就已經(jīng)非常困難，二次成型難度更大。所以現(xiàn)階段大多數(shù)客車企業(yè)高強(qiáng)鋼只是在車架、底架上進(jìn)行了推廣應(yīng)用。對(duì)于存在大彎弧型鋼的前后圍、頂蓋、側(cè)圍等車身骨架沒有應(yīng)用。

此車型僅在車架、底架上進(jìn)行了高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用，共降重300 kg。

1.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)前/后懸、中段骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，去掉多余的型鋼件，讓各總成結(jié)構(gòu)更加簡單。對(duì)電池托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，減少焊縫的數(shù)量，共降重80 kg。

因此，本文通過對(duì)10 m純電動(dòng)客車整車局部采用低密度材料、車架采用高強(qiáng)度材料、部分骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，共計(jì)降重638 kg。輕量化后此6108EVG車型的整車整備質(zhì)量為11 550 kg，降重比例為5.23%，降重效果明顯。

2　CAE分析

輕量化后整車骨架的強(qiáng)度是否滿足車輛的安全需要，需對(duì)整車骨架進(jìn)行CAE驗(yàn)證分析。本文應(yīng)用Hypermesh軟件對(duì)輕量化后的整車骨架進(jìn)行有限元分析[8]。

2.1靜態(tài)特性分析

為了更充分地模擬車輛在實(shí)際路況中的受力情況，本文對(duì)輕量化后的整車模型分別進(jìn)行了彎曲工況、左輪懸空工況、右輪懸空工況、制動(dòng)工況、倒車制動(dòng)工況、左轉(zhuǎn)彎工況、右轉(zhuǎn)彎工況共七種工況下的CAE分析。這七種工況基本涵蓋了車輛在實(shí)際運(yùn)行中能遇到的所有極限工況。

各工況邊界條件的施加不是本文的重點(diǎn)，不再進(jìn)行介紹。提取七種工況下的分析結(jié)果：各工況下各總成部件的最大應(yīng)力值，如表3所示。

從以上CAE分析結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，輕量化后的整車骨架應(yīng)力沒有超出材料的屈服極限，尤其是輕量化后的車架安全系數(shù)仍保持在3左右，可以滿足車輛正常運(yùn)行的各工況的需要[9]。

2.2動(dòng)態(tài)特性分析

為了了解此車型輕量化后的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)輕量化后的整車進(jìn)行了自由模態(tài)分析。由于客車的激勵(lì)頻率多集中在低頻領(lǐng)域，高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性影響很小，所以只需要計(jì)算前幾階頻率即可。此文共計(jì)算了前15階頻率。前6階是剛體模態(tài)，不再考慮。提取7-15階計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由外界激勵(lì)頻率和激勵(lì)分量大小以及結(jié)構(gòu)本身的固有頻率和相應(yīng)振型決定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)三個(gè)層次分析進(jìn)行評(píng)價(jià)：第一層次，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大或有幾何約束要求的振型應(yīng)遠(yuǎn)離較大激勵(lì)分量的激勵(lì)頻率；第二層次，盡量提高前幾階模態(tài)的固有頻率，以提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度；第三層次，結(jié)構(gòu)固有頻率應(yīng)盡量錯(cuò)開荷載激振頻率。

客車的激勵(lì)一般分為路面激勵(lì)、車輪不平衡激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、傳動(dòng)軸激勵(lì)等。路面激勵(lì)一般隨道路條件決定。目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵(lì)多在1 Hz～3 Hz，此激勵(lì)分量較大；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于10 Hz（最高車速取100 km/h，輪胎滾動(dòng)半徑494 mm）。隨著現(xiàn)在輪輞制造質(zhì)量與檢測(cè)水平的提高，此激勵(lì)分量較??；發(fā)動(dòng)機(jī)引起的激振頻率在35 Hz以上（取怠速為700 r/min，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)），此激勵(lì)分量較大；城市中一般行駛車速控制在50～80 km/h，高速公路上一般車速控制在80～100 km/h，傳動(dòng)軸的不平衡引起的振動(dòng)頻率范圍在33 Hz以上，此激勵(lì)分量較小。所以，從上述評(píng)價(jià)原則看，若以錯(cuò)開2 Hz為界，該車的前幾階模態(tài)最好出現(xiàn)在12 Hz～31 Hz的頻段內(nèi)，至少也要保證前幾階關(guān)鍵模態(tài)頻率控制在12 Hz～31 Hz的頻段內(nèi)。從分析結(jié)果看，此結(jié)構(gòu)前幾階關(guān)鍵模態(tài)的固有頻率大都控制在這個(gè)頻率段內(nèi)，此車前幾階固有模態(tài)滿足上述第一層次的要求；此車型輕量化后的整車第一階固有頻率為9.63 Hz，根據(jù)上述第二層次要求評(píng)價(jià)尚可；第三層次要求，有部分階次的模態(tài)發(fā)生在可能的激振域內(nèi)，如車輪不平衡激勵(lì)等，但如前所述，分量較小，一般不會(huì)引起共振[9]。所以此車型輕量化后的整車動(dòng)態(tài)特性可以滿足車輛正常行駛的需要。

3　結(jié)束語

該6108EVG車型的輕量化設(shè)計(jì)，共降重638 kg，降重效果明顯，并且滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析要求。整車輕量化設(shè)計(jì)不僅增加了純電動(dòng)客車的續(xù)航里程，增加了載客量，而且提高了產(chǎn)品的競爭力。所以輕量化設(shè)計(jì)在純電動(dòng)客車設(shè)計(jì)中具有重要的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐瑜亮.純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和續(xù)駛里程研究[J].客車技術(shù)與研究，2013，35（1）：9-11.

[2]王心宏，李佳，李湘臣.JXK6620CEV純電動(dòng)客車設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2014，36（6）：12-14.

[3]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[4]李彩芬、張衛(wèi)林.客車節(jié)能影響因素分析[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（6）：35-37.

[5]袁淵.客車車身骨架的靜強(qiáng)度和輕量化分析[D].長春：吉林大學(xué)，2006.

[6]劉鴻文.材料力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[7]李琦，陽林，賀紹華.面向汽車輕量化的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼成型技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（5）：47-50.

[8]田芳，王濤，石琴.全承載式客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（1）：17-19.

[9]梁卓，沈光烈.全承載式客車車身合理結(jié)構(gòu)探討[J].客車技術(shù)，2012（6）：18-20.

修改稿日期：2015-10-09

Lightweight Design and Analysis on a 10 m-length Pure Electric Bus

Chen Leqiang, Yang Yansan, Yang Yangong, Sun Guowei, Liu Tao
（Zhongtong Bus Holding Co., Ltd, Liaocheng 252000，China）

Abstract：For a 10 m-length pure electric bus, the authors make it lightweight design through measures of its local parts using low-density materials, its chassis frame using high-strength materials and its partial skeleton structures taking optimization. Then, they use CAE to analyze the strength for the lightweight designed vehicle framework. The lightweight designed structure can not onlymeet the strength requirement ofthe vehicle but alsoincrease the continuous travel distance ofthe vehicle.

Key words:pure electric bus, lightweight design, strength analysis, continuous travel distance

中圖分類號(hào)：U462.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-3331（2016）02-0018-03

作者簡介：陳樂強(qiáng)（1988-），男，助理工程師；主要從事CAE分析、車架設(shè)計(jì)工作。