□ 曹 磊 □ 郭旭紅

1.蘇州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇蘇州 215006

2.奧杰汽車技術(shù)股份有限公司 江蘇蘇州 215021

1　研究背景

隨著節(jié)能環(huán)保政策的推出，新能源汽車已經(jīng)成為當(dāng)前汽車發(fā)展的趨勢(shì)。在新能源汽車中，純電動(dòng)汽車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、零排放等優(yōu)點(diǎn)，加之有國(guó)家政策扶持，發(fā)展速度非?？欤?-2］。

車架是客車主要的受力基體部分，純電動(dòng)公交車的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)公交車有所不同。純電動(dòng)公交車增加了動(dòng)力電池和高壓設(shè)備，在整車布置上存在較大差別。車架作為整車受力的基礎(chǔ)，必須保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度來適應(yīng)以上變化。在車架的設(shè)計(jì)過程中，采取何種手段來避免由動(dòng)力電池集中布置所引起的局部應(yīng)力集中，并調(diào)整總體布局，是當(dāng)今全承載純電動(dòng)公交車車架設(shè)計(jì)的主要課題［3-4］。

2　車架總體布置原則

在滿足法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮動(dòng)力電池倉(cāng)容積、涉水安全性、乘坐舒適性、底盤與電器件檢修方便性、乘客上下車便捷性，以及材料成本等。

中間過道寬度應(yīng)便于乘客正常行走及側(cè)向站立。走道地板骨架在中門踏步位置應(yīng)滿足乘客門引道通過性要求。乘客門踏步應(yīng)滿足高度、深度及矩形尺寸要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架表面的高度應(yīng)滿足座位上方自由空間的要求，留有足夠的檢修空間便于動(dòng)力系統(tǒng)檢修、驅(qū)動(dòng)電機(jī)拆裝及隔聲隔熱材料等的安裝，同時(shí)留出驅(qū)動(dòng)電機(jī)高溫部件周邊的散熱空間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架應(yīng)滿足車內(nèi)乘客踏步的高度要求，同時(shí)應(yīng)綜合考慮乘客進(jìn)出的便捷性及尾排座椅乘坐的舒適性［5］。全承載純電動(dòng)公交車車架如圖1所示。

▲圖1 全承載純電動(dòng)公交車車架

3　車架總體尺寸

車架的長(zhǎng)度要根據(jù)整車設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、前后圍造型、保險(xiǎn)杠位置來最終確定。車架的寬度除了考慮整車及前后輪最大外寬外，還需要注意驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)鋰離子電池布置的影響。車架的高度需要著重考慮后橋驅(qū)動(dòng)模塊區(qū)域電池布置后整個(gè)車架的受力情況。綜合以上情況，車架的最終外形尺寸確定為11 435 mm×2 408 mm×902 mm。

4　車架設(shè)計(jì)

4.1　承載主體骨架

承載主體骨架為整車主要承載基體，承受各種工況下復(fù)雜力系的作用，應(yīng)保證具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)整車承載質(zhì)量，初步選擇矩形管規(guī)格，采用材料為Q345、壁厚為3 mm的矩形管材。

承載主體骨架根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)需求，可以分為前段、中段和后段。根據(jù)不同配置需求，通過連接結(jié)構(gòu)將前段、中段和后段承載主體骨架結(jié)合為有機(jī)整體。推薦前段承載主體骨架設(shè)計(jì)寬度為620～660 mm，后段承載主體骨架設(shè)計(jì)寬度為700～750 mm。承載主體骨架的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是前、后懸架系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)的承載，同時(shí)還需綜合考慮線束管道布置、底盤各部件布置等。承載主體骨架如圖2所示。

▲圖2承載主體骨架

4.2　車架前段結(jié)構(gòu)

前段駕駛區(qū)域載荷較小，主要考慮頻繁上下客引起的不定載荷變化。

設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定車架前段骨架中司機(jī)平臺(tái)骨架的主體結(jié)構(gòu)，然后確定車架前段骨架的下部結(jié)構(gòu)，并確定前乘客門踏步的尺寸，以及司機(jī)平臺(tái)骨架與踏步骨架搭接處的連接。

4.3　地板骨架

綜合考慮駕駛區(qū)地板骨架及驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架，首先確定地板骨架前后端的位置，然后確定高地板骨架邊縱梁的規(guī)格及座椅的固定點(diǎn)與預(yù)埋，最后根據(jù)底盤布置圖確定后橋和氣囊等底盤件的檢修口位置、尺寸及結(jié)構(gòu)。

4.4　驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架

根據(jù)車身總體布置圖，首先確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架的斷面結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架各位置的寬度與連接方式，然后確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)倉(cāng)骨架上的座椅固定預(yù)埋，最后綜合各系統(tǒng)要求確定電機(jī)冷卻系統(tǒng)、空壓機(jī)及各電器控制器等的固定方式及預(yù)埋，合理分塊并進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化。

4.5　驅(qū)動(dòng)動(dòng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)

根據(jù)車架中后段骨架、高地板骨架、側(cè)圍骨架的結(jié)構(gòu)，以及動(dòng)力電池箱的尺寸與安裝要求，確定動(dòng)力電池倉(cāng)骨架各部位的具體結(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓電器件涉水深度要求，確定動(dòng)力電池倉(cāng)的離地高度。

4.6　前門踏步骨架

根據(jù)車身總體布置圖及駕駛區(qū)地板骨架結(jié)構(gòu)，初步確定前門踏步骨架的結(jié)構(gòu)。根據(jù)底盤及乘客門前后立柱的結(jié)構(gòu)，確定前后端面骨架的結(jié)構(gòu)。根據(jù)乘客門裝配圖和乘客門扶手的安裝尺寸及要求，確定扶手固定點(diǎn)及預(yù)埋，合理分塊并進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化。

4.7　中門踏步骨架

綜合考慮底盤、過道地板骨架及乘客門的結(jié)構(gòu)，確定中門踏步的高度及深度。根據(jù)乘客門的布置要求，確定門泵的固定方式。根據(jù)乘客門扶手的安裝尺寸與要求，確定扶手的固定點(diǎn)及預(yù)埋，合理分塊并進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化。

5　車架有限元分析

車架的有限元分析主要是針對(duì)車架在四種典型工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析。在車架實(shí)體建模后，應(yīng)用Hypermesh軟件建立有限元模型，導(dǎo)入Nastran程序進(jìn)行靜力學(xué)分析［6-7］。

5.1　勻速直線運(yùn)動(dòng)工況

通過模擬計(jì)算，車架在勻速直線運(yùn)動(dòng)工況下的整體應(yīng)力云圖如圖3所示。

▲圖3 勻速直線運(yùn)動(dòng)工況時(shí)車架應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，勻速直線運(yùn)動(dòng)工況下車架的整體應(yīng)力水平較低，最大值為110.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，相對(duì)合理。

5.2　扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況下車架的應(yīng)力云圖如圖4所示。在扭轉(zhuǎn)工況下，左前氣簧上縱梁應(yīng)力值達(dá)到308.4 MPa，表明該工況下不存在嚴(yán)重問題，在安全范圍內(nèi)。

5.3　緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況下車架的應(yīng)力云圖如圖5所示。在緊急制動(dòng)工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在前橋推力桿連接處，達(dá)到338.3 MPa，應(yīng)力值仍在安全范圍之內(nèi)，后期可進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

▲圖4 扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架應(yīng)力云圖

▲圖5 緊急制動(dòng)工況時(shí)車架應(yīng)力云圖

5.4　急速轉(zhuǎn)彎工況

車架在急速轉(zhuǎn)彎工況時(shí)的應(yīng)力云圖如圖6所示。在急速轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在后橋穩(wěn)定桿附近，達(dá)到161.2 MPa，整體應(yīng)力水平不高，無(wú)嚴(yán)重應(yīng)力集中區(qū)，滿足要求［8-11］。

▲圖6 急速轉(zhuǎn)彎工況時(shí)車架應(yīng)力云圖

6　結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)全承載純電動(dòng)公交車車架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和研究，從全承載純電動(dòng)公交車架的特定設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，對(duì)車架的選材、總體尺寸及車架各段設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，針對(duì)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三維模型，選擇梁?jiǎn)卧㈧o態(tài)有限元模型，并在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行四種典型工況下的車架應(yīng)力分析，確認(rèn)車架設(shè)計(jì)滿足安全要求。

［1］ 吳修義.大客車底盤車架結(jié)構(gòu)及分析［J］.商用汽車，2003（6）:72-73.

［2］ 吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［3］ 劉濤.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008.

［4］ 劉素紅，李芳.一種客車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機(jī)電工程，2010，27（4）：20-23.

［5］ 王京濤.全承載式客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.太原：中北大學(xué)，2013.

［6］ 王新榮，陳永波.有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［7］ 陳堃.電動(dòng)客車車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

［8］ 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［9］克萊恩.輕量化設(shè)計(jì)——計(jì)算基礎(chǔ)與構(gòu)件結(jié)構(gòu)［M］.陳力禾，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［10］高衛(wèi)民，王宏雁.汽車結(jié)構(gòu)分析有限元法［J］.汽車研究與開發(fā)，2000（6）：30-32.

［11］張俊杰，戰(zhàn)凱，張文明，等.基于ANSYS的氣瓶運(yùn)輸車車架輕量化設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械制造，2015，53（3）：22-25.