□ 曹 磊 □ 郭旭紅

1.蘇州大學(xué) 機械工程學(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)成為當前汽車發(fā)展的趨勢。在新能源汽車中，純電動汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、零排放等優(yōu)點，加之有國家政策扶持，發(fā)展速度非常快［1-2］。

車架是客車主要的受力基體部分，純電動公交車的設(shè)計與傳統(tǒng)內(nèi)燃機公交車有所不同。純電動公交車增加了動力電池和高壓設(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度和剛度來適應(yīng)以上變化。在車架的設(shè)計過程中，采取何種手段來避免由動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，是當今全承載純電動公交車車架設(shè)計的主要課題［3-4］。

2　車架總體布置原則

在滿足法規(guī)、標準及結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮動力電池倉容積、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)動電機倉骨架表面的高度應(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力系統(tǒng)檢修、驅(qū)動電機拆裝及隔聲隔熱材料等的安裝，同時留出驅(qū)動電機高溫部件周邊的散熱空間。驅(qū)動電機倉骨架應(yīng)滿足車內(nèi)乘客踏步的高度要求，同時應(yīng)綜合考慮乘客進出的便捷性及尾排座椅乘坐的舒適性［5］。全承載純電動公交車車架如圖1所示。

▲圖1 全承載純電動公交車車架

3　車架總體尺寸

車架的長度要根據(jù)整車設(shè)計長度、前后圍造型、保險杠位置來最終確定。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)動模塊區(qū)域電池布置后整個車架的受力情況。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

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)合為有機整體。推薦前段承載主體骨架設(shè)計寬度為620～660 mm，后段承載主體骨架設(shè)計寬度為700～750 mm。承載主體骨架的設(shè)計關(guān)鍵是前、后懸架系統(tǒng)及動力系統(tǒng)的承載，同時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)計時，首先確定車架前段骨架中司機平臺骨架的主體結(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，以及司機平臺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)動電機倉骨架，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)動電機倉骨架

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

4.5　驅(qū)動動力區(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)，以及動力電池箱的尺寸與安裝要求，確定動力電池倉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，確定動力電池倉的離地高度。

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，確定扶手固定點及預(yù)埋，合理分塊并進行結(jié)構(gòu)細化。

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，確定扶手的固定點及預(yù)埋，合理分塊并進行結(jié)構(gòu)細化。

5　車架有限元分析

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

5.1　勻速直線運動工況

通過模擬計算，車架在勻速直線運動工況下的整體應(yīng)力云圖如圖3所示。

▲圖3 勻速直線運動工況時車架應(yīng)力云圖

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

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)力值達到308.4 MPa，表明該工況下不存在嚴重問題，在安全范圍內(nèi)。

5.3　緊急制動工況

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

▲圖4 扭轉(zhuǎn)工況時車架應(yīng)力云圖

▲圖5 緊急制動工況時車架應(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，達到161.2 MPa，整體應(yīng)力水平不高，無嚴重應(yīng)力集中區(qū)，滿足要求［8-11］。

▲圖6 急速轉(zhuǎn)彎工況時車架應(yīng)力云圖

6　結(jié)束語

筆者對全承載純電動公交車車架設(shè)計方案進行分析和研究，從全承載純電動公交車架的特定設(shè)計目標出發(fā)，對車架的選材、總體尺寸及車架各段設(shè)計要點進行闡述，針對車架結(jié)構(gòu)設(shè)計了三維模型，選擇梁單元建立靜態(tài)有限元模型，并在此基礎(chǔ)上分別進行四種典型工況下的車架應(yīng)力分析，確認車架設(shè)計滿足安全要求。

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