全承載純電動公交車車架設計與分析

□ 曹 磊 □ 郭旭紅

1.蘇州大學 機械工程學院 江蘇蘇州 215006

2.奧杰汽車技術股份有限公司 江蘇蘇州 215021

1　研究背景

隨著節能環保政策的推出，新能源汽車已經成為當前汽車發展的趨勢。在新能源汽車中，純電動汽車具有結構簡單、性能可靠、零排放等優點，加之有國家政策扶持，發展速度非常快［1-2］。

車架是客車主要的受力基體部分，純電動公交車的設計與傳統內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備，在整車布置上存在較大差別。車架作為整車受力的基礎，必須保證具有足夠的強度和剛度來適應以上變化。在車架的設計過程中，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力集中，并調整總體布局，是當今全承載純電動公交車車架設計的主要課題［3-4］。

2　車架總體布置原則

在滿足法規、標準及結構要求的基礎上，應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。

中間過道寬度應便于乘客正常行走及側向站立。走道地板骨架在中門踏步位置應滿足乘客門引道通過性要求。乘客門踏步應滿足高度、深度及矩形尺寸要求。驅動電機倉骨架表面的高度應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檢修、驅動電機拆裝及隔聲隔熱材料等的安裝，同時留出驅動電機高溫部件周邊的散熱空間。驅動電機倉骨架應滿足車內乘客踏步的高度要求，同時應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

車架的長度要根據整車設計長度、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，還需要注意驅動系統鋰離子電池布置的影響。車架的高度需要著重考慮后橋驅動模塊區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，承受各種工況下復雜力系的作用，應保證具有足夠的強度。根據整車承載質量，初步選擇矩形管規格，采用材料為Q345、壁厚為3 mm的矩形管材。

承載主體骨架根據模塊化設計需求，可以分為前段、中段和后段。根據不同配置需求，通過連接結構將前段、中段和后段承載主體骨架結合為有機整體。推薦前段承載主體骨架設計寬度為620～660 mm，后段承載主體骨架設計寬度為700～750 mm。承載主體骨架的設計關鍵是前、后懸架系統及動力系統的承載，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　車架前段結構

前段駕駛區域載荷較小，主要考慮頻繁上下客引起的不定載荷變化。

設計時，首先確定車架前段骨架中司機平臺骨架的主體結構，然后確定車架前段骨架的下部結構，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

綜合考慮駕駛區地板骨架及驅動電機倉骨架，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格及座椅的固定點與預埋，最后根據底盤布置圖確定后橋和氣囊等底盤件的檢修口位置、尺寸及結構。

4.4　驅動電機倉骨架

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

4.5　驅動動力區域結構

根據車架中后段骨架、高地板骨架、側圍骨架的結構，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構。根據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

根據車身總體布置圖及駕駛區地板骨架結構，初步確定前門踏步骨架的結構。根據底盤及乘客門前后立柱的結構，確定前后端面骨架的結構。根據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埋，合理分塊并進行結構細化。

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構，確定中門踏步的高度及深度。根據乘客門的布置要求，確定門泵的固定方式。根據乘客門扶手的安裝尺寸與要求，確定扶手的固定點及預埋，合理分塊并進行結構細化。

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，應用Hypermesh軟件建立有限元模型，導入Nastran程序進行靜力學分析［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力云圖如圖3所示。

▲圖3 勻速直線運動工況時車架應力云圖

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

5.2　扭轉工況

扭轉工況下車架的應力云圖如圖4所示。在扭轉工況下，左前氣簧上縱梁應力值達到308.4 MPa，表明該工況下不存在嚴重問題，在安全范圍內。

5.3　緊急制動工況

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

▲圖4 扭轉工況時車架應力云圖

▲圖5 緊急制動工況時車架應力云圖

5.4　急速轉彎工況

車架在急速轉彎工況時的應力云圖如圖6所示。在急速轉彎工況下，最大應力值出現在后橋穩定桿附近，達到161.2 MPa，整體應力水平不高，無嚴重應力集中區，滿足要求［8-11］。

▲圖6 急速轉彎工況時車架應力云圖

6　結束語

筆者對全承載純電動公交車車架設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計目標出發，對車架的選材、總體尺寸及車架各段設計要點進行闡述，針對車架結構設計了三維模型，選擇梁單元建立靜態有限元模型，并在此基礎上分別進行四種典型工況下的車架應力分析，確認車架設計滿足安全要求。

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

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［3］ 劉濤.汽車設計［M］.北京：北京大學出版社，2008.

［4］ 劉素紅，李芳.一種客車車架結構的有限元分析［J］.機電工程，2010，27（4）：20-23.

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［7］ 陳堃.電動客車車架有限元分析及輕量化設計［D］.昆明：昆明理工大學，2013.

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