新能源商用車車架設計研究

摘要：當前新能源汽車發展迅速，此類汽車的平臺化設計已逐漸成為熱點研究之一，為此，針對新能源商用車的車架設計展開深入研究。首先從新能源汽車背景人手，明確其發展設計現狀，然后從應力荷載分析、車架截面與優化、傳動系統等方面設計車架，并構建有限元分析模型，以期減少設計修改，為相關設計工作與人員提供有效參考。

關鍵詞：新能源汽車；商用車；車架設計

中圖分類號：U463 收稿日期：2023-02-14

1前言

對于汽車而言，安全永遠是第一位的。車架作為汽車的脊梁，尤其是新能源商用車，具有輕量化要求，貨箱與車身的連接處是車架的薄弱部位，一旦出現斷裂極易引起較為嚴重的交通事故。因此應優化車架應力分布，提高其合理性，并依托有限元分析模型的構建確定車架截面厚度、寬度與高度，從而使車架發揮穩定的承載基體作用，減輕車架設計質量的同時，優化其涉及應用效益。

2新能源汽車背景

新能源商用車主要是指在設計和技術特征上進行貨物和人員運送的新能源汽車，驅動能源為氫能、電力等。根據中研網數據公布，我國新能源商用車產量與銷量不斷提高，截至2022年，該用車行業在不包括政府補貼的情況下，市場規模為2229.7億元，同比增長60.64%，整體行業發展迅速。其中，車架作為汽車安全、平穩使用的基礎，模型設計成為新能源商用車發展的主要研究內容。

對于新能源商用車車架，其部件布置具有一定獨特性，這是由動力結構等因素決定的。傳統汽車動力結構主要是變速箱和發動機，需要一定的放置空間，而新能源汽車動力結構主要是充電動力電池，因而車內空間設計相對較大，且新能源汽車結構相對簡單，較普通汽車的運動部件較少，底盤趨于平面化，車身規劃自由度較大。尤其是新能源商用車車架，其電池包大多固定在底盤下部，無論是軸心還是總量，均相對較低，整車操作性提高的同時，也需要提前確認懸置點，依托于量化分析確保設計科學，提高整體布置的簡易程度，并且隨著車身重心的降低車身的整體質量有所減輕。

3基于新能源研究商用車車架的設計

3.1車架應力與荷載

3.1.1應力組成

在新能源商用車運行過程中，車架應力主要包括上下彎曲應力、橫向彎曲應力，車架應力構成較為復雜。應力來源分析具體如下：

a.上下彎曲應力。

在車輛荷載的作用下，新能源商用車車架將會上下彎曲，尤其是在車輛行駛過程中，車輪出現的垂直振動將導致車架抖動（整體）、跳動、俯仰，在各種振動模型的作用下，新能源商用車車架產生上下彎曲應力。當新能源商用車處于高速行駛狀態時，車輛前軸左輪胎和右輪胎將出現上下方向的力，此時車輛車架搖動，進而引起彎曲應力，若是行駛路面不夠平整，由此帶來的跳動沖擊力也會使新能源商用車車架產生彎曲應力。

b.橫向彎曲應力。

當新能源商用車行駛過程中需要高速轉彎時，輪胎的側偏力和離心力將會導致車架出現橫向彎曲應力。這一應力產生要素與車速有關，即便新能源商用車做出轉彎行為但車速相對較低，將缺少離心力的作用，因而對于雙軸汽車而言，橫向彎曲應力不包括在車架應力體系中。但是對于前一軸、后雙軸的汽車轉彎時，后雙軸不會進行轉向反應，在該情況下，車架產生偏向力，同時前軸也產生偏向力，進而使車架產生橫向彎曲應力。

經過上述分析發現，新能源商用車車架的應力組成相對復雜，在進行車架設計時，除了安全性設計這一首要因素，確定車架縱梁主截面尺寸與變截面拐點坐標，還應明確把握材料強度以及材料受到的應力，進而掌握彎曲荷載，以此保證車架設計的科學合理性。由于支點與荷載作用點的復雜性，使車輛車架彎矩額計算也相對復雜。為簡化計算分析流程，有關于車架彎矩的理論模型為：支點為前后軸中心線處作為支撐，集中荷載（Wi）包括動力總成、駕駛室、油箱等，均布載荷（Wi）包括貨箱、車架與貨物，然后圍繞兩個支點（R1與R2），實現支點反力的有效求解。

由于新能源商用車車架構成要素較多，且構件質量總和占整備質量的90%以上，外加貨物重量，所以要明確主要垂向構件的輸入力。除車輪、鋼板彈簧、前后橋等車架以下的支撐部位，主要垂向構件及其輸入載荷分別為：前保險杠的輸入載荷為15h，在模型中的X坐標為-1035；駕駛室總成的輸入載荷為800kg，在模型中的X坐標為-925，400；方向機的輸入載荷為25kg，在模型中的X坐標為782；動力總成的輸入載荷為410kg，在模型中的X坐標為103，1087；蓄電池的輸入載荷為54kg，在模型中的X坐標為1425；油箱的輸入載荷為91.6kg，在模型中的X坐標為1275，2285；備胎的輸入載荷為40.75kg.在模型中的X坐標為4280；車架的輸入載荷為248.5kg，無X坐標；貨箱的輸入載荷為400kg，無X坐標；貨物的輸入載荷為4000kg，無X坐標。