全承载纯电动公交车车架设计与分析

1　研究背景

随着节能环保政策的推出，新能源汽车已经成为当前汽车发展的趋势。在新能源汽车中，纯电动汽车具有结构简单、性能可靠、零排放等优点，加之有国家政策扶持，发展速度非常快［1-2］。

[4]马维，等.地物化综合方法在草原覆盖区找矿中的应用[J].地质与资源，2014,23：113-121.

车架是客车主要的受力基体部分，纯电动公交车的设计与传统内燃机公交车有所不同。纯电动公交车增加了动力电池和高压设备，在整车布置上存在较大差别。车架作为整车受力的基础，必须保证具有足够的强度和刚度来适应以上变化。在车架的设计过程中，采取何种手段来避免由动力电池集中布置所引起的局部应力集中，并调整总体布局，是当今全承载纯电动公交车车架设计的主要课题［3-4］。

2　车架总体布置原则

在满足法规、标准及结构要求的基础上，应综合考虑动力电池仓容积、涉水安全性、乘坐舒适性、底盘与电器件检修方便性、乘客上下车便捷性，以及材料成本等。

中间过道宽度应便于乘客正常行走及侧向站立。走道地板骨架在中门踏步位置应满足乘客门引道通过性要求。乘客门踏步应满足高度、深度及矩形尺寸要求。驱动电机仓骨架表面的高度应满足座位上方自由空间的要求，留有足够的检修空间便于动力系统检修、驱动电机拆装及隔声隔热材料等的安装，同时留出驱动电机高温部件周边的散热空间。驱动电机仓骨架应满足车内乘客踏步的高度要求，同时应综合考虑乘客进出的便捷性及尾排座椅乘坐的舒适性［5］。全承载纯电动公交车车架如图1所示。

根据车身总体布置图及驾驶区地板骨架结构，初步确定前门踏步骨架的结构。根据底盘及乘客门前后立柱的结构，确定前后端面骨架的结构。根据乘客门装配图和乘客门扶手的安装尺寸及要求，确定扶手固定点及预埋，合理分块并进行结构细化。

  

▲图1 全承载纯电动公交车车架

3　车架总体尺寸

承载主体骨架根据模块化设计需求，可以分为前段、中段和后段。根据不同配置需求，通过连接结构将前段、中段和后段承载主体骨架结合为有机整体。推荐前段承载主体骨架设计宽度为620～660 mm，后段承载主体骨架设计宽度为700～750 mm。承载主体骨架的设计关键是前、后悬架系统及动力系统的承载，同时还需综合考虑线束管道布置、底盘各部件布置等。承载主体骨架如图2所示。

4　车架设计

4.1　承载主体骨架

根据车架中后段骨架、高地板骨架、侧围骨架的结构，以及动力电池箱的尺寸与安装要求，确定动力电池仓骨架各部位的具体结构。根据高压电器件涉水深度要求，确定动力电池仓的离地高度。

2.3.3 重复性试验 精密称取药材样品（编号：S2）适量，共6份，按“2.2.2”项下方法制备供试品溶液，再按“2.1”项下色谱条件进样测定。以岩白菜素峰的保留时间和峰面积为参照，记录各共有峰的相对保留时间和相对峰面积。结果，14个共有峰相对保留时间的RSD均小于3%（n＝6），相对峰面积的RSD均小于4%（n＝6），表明本方法重复性良好。

车架的长度要根据整车设计长度、前后围造型、保险杠位置来最终确定。车架的宽度除了考虑整车及前后轮最大外宽外，还需要注意驱动系统锂离子电池布置的影响。车架的高度需要着重考虑后桥驱动模块区域电池布置后整个车架的受力情况。综合以上情况，车架的最终外形尺寸确定为11 435 mm×2 408 mm×902 mm。

  

▲图2承载主体骨架

4.2　车架前段结构

根据车身总体布置图，首先确定驱动电机仓骨架的断面结构及驱动电机仓骨架各位置的宽度与连接方式，然后确定驱动电机仓骨架上的座椅固定预埋，最后综合各系统要求确定电机冷却系统、空压机及各电器控制器等的固定方式及预埋，合理分块并进行结构细化。

设计时，首先确定车架前段骨架中司机平台骨架的主体结构，然后确定车架前段骨架的下部结构，并确定前乘客门踏步的尺寸，以及司机平台骨架与踏步骨架搭接处的连接。

4.3　地板骨架

利用柔性垂直防渗技术与水平封场技术的融合，将污染源进行全方位的阻隔，使其形成1个独立污染单元，更好地对污染源进行控制，实现污染物的零扩散。

4.4　驱动电机仓骨架

前段驾驶区域载荷较小，主要考虑频繁上下客引起的不定载荷变化。

4.5　驱动动力区域结构

承载主体骨架为整车主要承载基体，承受各种工况下复杂力系的作用，应保证具有足够的强度。根据整车承载质量，初步选择矩形管规格，采用材料为Q345、壁厚为3 mm的矩形管材。

4.6　前门踏步骨架

与地方高校协同创新，签订协同创新协议及协同培养合作框架协议，探讨公共数学课联考，推进教考分离以及分类分级教学改革，实现信息资源和教学资源共享，打造公共数学教学质量工程，规范课堂教学监控，开展学科竞赛的联赛活动．

新的个人所得税法中将原来分类征收的工资薪金、劳务报酬、稿酬和特许权使用费四项劳动所得合并为综合所得进行综合征收，将个体工商户的生产、经营所得与对企事业单位的承包经营、承租经营所得合并为经营所得进行综合征收。

4.7　中门踏步骨架

综合考虑底盘、过道地板骨架及乘客门的结构，确定中门踏步的高度及深度。根据乘客门的布置要求，确定门泵的固定方式。根据乘客门扶手的安装尺寸与要求，确定扶手的固定点及预埋，合理分块并进行结构细化。

综合考虑驾驶区地板骨架及驱动电机仓骨架，首先确定地板骨架前后端的位置，然后确定高地板骨架边纵梁的规格及座椅的固定点与预埋，最后根据底盘布置图确定后桥和气囊等底盘件的检修口位置、尺寸及结构。

5　车架有限元分析

车架的有限元分析主要是针对车架在四种典型工况下的强度进行分析。在车架实体建模后，应用Hypermesh软件建立有限元模型，导入Nastran程序进行静力学分析［6-7］。

5.1　匀速直线运动工况

通过模拟计算，车架在匀速直线运动工况下的整体应力云图如图3所示。

  

▲图3 匀速直线运动工况时车架应力云图

由图3可以看出，匀速直线运动工况下车架的整体应力水平较低，最大值为110.4 MPa，远小于材料的许用应力，相对合理。

4、变速后自由跳档。拖拉机运行中，变速后出现自由跳档现象，主要是拔叉轴槽磨损、拔叉弹簧变弱、连杆接头部分间隙过大所致。此时应采用修复定位槽、更换拔叉弹簧、缩小连杆接头间隙，挂档到位后便可确保正常变速。

5.2　扭转工况

扭转工况下车架的应力云图如图4所示。在扭转工况下，左前气簧上纵梁应力值达到308.4 MPa，表明该工况下不存在严重问题，在安全范围内。

5.3　紧急制动工况

紧急制动工况下车架的应力云图如图5所示。在紧急制动工况下，最大应力值出现在前桥推力杆连接处，达到338.3 MPa，应力值仍在安全范围之内，后期可进行适当改进。

  

▲图4 扭转工况时车架应力云图

  

▲图5 紧急制动工况时车架应力云图

5.4　急速转弯工况

车架在急速转弯工况时的应力云图如图6所示。在急速转弯工况下，最大应力值出现在后桥稳定杆附近，达到161.2 MPa，整体应力水平不高，无严重应力集中区，满足要求［8-11］。

  

▲图6 急速转弯工况时车架应力云图

6　结束语

笔者对全承载纯电动公交车车架设计方案进行分析和研究，从全承载纯电动公交车架的特定设计目标出发，对车架的选材、总体尺寸及车架各段设计要点进行阐述，针对车架结构设计了三维模型，选择梁单元建立静态有限元模型，并在此基础上分别进行四种典型工况下的车架应力分析，确认车架设计满足安全要求。

参考文献

［1］ 吴修义.大客车底盘车架结构及分析［J］.商用汽车，2003（6）:72-73.

［2］ 吉林工业大学汽车教研室.汽车设计［M］.北京：机械工业出版社，1981.

［3］ 刘涛.汽车设计［M］.北京：北京大学出版社，2008.

［4］ 刘素红，李芳.一种客车车架结构的有限元分析［J］.机电工程，2010，27（4）：20-23.

［5］ 王京涛.全承载式客车车身结构有限元分析［D］.太原：中北大学，2013.

［6］ 王新荣，陈永波.有限元法基础及ANSYS应用［M］.北京：科学出版社，2008.

［7］ 陈堃.电动客车车架有限元分析及轻量化设计［D］.昆明：昆明理工大学，2013.

［8］ 刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［9］克莱恩.轻量化设计——计算基础与构件结构［M］.陈力禾，译.北京：机械工业出版社，2010.

［10］高卫民，王宏雁.汽车结构分析有限元法［J］.汽车研究与开发，2000（6）：30-32.

［11］张俊杰，战凯，张文明，等.基于ANSYS的气瓶运输车车架轻量化设计研究［J］.机械制造，2015，53（3）：22-25.