XML6125 J EV純電動(dòng)城市客車中置后驅(qū)底盤設(shè)計(jì)開發(fā)

曾志俊

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門　361022）

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XML6125 J EV純電動(dòng)城市客車中置后驅(qū)底盤設(shè)計(jì)開發(fā)

曾志俊

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門361022）

摘要：介紹XML6125JEV純電動(dòng)客車研發(fā)背景、電池電機(jī)布置情況、主要參數(shù)、底盤主要部件配置及計(jì)算、軸荷分配的類比計(jì)算方法，并對(duì)整車最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行校核計(jì)算。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；主要參數(shù)；中置后驅(qū)；底盤設(shè)計(jì)

純電動(dòng)城市客車以其低能耗、零污染的優(yōu)勢(shì)，近年來得到了很大的推廣。依托國(guó)家的政策支持，各大汽車生產(chǎn)企業(yè)積極開發(fā)新能源汽車產(chǎn)品。金旅公司在新能源汽車領(lǐng)域投入大量研究，在市場(chǎng)上也有許多成熟、可靠的產(chǎn)品，并不斷根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和客戶反饋優(yōu)化開發(fā)新產(chǎn)品。XML6125JEV就是在這樣的背景下開發(fā)出來的一款驅(qū)動(dòng)電機(jī)中置、電池組獨(dú)立整體布置的純電動(dòng)城市客車。該車長(zhǎng)×寬×高11 980 mm×2 540 mm×3 300 mm；前懸/軸距/后懸2 650 mm/ 6 430 mm/2 900 mm；前輪距/后輪距2 096 mm/1 860 mm；整備質(zhì)量13 100 kg；總質(zhì)量18 000 kg。

1　整體布置及配置方案

1.1電池及電機(jī)布置

目前，市場(chǎng)上大型純電動(dòng)城市客車仍多采用后置后驅(qū)的布置型式[1-2]。采用此類布置型式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在相當(dāng)于傳統(tǒng)車型變速器的位置。當(dāng)前，主流車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱主要采用水冷方式，必然在使管路合理化的前提下，在電機(jī)周邊盡可能小的范圍內(nèi)布置水箱散熱器及電機(jī)控制器等設(shè)備。為使軸荷分配合理化，儲(chǔ)能電池組能夠布置的空間比較有限，現(xiàn)行通用的做法是將電池組布置于車頂和前中段底架上?？紤]到車廂內(nèi)的乘坐空間最大化，儲(chǔ)能電池組只能夠布置于車頂和中段底架上，但是這兩個(gè)位置仍有不足之處。

1）電池布置于中段底架上，因中段地板為乘客區(qū)，離地間隙有限，底架以下不可能布置。只有在中段地板區(qū)域，做踏步臺(tái)階并抬高座椅高度位置，才能滿足儲(chǔ)能電池布置空間。同時(shí)，由于臺(tái)階高度需滿足相關(guān)法規(guī)要求[3]，因此必然導(dǎo)致儲(chǔ)能電池裝配空間緊張。更重要的是，底架上的儲(chǔ)能電池需要重點(diǎn)考慮車輛涉水深度，因此，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能電池艙的密封性有很高的要求。

2）電池布置于車頂上，夏日暴曬溫度極高；冬日寒冷溫度低都將影響電池工作效率，為此需要增加空調(diào)制冷管路或通風(fēng)管道，保持合適溫度（夏天降溫、冬日保溫）。

3）電池布置于車頂上，會(huì)大大提升車輛重心高度，安全性受到很大影響，頂骨架及側(cè)圍骨架的強(qiáng)度要求也更高。同時(shí)，車頂對(duì)于日常運(yùn)營(yíng)檢查、售后維修極其不便。

為解決上述問題，放置儲(chǔ)能電池的最好位置是車廂內(nèi)最后部，但是電池提供的是高壓電源，為安全起見，最好又能同乘客區(qū)隔離開來。整體獨(dú)立布置，便于電池拆裝日常保養(yǎng)、檢修，但隨之而來的問題是整車軸荷分配問題，儲(chǔ)能電池+驅(qū)動(dòng)電機(jī)+控制設(shè)備+水箱等部件必將使后橋的軸荷大大地增加，造成整車姿態(tài)前輕后重，對(duì)車輛高速行駛造成不穩(wěn)定、不安全的隱患。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思路，大膽將驅(qū)動(dòng)電機(jī)及附件設(shè)備盡可能移到后橋前面來增加前橋的軸荷，底盤布置形式采用中置后驅(qū)的方案，如圖1所示。

圖1　　fgdfgdfXML6125JEV電動(dòng)客車電池電機(jī)布置圖

1.2底盤主要部件配置

1）方盛前橋。型號(hào)：JY30FS7BP6；7.5 T大落差門式、整體鍛造式前軸，盤式制動(dòng)器；前輪外傾角0°；主銷后傾角3.5°；前束：無內(nèi)胎子午線胎為0～2 mm；轉(zhuǎn)向節(jié)臂半徑為308 mm。

2）方盛后橋。型號(hào)：JY24ST8；13 t額定載荷，新能源進(jìn)口主減，允許最大輸入扭矩43 000 N·m，盤式制動(dòng)器；速比6.14。因?yàn)殡姍C(jī)中置，需盡量壓低中門后底盤高度，使中門后踏步臺(tái)階滿足相應(yīng)法規(guī)要求，取消了驅(qū)動(dòng)電機(jī)頂部控制盒，并將后橋主減速器的輸入角度調(diào)為4°。

3）懸架及轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)。懸架系統(tǒng)采用中國(guó)公路空氣懸架，前2后4氣囊，雙向作用筒式減振器，帶后橋橫向穩(wěn)定桿；動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電液助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵；替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向助力泵；制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源采用電車專用滑片式電動(dòng)空壓機(jī)[4]。

1.3純電系統(tǒng)主要部件參數(shù)

1）電機(jī)參數(shù)。額定功率/轉(zhuǎn)速110 kW/ 887（r/min）；額定扭矩/轉(zhuǎn)速1 184 N·m/ 887（r/min）；峰值功率/轉(zhuǎn)速200 kW/ 887（r/min）；峰值扭矩/轉(zhuǎn)速2 150 N·m/ 887 （r/min）；總質(zhì)量660 kg。

2）電池參數(shù)。單體3.2 V，電池組76.8 V，總電壓537.6 V，總質(zhì)量2 000 kg，容量214 A·h，電池標(biāo)準(zhǔn)放電功率115.05 kW（額定電壓537.6 V，電流214 A）。

2　設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1軸荷分布計(jì)算

整車軸荷計(jì)算的常規(guī)方法：將整車分為底盤、車身、空調(diào)三大重量系統(tǒng)[5-6]。然后分別獨(dú)立計(jì)算，最終將各部分質(zhì)量、質(zhì)心位置分別求出，再疊加進(jìn)行計(jì)算。此方法計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量也較大。由于很多部件質(zhì)量和質(zhì)心位置無法準(zhǔn)確給出，導(dǎo)致最終計(jì)算誤差較大。這里根據(jù)金旅公司現(xiàn)有的車型，采用相同米段車型，選擇相同配置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車軸荷類比計(jì)算。XML6125JEV純電動(dòng)城市客車是在老款12 m電動(dòng)客車平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)設(shè)計(jì)的，主要區(qū)別在于底盤及純電系統(tǒng)部件的布置位置不同，軸距和后懸尺寸也不同。其他配置狀態(tài)均一致。

表1為基礎(chǔ)車型整車過線參數(shù)，隨機(jī)抽取3輛相似配置訂單，將最終平均數(shù)據(jù)作為新款軸荷計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1　老款純電動(dòng)城市客車車型過線參數(shù)

由表1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出老款車型的質(zhì)心與前軸中心的距離：

L1=3 891.97 mm；L=5 980 mm。接下來計(jì)算質(zhì)量m1=2 000 kg電池及支架（以下簡(jiǎn)稱電池模塊）和質(zhì)量約為m2=760 kg的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制、冷卻附件（以下簡(jiǎn)稱電機(jī)模塊）。按照新位置進(jìn)行布置時(shí)軸荷分布的變化，零部件的質(zhì)心到前軸的距離按圖2實(shí)際位置測(cè)量進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，建立數(shù)學(xué)模型，將重物由A點(diǎn)移動(dòng)至A'點(diǎn)對(duì)整車軸荷的影響。

圖2　客車模型受力情況圖

計(jì)算過程分兩步：第一步將電池模塊從整車中A點(diǎn)除去，前后軸荷變化多少；第二步將電池模塊重新放置于位置A'，整車軸荷數(shù)據(jù)又變化多少。

由圖2對(duì)前輪接地點(diǎn)取力矩得式中：Fr'為去除電池模塊后，地面對(duì)后輪的法向作用力；G1為老款車型的總重力；L為軸距；L1'為去除電池模塊后，整車質(zhì)心距離前軸的距離。

同樣，由圖2對(duì)后輪接地點(diǎn)取力矩得式中：Ff'為去除電池模塊后，地面對(duì)前輪的法向作用力；去除電池模塊重量前，重力對(duì)前軸產(chǎn)生的力矩實(shí)際上由兩部分組成：式中：L1即為去除電池模塊后，整車質(zhì)心至前軸的距離L1=（G1-m1gL2）（/G1-m1g），故到此可以順利地求出Ff'、Fr'的大小。

將電池模塊放置于新位置A'，同樣對(duì)前輪接地點(diǎn)取力矩得

根據(jù)靜態(tài)受力分析，豎直方向受力平衡，故豎直方向合力∑Fz=0，即有

根據(jù)以上計(jì)算模型，可分別計(jì)算出電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊移動(dòng)對(duì)軸荷變化的影響。表2為計(jì)算結(jié)果。

表2　計(jì)算過程結(jié)果匯總表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得知，前軸荷分配率為25.05%，小于通常設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)要求30%。考慮到公交行駛速度較低，經(jīng)常高負(fù)荷運(yùn)行等其他因素，最終決定對(duì)軸荷分配再次優(yōu)化，增加軸距縮短后懸。軸距的調(diào)整對(duì)整車質(zhì)心的位置會(huì)產(chǎn)生影響，但涉及的因素較多，計(jì)算較為復(fù)雜。而且此處只需驗(yàn)證計(jì)算，無需得到實(shí)際質(zhì)心距離前軸尺寸，故忽略軸距調(diào)整對(duì)質(zhì)心的影響，認(rèn)為質(zhì)心離前軸距離不變。同樣以前輪接地點(diǎn)取力矩得式中：L1'為整車質(zhì)心至前軸的距離；Fr'為軸距調(diào)整后、后軸地面對(duì)整車的支撐力；L' =6 430為新的軸距；結(jié)果Fr'=9 038.67 N，則前橋軸荷分配率為30.29%，滿足設(shè)計(jì)[7-8]。

2.2轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算

軸距的調(diào)整對(duì)于整車轉(zhuǎn)向通道圓有較大影響，故還需要對(duì)最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行校核。最小轉(zhuǎn)彎半徑是指汽車在轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角的條件下，以低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前外輪與底盤接觸點(diǎn)的軌跡構(gòu)成圓周的半徑。汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin與其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角θimax與θomax、軸距L、主銷距K及轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)臂a等尺寸有關(guān)[9-10]。

圖3　理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系

方盛7.5 T門式前橋，理論設(shè)計(jì)最大外轉(zhuǎn)角能夠達(dá)到40°。但實(shí)際在整車調(diào)試過程中，這個(gè)值基本只能做到36°，據(jù)此計(jì)算可得Rmin=11 247.37 mm＜12 500 mm，故滿足文獻(xiàn)[11]中的法規(guī)要求。

2.3實(shí)車過線參數(shù)驗(yàn)證

試制樣車和后續(xù)批量訂單整車過線參數(shù)顯示，XML6125JEV純電動(dòng)城市客車平均整備質(zhì)量為13 083 kg，前軸荷平均4 155.27 kg，前橋軸荷分配率為31.76%?？紤]到設(shè)備測(cè)量和人工操作的誤差原因，與上述計(jì)算結(jié)果相符，滿足要求。

根據(jù)公式

3　結(jié)束語

XML6125JEV純電動(dòng)城市客車于2013年11月投入市場(chǎng)，用戶體驗(yàn)、反映很好。售價(jià)低于同類型車型純電動(dòng)城市客車，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。某城市公交系統(tǒng)已批量采購(gòu)，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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3　結(jié)束語

變速器作為傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)整車性能以及駕駛員的舒適性有著重要的作用。因此，選型時(shí)進(jìn)行的整車動(dòng)力性計(jì)算和圍繞選換檔進(jìn)行的計(jì)算非常有必要。前者是為了車輛性能要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后者則是為駕駛員提供最大的舒適性。變速器的操縱機(jī)構(gòu)支架設(shè)計(jì)則要充分考慮受力情況，強(qiáng)度的保證使得操縱機(jī)構(gòu)壽命更長(zhǎng)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性更佳。

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修改稿日期：2015-04-16

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修改稿日期：2015-09-21

Design and Development on Mid-mounted and Rear-drive Chassis for
XML6125JEV Pure Electric Bus

Zeng Zhijun
（Xiamen Golden Dragon Bus Co., Ltd, Xiamen 361022, China）

Abstract：This paper introduces the development background of XML6125JEV pure electric bus, the batteries and motor arrangements, main parameters, the main components configuration and the analogy calculation method of the computingaxle load distribution, and checks the minimumturningradius ofthe vehicle.

Key words:pure electric bus; main parameter; mid-mounted and rear-driven; chassis design

作者簡(jiǎn)介：曾志俊（1986-），男，底盤工程師；研究方向：城市客車底盤總布置。

中圖分類號(hào)：U469.7；U463.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-3331（2016）01-0014-03