全承載技術(shù)在純電動客車上的應(yīng)用分析

黃赟鶴　王建武

【摘 要】汽車是當(dāng)代工業(yè)文明的核心代表，自研發(fā)應(yīng)用后便為人們平常生活、工作帶來了諸多便利。本文主要從全承載客車車身結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)計純電動客車的技術(shù)特征展開分析，并提供此技術(shù)在純電動客車相關(guān)環(huán)節(jié)中的實際運用，以供參考。

【關(guān)鍵詞】全承載技術(shù)；純電動客車；車身結(jié)構(gòu)

中圖分類號： U469.72 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0089-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.037

【Abstract】Automobile is the core representative of contemporary industrial civilization. It has brought a lot of convenience to people's daily life and work since its development and application.In this paper， the structural characteristics of the main fully loaded passenger car body and the technical features of the design of the pure electric bus are analyzed， and the practical application of this technology in the pure electric bus is provided for reference.

【Key words】Full bearing technology； Technology；pure electric bus； Body structure

0 引言

新能源汽車囊括FCV、EV、HEV等汽車。其中HEV汽車技術(shù)比較成熟，但是其混合動力總成結(jié)構(gòu)繁雜，而且動力輸出主要依賴化石燃料，導(dǎo)致其可持續(xù)發(fā)展后勁不足；FCV汽車技術(shù)和應(yīng)用條件目前尚不成熟，處于研發(fā)和完善階段；EV純電動汽車，由于其具備噪音小、能源效率高、無污染以及能源獲取多元化等優(yōu)點，成為最具潛力的新能源汽車種類，是重點發(fā)展方向。

1 全承載技術(shù)客車車身結(jié)構(gòu)特征

全承載技術(shù)是飛機生產(chǎn)技術(shù)在客車制造中的合理轉(zhuǎn)化和有效應(yīng)用。全承載客車結(jié)構(gòu)，是一種參考了飛機機身結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，針對客車實際使用和法規(guī)要求而研發(fā)的一種總體框架式客車結(jié)構(gòu)，此類車身結(jié)構(gòu)的客車同時也叫做無底盤客車，其最顯著的優(yōu)點在于車身總體受力均衡，在某一點遭受外界強力碰撞時，能把沖擊力擴散到全身各個受力節(jié)點，充分利用整車骨架結(jié)構(gòu)吸能，進而保持車身總體受力平衡，保證旅客的生命安全。與此同時，全承載客車抗壓性的矩形管結(jié)構(gòu)的硬度和強度是一般小轎車的三到六倍。所以，全承載客車是我國現(xiàn)階段主推且最為可靠、安全的一種客車。

通過使用全承載車身結(jié)構(gòu)，能讓客車在行進過程中同時具備轉(zhuǎn)向靈活性、車身穩(wěn)定性以及安全性與可靠性。同時因其結(jié)構(gòu)靈活多變，可根據(jù)實際需求鋪設(shè)骨架結(jié)構(gòu)，所以兼?zhèn)淙诵曰贾?、綠色環(huán)保、空間大等優(yōu)點，完全展現(xiàn)出當(dāng)代社會提倡的保護生態(tài)平衡的理念，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，彰顯出全承載客車獨特的產(chǎn)品特色[1]。

2 利用全承載技術(shù)設(shè)計純電動客車的技術(shù)特征

（1）應(yīng)用閉環(huán)結(jié)構(gòu)

閉環(huán)結(jié)構(gòu)是指將總體車身的斷面，設(shè)計成為不同的剛性封閉環(huán)負(fù)荷結(jié)構(gòu)，尤其是在前后懸架的相應(yīng)斷面位置。這樣不但能符合力流的傳輸規(guī)律，并且還能提高車身總體剛度，尤其是客艙的剛性，從而提升車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）運用窗立頂橫對齊式結(jié)構(gòu)

對于這一結(jié)構(gòu)來說，具體是指側(cè)窗立柱與頂蓋橫梁的對齊銜接。此種結(jié)構(gòu)組合方式有助于力流的傳輸，能提升車身頂部的負(fù)荷水平。

（3）利用力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

在力學(xué)范疇中，三連桿是一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，四連桿則是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。基于這個原理，全承載客車在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中優(yōu)先選取三角形結(jié)構(gòu)。尤其是底架截面梁以及車身側(cè)圍腰梁，均運用了這一原理[2]。

（4）使用首尾相接式結(jié)構(gòu)

全承載客車底架截面梁間的縱梁要確?？茖W(xué)設(shè)計，縱梁間需利用首尾相接式連接。

（5）利用群在技術(shù)制作電動客車的優(yōu)點探究

非承載式車身具備底盤大梁架，其利用橡膠墊和車架做軟性連接。在此種狀況下，車架是裝載汽車所有總成以及承擔(dān)不同載荷的主體，承受大量載荷。而裝備在車架上的車身無法通過車架來分?jǐn)偲漭d荷，或是僅承擔(dān)少部分車架扭轉(zhuǎn)及變形帶來的一些外力。非承載式車身無法良好的運用車身分?jǐn)傒d荷，進而導(dǎo)致整車承載能力利用效率嚴(yán)重低下。另外，剛性車架同時也是致使電池倉容量不高的重要因素。全承載式車身結(jié)構(gòu)是無底盤、無大梁的結(jié)構(gòu)，其最大優(yōu)勢就是無車架，車身就是配置車輛所有總成以及承擔(dān)不同載荷的主體，這樣汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為科學(xué)，受力點均衡散布，骨架極其穩(wěn)定和可靠，能切實展現(xiàn)一體化，輕量化的設(shè)計理念，是滿足純電動客車需求的車身結(jié)構(gòu)，全承載車結(jié)構(gòu)的底架是通過大量的桿件構(gòu)成的格柵式界面，針對各種規(guī)格的電池來講，只要挑選出正確的格柵截面位置與標(biāo)高，便能滿足與之相適用的電池裝配。全承載車身結(jié)構(gòu)最為顯著的特點便是車身總體穩(wěn)定，受力均衡，被動安全性高。依據(jù)外國的客車被動安全監(jiān)測，此種結(jié)構(gòu)可在汽車撞擊、側(cè)翻過程中，有效的保證客車和人的安全。

3 全承載技術(shù)在純電動客車上運用的改善措施

（1）車身結(jié)構(gòu)有限元模型的創(chuàng)建

全承載客車車身是通過相關(guān)矩形鋼管焊接完成的，在展開有限元分析建模過程中，一般有梁單元模型以及殼單元模型2種方式。

其中殼單元模型運算結(jié)果較為準(zhǔn)確，能精準(zhǔn)的反映出接頭位置的應(yīng)力聚集還有關(guān)鍵地方的應(yīng)力轉(zhuǎn)變。然而殼單元模型建模作業(yè)量較多，并且單元數(shù)據(jù)龐大，運算耗費時間多。

梁單元模型，雖然其運算準(zhǔn)確度較低，但是建模卻非常簡單，并且求解效率高，方便依據(jù)運算結(jié)果對模型進行優(yōu)化。所以，創(chuàng)建梁單元模型對純電動客車車身結(jié)構(gòu)分析研究是一種更為有效的方法。

把Catia中的車身框架模型添加到MSC、PATRAN之中，將單元大小控制在半米左右，針對車身框架模型展開網(wǎng)格區(qū)分。

因為在針對車身結(jié)構(gòu)展開研究前，不能獲取各個梁的受力特征，所以先把各個梁的截面大小分別設(shè)置成40mm乘以40mm乘以2mm，材料選擇16Mn（Q345）。依據(jù)以上步驟創(chuàng)建客車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，經(jīng)過對其展開有限元分析且依據(jù)最終結(jié)果予以改善，從而獲得理想的車身模型[3]。

（2）有限元研究法車身結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化

首先，載荷的處置。公交客車自身所負(fù)荷的載荷重點涵蓋車身骨架重量、所有總成和設(shè)施重量、旅客自重等。車身骨架重量可將材料密度導(dǎo)入程序，程序自動運算獲得。把載荷均衡配置到相應(yīng)的裝備支撐點中。旅客自重參照1㎡8人，按每人70Kg運算，得到的載荷均衡配置到一定的承載梁中。因為蒙皮質(zhì)量較低，而且其對車身剛度與硬度影響不大，所以可把此部分質(zhì)量直接忽略。

其次，車身強度的運算。針對原始模型車身強度的評判，重點鑒別左、右輪懸空以及滿載彎曲3類工況的分析運算結(jié)果。

滿載彎曲工況重點在于模仿客車在滿載狀態(tài)下，勻速前進在筆直道路的狀況。針對路線不變的公交車來說，這是其主要運作工況。所以要挑選較高的動荷指數(shù)，以此確保其賦予的疲勞強度，可將其指數(shù)設(shè)置為2.5。

左彎曲、右彎曲工況是客車最容易出現(xiàn)安全事故的一種工況，模仿客車自平整的道路遇到坑洼或者爬坡等狀況，這時兩輪并不在相同平面上，車身遭受非對稱縱向應(yīng)力。因為該極限工況出現(xiàn)率極低，所以要將動荷指數(shù)控制在1.2左右。

最后，車身剛度的計算。車身剛度是評判車身性能的一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，主要有整車扭轉(zhuǎn)剛度、軸間彎曲剛度。第一，關(guān)于軸間彎曲剛度。具體運算形式是撤掉懸架，穩(wěn)定約束后軸、前軸。在兩軸重點斷面統(tǒng)一給予F力，利用軟件統(tǒng)計模擬車撓度曲線圖，算出相應(yīng)彎曲撓度。第二，整車扭轉(zhuǎn)剛度。扭轉(zhuǎn)剛度運算手段同樣是率先撤掉懸架，穩(wěn)定約束后軸。在前軸支點位置加入相應(yīng)扭矩T。統(tǒng)計運算整車轉(zhuǎn)角大小，同時依據(jù)相應(yīng)公式獲得車身扭轉(zhuǎn)剛度的大小。第三，開口變形運算。開口變形是車身不同部分剛度的一個關(guān)鍵參數(shù)，其直接關(guān)聯(lián)著車身活動結(jié)構(gòu)的搭配聯(lián)系。

（3）車身梁截面大小改善措施

實際改善辦法可參考以下方法：第一，根據(jù)型材和車的應(yīng)力能力創(chuàng)建不同大小梁截面庫。第二，利用MSC.Nastran運算出不同梁在左、右輪懸空、滿載彎曲3種狀況下的受力狀況。第三，建設(shè)一個計劃應(yīng)力能力，依據(jù)不同梁的受力狀況，運算出截面庫中不同大小的梁截面形態(tài)相適應(yīng)的應(yīng)力能力，在梁應(yīng)力能力小于計劃應(yīng)力的截面庫之中挑選尺寸最小的截面。第四，把運算出的不同梁適應(yīng)的相應(yīng)截面大小帶回模型之中，獲得改善后的車身結(jié)構(gòu)模型。第五，因為結(jié)構(gòu)的耦合影響，所以以上環(huán)節(jié)要循環(huán)多次，反復(fù)進行，以此讓運算結(jié)果誤差不斷減小，從而獲得良好的改善效果。

鑒于以上需要人為處理的環(huán)節(jié)作業(yè)量較大，可利用制定Fortran語言程序來完成以上改善過程。

4 結(jié)論

綜上所述，全承載客車車身具備要件制作過程簡單，車重心較低等優(yōu)點，而且操控性及可靠性也非常優(yōu)秀，備受國內(nèi)外廣泛關(guān)注。相關(guān)人員一定要對其加以深入研究，充分利用其良好性能，提高全承載技術(shù)在純電動客車上的應(yīng)用質(zhì)量。

【參考文獻】

[1]董剛，趙理想.全承載技術(shù)在純電動客車上的應(yīng)用[J].安徽科技，2013，（06）：37-39.

[2]劉開春.“全承載車身”，果真是最安全的嗎？——客車安全應(yīng)突破“全承載”的拘囿[J].商用汽車，2016，（08）：58-60.

[3]徐軍，刁國虎，袁葭杰.9m客車的半承載與全承載車身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（01）：11-13.