新型電動(dòng)輕卡底盤車架設(shè)計(jì)

王成昆，王東旭

新型電動(dòng)輕卡底盤車架設(shè)計(jì)

王成昆，王東旭

（蘇州奧杰汽車技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

目前電動(dòng)輕卡車架常見結(jié)構(gòu)是大梁式和大規(guī)格管梁焊接式，大梁式沿襲了卡車車架設(shè)計(jì)，電池包拓展性較差，缺乏正向有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。大規(guī)格管梁焊接式車架所需物料種類較多，焊接端面無法保證齊整，生產(chǎn)難度較大且整車力學(xué)性能較差。文章介紹了一種新型電動(dòng)輕卡底盤車架，為電動(dòng)輕卡車架設(shè)計(jì)提供了一種方案，其模塊化設(shè)計(jì)對(duì)提高生產(chǎn)效率和車型拓展具備優(yōu)勢(shì)，同時(shí)全承載式結(jié)構(gòu)具備較高的強(qiáng)度。

電動(dòng)輕卡；大梁式；全承載；模塊化

前言

電動(dòng)輕卡顧名思義是指純電驅(qū)動(dòng)的輕型載貨汽車，底盤車架是輕型載貨車輛所有零部件的搭載主體，整車所有的重量最終都作用于底架上。加之在行駛過程中會(huì)遇到各種工況，故車架所受到的力是及其復(fù)雜的。因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受車輛的載荷和從車輪傳來的沖擊[1-2]。

1 電動(dòng)輕卡底盤車架現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上輕型載貨汽車所采用的車架，大多都是在卡車車架基礎(chǔ)上改制，對(duì)軸距和總長以及材料厚度等方面做改變。對(duì)于輕卡車架的設(shè)計(jì)尹民鑫[3]等曾做了設(shè)計(jì)流程方面的介紹，其介紹的車架即為目前主流的大梁式車架。該結(jié)構(gòu)主要由兩根主縱梁和若干中間橫梁通過鉚接而構(gòu)成的堅(jiān)固剛性構(gòu)架。其主縱梁厚度一般采用厚度為4-6mm的汽車大梁板510L，通過沖壓或者輥壓成型。中間橫梁一般采用鉚接，左右牛腿有鉚接也有采用高強(qiáng)度螺栓連接，該種設(shè)計(jì)在商用車上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。目前市場(chǎng)上的燃油輕卡、中卡、重卡基本全部采用這種結(jié)構(gòu)。只是重卡車架縱梁厚度一般取6-10mm，材料為20、25、16Mn，10TiL等鋼板制作。

縱梁的加工工藝目前應(yīng)用較多的是：縱剪線—輥型線—數(shù)控沖孔—數(shù)控折彎—機(jī)械手切割—拋丸，該工藝以高柔性化在市場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用。中間橫梁一般采用壓力機(jī)、模具加工。車架總成的鉚接方式最初是自由鉚接，現(xiàn)在為保證精度一般采用胎具鉚接。整個(gè)制造過程對(duì)設(shè)備以及模具精度等要求比較嚴(yán)格[4-5]。

當(dāng)拓展為純電驅(qū)動(dòng)時(shí)，因受限于續(xù)航里程，一般用途是市區(qū)物流配送。電池的布置常見的方式是側(cè)掛在主縱梁兩邊，也有放置在主縱梁中間。而電機(jī)的放置也分前置和后置，視車型配置而定。整個(gè)三電部件安裝一般位于地板面以下，貨箱通過副車架（地板骨架）與底架相連接。整車外形和傳統(tǒng)燃油輕卡基本保持一致。

其底盤車架常見的的布置如圖1所示，圖中所取為南京依維柯TDV40純電動(dòng)物流車底架。

圖1 依維柯純電動(dòng)物流車大梁式底架結(jié)構(gòu)

上圖所示的只是目前市場(chǎng)上常見的電動(dòng)物流車的底架結(jié)構(gòu)。與之類似的中國一汽的吳慶[6]等人設(shè)計(jì)了一種純電動(dòng)物流車底盤。如下圖2所示，該結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于可配置液壓升降尾板，電機(jī)+AMT+取力器的動(dòng)力系統(tǒng)，比較容易實(shí)現(xiàn)液壓升降尾板的功能；蘇州奧杰汽車的宿佳敏[7]等人設(shè)計(jì)的一款電動(dòng)卡車車架底盤，特點(diǎn)是電機(jī)中置，電池側(cè)掛與主縱梁兩側(cè)；孫立明[8]等人也設(shè)計(jì)了一種模塊化布置的電動(dòng)物流車底盤；此外東風(fēng)柳汽的區(qū)錦文[9]等也設(shè)計(jì)了一種快遞物流車的車架，該車架主要用于配置發(fā)動(dòng)機(jī)的物流車。其槽形大梁采用264×75×6mm規(guī)格，材料屈服強(qiáng)度大于750Mpa，左右主縱梁外寬940mm。

圖2 中國一汽設(shè)計(jì)的純電動(dòng)物流車底盤結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上除了上述主流的大梁式結(jié)構(gòu)外，還有另外一種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)輕卡車架。即管梁焊接式結(jié)構(gòu)，由于其前、后段所用管梁規(guī)格一般都較大，一般主管梁材料取Q345，斷面為100mm*50mm或者80mm*40mm，其他管梁則一般使用40mm*40mm等其他小規(guī)格，故暫稱之為大規(guī)格管梁式車架，其本質(zhì)上是三段式承載結(jié)構(gòu)的一種衍生。該結(jié)構(gòu)能搭載不同的電池電量，分艙設(shè)計(jì)可有效保護(hù)電池的側(cè)撞。

該種結(jié)構(gòu)可見于宿佳敏[10-11]等人的專利中。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大規(guī)格管梁式輕型電動(dòng)輕卡結(jié)構(gòu)一

在圖3的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上蘇州奧杰汽車又進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了另外一種車架結(jié)構(gòu)，如下圖4所示，適合車長在6m以下貨箱體積為12-16立方的貨箱式物流車。采用該底盤車架的實(shí)車珠海銀隆已經(jīng)量產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)的的一個(gè)特點(diǎn)是橫梁打斷，縱梁從中段一直貫通至尾段，整個(gè)上層是一個(gè)片體，整車抗彎性能較好。在前后懸架固定點(diǎn)位置橫梁采用直徑60mm的圓管，將左右兩個(gè)100mm×40mm×2.75mm的矩形管梁連接在一起。中段縱梁規(guī)格是60mm×40mm×2mm，加上其他規(guī)格的管梁，種類可達(dá)8種。

圖4 大規(guī)格管梁式輕型電動(dòng)輕卡車架結(jié)構(gòu)二

與上圖結(jié)構(gòu)類似的還有另外一種結(jié)構(gòu)，該車架適合貨箱體積5-8立方的6m以下箱式物流車。采用前置前驅(qū)布置方式，后段為平整的貨箱，中部放置電池。該設(shè)計(jì)的原方案由蘇州奧杰汽車設(shè)計(jì)，上汽大通目前有一款采用相似結(jié)構(gòu)的物流車EV31已經(jīng)量產(chǎn)運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)可以說是圖4結(jié)構(gòu)的縮小版，適合貨箱體積較小的需求。

圖5 管梁式輕型電動(dòng)輕卡結(jié)構(gòu)三

在圖4車架的基礎(chǔ)上，上車體的設(shè)計(jì)可以是一體式也可以是分體式，滿足不同客戶的多樣性需求。如果采用鋁合金車身骨架，還有利于整車減重。其外形如下圖6所示。

圖6 不同形式的貨箱結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，大梁式結(jié)構(gòu)在拓展為電驅(qū)動(dòng)時(shí)存在以下問題：電池?zé)o論側(cè)掛還是中置，防水、防撞效果較差；當(dāng)軸距變化時(shí)，懸架安裝點(diǎn)變動(dòng)，大梁需要重新開模定型，適應(yīng)性不強(qiáng)；大梁和橫梁的成型以及整個(gè)車架的鉚接需要專門的設(shè)備，費(fèi)用較大；在常規(guī)燃油輕卡車架基礎(chǔ)上改進(jìn)，缺乏針對(duì)電動(dòng)物流車正向研發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和能力。

大規(guī)格管梁式焊接結(jié)構(gòu)是在大梁式基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，針對(duì)電池的布置設(shè)計(jì)了中段電池倉的結(jié)構(gòu)，是借鑒了純電動(dòng)客車以及公交車的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有效解決了電池防撞的問題；前后段使用較大規(guī)格的管梁，且在懸架固定位置使用了直徑60mm的圓形管梁作為內(nèi)橫梁，整體結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是大梁式結(jié)構(gòu)的一種衍生。但由于管梁規(guī)格不一致，容易造成端面不齊，受力不好；各段缺少統(tǒng)一的模塊化劃分，且物料種類較多，生產(chǎn)制造存在一定的不便。

2 新型電動(dòng)輕卡底盤車架

為解決以上問題，本文提出了一種新型電動(dòng)輕卡底盤車架的設(shè)計(jì)方案。車架采用全承載骨架式結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度薄壁管梁焊接成型。設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)不僅能夠引導(dǎo)整車力流的傳遞，同時(shí)具有強(qiáng)度高、重量輕、成本低以及空間利用率高等特點(diǎn)。相比于圖4所展示的一代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)可減重60kg；車架所采用的管梁規(guī)格主要有40mm×40mm、40mm×30mm、30mm×30mm三種，有利于車間備料生產(chǎn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 新型電動(dòng)輕卡車架主框架組成示意圖

該結(jié)構(gòu)與圖4結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于整個(gè)底架管梁規(guī)格比較統(tǒng)一且種類少，焊接端面整齊，整車力學(xué)性能較好。同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)有利于平臺(tái)產(chǎn)品的拓展，也提高了加工制造的效率。將橫梁貫通，縱梁打斷的設(shè)計(jì)可與車身骨架構(gòu)成封閉環(huán)，提高了整車的抗扭轉(zhuǎn)能力，同時(shí)便于制作定位。整車骨架結(jié)構(gòu)如下圖8所示。

圖8 新型電動(dòng)輕卡整車骨架結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)輕卡主要用途是物流配送，為滿足法規(guī)中的行人保護(hù)和車輛后下部防護(hù)要求，在車架前后端設(shè)計(jì)有防護(hù)梁。材料均采用鋁合金，代號(hào)為6061T6，材料屈服極限268Mpa，抗拉極限293Mpa。通過螺栓和車架主框架連接固定。其安裝位置如下圖9所示。

圖9 前、后防撞梁與車架連接結(jié)構(gòu)示意圖

車架主框架的前、中、后段三個(gè)總成，分別由若干分總成和散件構(gòu)成。每個(gè)分總成構(gòu)成一個(gè)模塊，便于制造，分總成之間通過散件組合成一個(gè)大總成。其中前段總成模塊劃分如下圖10所示。

圖10 主框架前段總成模塊構(gòu)成示意圖

中段總成由前后三個(gè)格柵片組成，格柵間距的的變化可實(shí)現(xiàn)電池倉空間的變化，以匹配不同電池。可拓展為雙層電池結(jié)構(gòu)，兩種形式結(jié)構(gòu)如下圖11所示。

圖11 中段電池倉單、雙層電池結(jié)構(gòu)示意圖

通過調(diào)整組成主框架總成的格柵片位置，改變電池倉的大小，以滿足匹配不同電池箱的需求。中段主框架模塊劃分可見下圖。后段與前中段結(jié)構(gòu)劃分的原理一樣。

圖12 主框架中段總成模塊構(gòu)成示意圖

圖13 主框架后段總成模塊構(gòu)成示意圖

以上為車架主框架的結(jié)構(gòu)，其中單個(gè)分總成，以及分總成與分總成之間均為焊接，穩(wěn)定可靠；各分總成在制作時(shí)為保證精度可制作專門的工裝夾具，焊接完成后脫模。底盤的其他分系統(tǒng)如懸架、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力等系統(tǒng)支架分別根據(jù)布置位置及功能需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后在定位好的工裝夾具中按照尺寸焊接在車架主框架上。

市場(chǎng)上大梁式結(jié)構(gòu)的電動(dòng)輕卡其車架與貨箱一般是通過副車架相連接，副車架下端與主縱梁通過U形螺栓固定，上端與貨箱的預(yù)埋螺母或者支架固定。其連接結(jié)構(gòu)如下圖14所示。

圖14 傳統(tǒng)貨箱與車架連接方式示意圖

新型車架則不需如此復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)，在車架上平面可直接鋪竹膠地板或者PVC板，相比可減重約60kg。如果新型車架的上車體采用鋁合金骨架，則對(duì)比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)骨架則又可減重約50kg。綜上所述，該新型車架具有較好的應(yīng)用前景。

3 車架結(jié)構(gòu)CAE分析

為了解該新型結(jié)構(gòu)的性能，利用有限元分析軟件Hypper mesh和Nastran，對(duì)其進(jìn)行了固有模態(tài)，剛度和特定工況下的強(qiáng)度分析。

3.1 固有模態(tài)分析

根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)理論，多自由度系統(tǒng)通常以某個(gè)固有頻率振動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)的振動(dòng)形態(tài)稱為模態(tài)。固有頻率和振型向量是表示振動(dòng)特征的重要參數(shù)[12]。

將CATIA完成的車架三維模型轉(zhuǎn)為STP格式導(dǎo)入Hypper mesh中，進(jìn)行幾何清理。管梁采用薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用殼單元進(jìn)行模擬。簡化模型，忽略直徑10mm以下的孔，將焊接以及螺接部位采用RBE2單元簡化處理。完成后的有限元模型網(wǎng)格尺寸為10mm，總網(wǎng)格數(shù)為310250個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為632155個(gè)。

對(duì)車架賦予材料屬性，如下表所示：

表1 桁架材料屬性

將處理好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Nastran求解器進(jìn)行求解，結(jié)果如下圖所示。

其階次及振型分析如下表所示。

表2 新型車架固有模態(tài)階次頻率

從以上數(shù)據(jù)可知，新型車架的模態(tài)頻率變化平穩(wěn)，沒有突變；一般路面不平引起的激勵(lì)頻率為1~20 Hz，新型車架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為21.5Hz，避開了這個(gè)區(qū)間；載貨車的前后懸架偏頻在2~4.5 Hz之間，一階模態(tài)也能避開；在匹配電機(jī)時(shí)，一般要求是車架固有模態(tài)要避開常用車速下頻率。

3.2 剛度分析

在固有模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車架進(jìn)行剛度分析，包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度的約束條件是在前軸對(duì)應(yīng)車架處左側(cè)約束XYZ方向自由度，右側(cè)約束XZ方向自由度。后軸對(duì)應(yīng)車架處左側(cè)約束YZ方向自由度，右側(cè)約束Z方向自由度。在車架X向中間位置的橫梁上施加豎直向下的力10000N，在Nastran求解器進(jìn)行求解[13]。

計(jì)算結(jié)果為Z向最大位移為4.012mm。由此可得彎曲剛度為：

式中：dmax=車架最大變形量；

df=前軸位置桁架最大變形量；

dr=后軸位置桁架最大變形量；

計(jì)算結(jié)果為θ角度為2.14°，即0.3733rad。

式中：F=m*g

m：前軸荷即前輪胎承載載荷1931Kg；

S：前輪距1565mm；

θ：車架軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；

3.3 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析的工況主要分為靜載、垂向3g、0.8g制動(dòng)、0.4g左右轉(zhuǎn)向幾種工況。該分析是整車的分析，需要提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)載荷[14]。

靜載工況主要模擬車輛在滿載靜止?fàn)顟B(tài)，或平坦路面高速直線行駛時(shí)產(chǎn)生的垂直振動(dòng)對(duì)桁架所產(chǎn)生的彎曲載荷；垂向3g工況則是模擬整車在3倍重力加速度的情況下，桁架各部件的受力情況；0.8g制動(dòng)工況是考察車輛以0.8g的制動(dòng)加速度制動(dòng)時(shí)，地面制動(dòng)力對(duì)車架的影響；0.4g左右轉(zhuǎn)向工況主要是考察當(dāng)車輛以0.4g轉(zhuǎn)向加速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性力對(duì)車架的影響，分析車架所承受的最大應(yīng)力。

在Nastran求解器中按照以上工況條件進(jìn)行加載求解，將得到的數(shù)值作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的參考。

4 結(jié)論

目前電動(dòng)物流車常見的底盤車架結(jié)構(gòu)分別是大梁式和大規(guī)格管梁式焊接式，文章對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)做了對(duì)比分析。并介紹了一種新型的電動(dòng)輕卡底盤車架結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)如下：

（1）采用管梁的規(guī)格種類較少，便于組織生產(chǎn)，模塊化設(shè)計(jì)有利于提高生產(chǎn)效率。

（2）電池倉可設(shè)計(jì)為單、雙層結(jié)構(gòu)，滿足不同電量的配置需求。前中后三段設(shè)計(jì)有利于車型的拓展。

（3）車架上平面直接鋪地板的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)貨箱可減少不必要的連接件，有利于整車減重。

（4）底盤車架與貨箱可構(gòu)成全承載式結(jié)構(gòu)，整車具備較高的強(qiáng)度。

（5）貨箱可采用一體式和分體式兩種設(shè)計(jì)，其材質(zhì)不管采用鋼結(jié)構(gòu)還是鋁合金，新型車架結(jié)構(gòu)均可匹配。

該新型底盤車架為電動(dòng)輕卡車架設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路和方案，有助于對(duì)電動(dòng)物流車車架的正向開發(fā)設(shè)計(jì)。

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Design of a New Electric Light Truck Chassis Frame

Wang Chengkun, Wang Dongxu

（Suzhou Aojie Automotive Technology Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215000）

At present, the common structure of electric light truck frame is girder frame and welded type of large specification pipe girder. The girder frame follows the design of truck frame, and the battery pack has poor expansibility, lacking of positive and targeted design. There are many kinds of welded frame materials with large size pipe girders. The welded end face can not be guaranteed to be neat. It is difficult to produce and the mechanical properties of the whole vehicle are poor. This paper introduces a new type of electric light truck chassis frame structure, which provides a scheme for the design of electric light truck frame. Its modular design has advantages in improving production efficiency and expanding vehicle type, and the full-load structure has higher strength.

Electric light truck; Girder frame; The full-load structure; Modular Design

U469.72+2

A

1671-7988(2019)18-01-05

U469.72+2

A

1671-7988(2019)18-01-05

王成昆，男，碩士研究生，工程師，就職于蘇州奧杰汽車技術(shù)股份有限公司。研究方向：底盤總布置，車架設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.001