10 m纯电动客车轻量化设计与分析

陈乐强、杨彦三、杨延功、孙国伟、刘　涛

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城　252000）



10 m纯电动客车轻量化设计与分析

陈乐强、杨彦三、杨延功、孙国伟、刘涛

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

摘要：通过对某10 m纯电动客车局部采用低密度材料，车架采用高强度材料，部分骨架结构采用优化的方法进行轻量化设计，并采用CAE对轻量化设计后的整车骨架进行强度分析。轻量化设计后的结构，不但能够满足整车的强度要求，而且能够增加车辆的续驶里程。

关键词：纯电动客车；轻量化设计；强度分析；续驶里程

纯电动客车，因其零排放、低噪声、能源来源多等优势，特别适合像中国这样的能源、环境压力大的国家。政府对纯电动客车的研发、购买及运营的优惠政策也越来越大。纯电动客车是在这种背景下，成为新能源汽车重点发展的方向之一[1]。

纯电动客车由于其电池的能量密度远低于常规燃料，所以如何增加纯电动客车的续航里程成为纯电动客车发展的一个重要难题。增加纯电动客车的续驶里程普遍采用两种方式[2]：一是增加电池容量，但是这不仅增加了电池组的成本，而且还增加了车辆重量，影响纯电动客车的使用成本和能源效率；二是对车身进行轻量化设计，由于行驶的能量消耗和车的重量存在正比例的关系，减少整车的重量，就可以达到增加行驶里程的目的[3]。

本文选取一款10 m纯电动客车6108EVG作为研究对象，主要对其进行轻量化设计与分析。

1　轻量化设计

1.1低密度材料的应用

选择合适的低密度材料，即在保持原材料截面、体积不变的情况下，通过降低材料的密度来降低零部件的重量，如采用铝合金、镁合金、钛合金等替代钢材料。此方法虽然效果明显，但是成本较高，不适于在客车各零部件上大范围采用[4]。

客车的生产工艺主要以焊接为主，低密度材料大部分是合金材料，所以这些低密度材料只能应用在客车的局部不需要焊接的部位，如舱门、封板、地板等。此车型上主要进行了表1所示的低密度材料的应用。

表1　低密度材料的应用

1.2高强钢材料的应用

选用更高强度的钢材即高强钢，通过提高其屈服极限强度、最大抗拉强度等强度极限来减小所用钢材的尺寸、壁厚等参数，达到降重的目的。客车骨架是由桁架结构焊接而成，用高强钢型材替代现有的普通钢材，能在不改变现有生产工艺的基础上达到很好的降重效果[5]。

客车行业现阶段主要用的高强钢材料为QSTE 700TM。普通钢材的骨架转换为高强钢骨架，壁厚可以通过公式（1）进行换算[6]。

式中：ths为高强钢的厚度；tms为普通钢的厚度；Rehs为高强钢的屈服极限；Rems为普通钢的屈服极限。

以普通钢材Q345为例。在替换为强钢过程中，高强钢壁厚选取如表2所示。

表2　高强钢材壁厚计算

高强钢型材随着强度的提高，其总伸长率（塑性）下降，导致其加工成型困难，相对于普通强度钢，高强钢在加工成型时，更容易出现裂缝、回弹、翘曲褶皱等缺陷。客车骨架是通过型钢拼焊而成的框架式结构，车身骨架因为造型的需要，很多型钢都要进行弯弧、冲压等二次成型[7]。高强钢的一次成型就已经非常困难，二次成型难度更大。所以现阶段大多数客车企业高强钢只是在车架、底架上进行了推广应用。对于存在大弯弧型钢的前后围、顶盖、侧围等车身骨架没有应用。

此车型仅在车架、底架上进行了高强钢材料的应用，共降重300 kg。

1.3结构优化

对前/后悬、中段骨架结构进行结构调整，去掉多余的型钢件，让各总成结构更加简单。对电池托架结构进行简化，减少焊缝的数量，共降重80 kg。

因此，本文通过对10 m纯电动客车整车局部采用低密度材料、车架采用高强度材料、部分骨架结构进行结构优化，共计降重638 kg。轻量化后此6108EVG车型的整车整备质量为11 550 kg，降重比例为5.23%，降重效果明显。

2　CAE分析

轻量化后整车骨架的强度是否满足车辆的安全需要，需对整车骨架进行CAE验证分析。本文应用Hypermesh软件对轻量化后的整车骨架进行有限元分析[8]。

2.1静态特性分析

为了更充分地模拟车辆在实际路况中的受力情况，本文对轻量化后的整车模型分别进行了弯曲工况、左轮悬空工况、右轮悬空工况、制动工况、倒车制动工况、左转弯工况、右转弯工况共七种工况下的CAE分析。这七种工况基本涵盖了车辆在实际运行中能遇到的所有极限工况。

各工况边界条件的施加不是本文的重点，不再进行介绍。提取七种工况下的分析结果：各工况下各总成部件的最大应力值，如表3所示。

从以上CAE分析结果数据可以看出，轻量化后的整车骨架应力没有超出材料的屈服极限，尤其是轻量化后的车架安全系数仍保持在3左右，可以满足车辆正常运行的各工况的需要[9]。

2.2动态特性分析

为了了解此车型轻量化后的动态特性，对轻量化后的整车进行了自由模态分析。由于客车的激励频率多集中在低频领域，高阶模态对结构的动力学特性影响很小，所以只需要计算前几阶频率即可。此文共计算了前15阶频率。前6阶是刚体模态，不再考虑。提取7-15阶计算结果如表4所示。

表4　模态分析结果

结构的动态响应由外界激励频率和激励分量大小以及结构本身的固有频率和相应振型决定。在结构设计时，应根据三个层次分析进行评价：第一层次，对结构强度影响较大或有几何约束要求的振型应远离较大激励分量的激励频率；第二层次，尽量提高前几阶模态的固有频率，以提高结构的动刚度；第三层次，结构固有频率应尽量错开荷载激振频率。

客车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励等。路面激励一般随道路条件决定。目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励多在1 Hz～3 Hz，此激励分量较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于10 Hz（最高车速取100 km/h，轮胎滚动半径494 mm）。随着现在轮辋制造质量与检测水平的提高，此激励分量较小；发动机引起的激振频率在35 Hz以上（取怠速为700 r/min，六缸发动机），此激励分量较大；城市中一般行驶车速控制在50～80 km/h，高速公路上一般车速控制在80～100 km/h，传动轴的不平衡引起的振动频率范围在33 Hz以上，此激励分量较小。所以，从上述评价原则看，若以错开2 Hz为界，该车的前几阶模态最好出现在12 Hz～31 Hz的频段内，至少也要保证前几阶关键模态频率控制在12 Hz～31 Hz的频段内。从分析结果看，此结构前几阶关键模态的固有频率大都控制在这个频率段内，此车前几阶固有模态满足上述第一层次的要求；此车型轻量化后的整车第一阶固有频率为9.63 Hz，根据上述第二层次要求评价尚可；第三层次要求，有部分阶次的模态发生在可能的激振域内，如车轮不平衡激励等，但如前所述，分量较小，一般不会引起共振[9]。所以此车型轻量化后的整车动态特性可以满足车辆正常行驶的需要。

3　结束语

该6108EVG车型的轻量化设计，共降重638 kg，降重效果明显，并且满足结构强度和模态分析要求。整车轻量化设计不仅增加了纯电动客车的续航里程，增加了载客量，而且提高了产品的竞争力。所以轻量化设计在纯电动客车设计中具有重要的价值。

参考文献：

[1]唐瑜亮.纯电动汽车动力性和续驶里程研究[J].客车技术与研究，2013，35（1）：9-11.

[2]王心宏，李佳，李湘臣.JXK6620CEV纯电动客车设计[J].客车技术与研究，2014，36（6）：12-14.

[3]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[4]李彩芬、张卫林.客车节能影响因素分析[J].客车技术与研究，2012，34（6）：35-37.

[5]袁渊.客车车身骨架的静强度和轻量化分析[D].长春：吉林大学，2006.

[6]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[7]李琦，阳林，贺绍华.面向汽车轻量化的先进高强度钢成型技术[J].客车技术与研究，2012，34（5）：47-50.

[8]田芳，王涛，石琴.全承载式客车车身结构有限元分析[J].客车技术与研究，2012，34（1）：17-19.

[9]梁卓，沈光烈.全承载式客车车身合理结构探讨[J].客车技术，2012（6）：18-20.

修改稿日期：2015-10-09

Lightweight Design and Analysis on a 10 m-length Pure Electric Bus

Chen Leqiang, Yang Yansan, Yang Yangong, Sun Guowei, Liu Tao
（Zhongtong Bus Holding Co., Ltd, Liaocheng 252000，China）

Abstract：For a 10 m-length pure electric bus, the authors make it lightweight design through measures of its local parts using low-density materials, its chassis frame using high-strength materials and its partial skeleton structures taking optimization. Then, they use CAE to analyze the strength for the lightweight designed vehicle framework. The lightweight designed structure can not onlymeet the strength requirement ofthe vehicle but alsoincrease the continuous travel distance ofthe vehicle.

Key words:pure electric bus, lightweight design, strength analysis, continuous travel distance

中图分类号：U462.2

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）02-0018-03

作者简介：陈乐强（1988-），男，助理工程师；主要从事CAE分析、车架设计工作。