摘要：文章主要从电动客车的特点出发，分别简述了纯电动城市客车车架有限元分析，以及纯电动城市客车车架有限元边界条件，以期为相关行业提供有效的参考与借鉴。
关键词：客车车架；有限元分析；动载荷；轻量化
一、电动客车的特点
1.无污染，噪声低
电动客车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有"零污染"的美称。众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭
气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动客车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。但是，使用电动汽车并非绝对无污染，例如使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染。蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作燃料时会产生CO、SO2、粉尘等。但它的污染较内燃机的废气要轻得多。
2.能源效率高，多样化
电动客车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。另一方面，电动客车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。
3.结构简单，使用维修方便
电动客车较内燃机客车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动客车易操纵。
二、纯电动城市客车车架有限元分析
1.纯电动城市客车整车参数
某公司出产的 12m 纯电动城市客车，具有低碳、环保、节能乘坐舒适等优点，使用锂离子换装电池，能够实现快速更换电池，保障车辆的续航里程，主要技术参数如表1所示。
表1 12m 纯电动城市客车整车技术参数
2.纯电动城市客车车架有限元载荷与边界要求
载荷处理与边界条件处理是否得当关系到客车车架有限元分析的成功与否，也是进行有限元分析前的最后一步。合理的加载方式与正确的边界条件是计算分析的关键。
纯电动城市客车车架有限元载荷根据客车车架在实际工作时的载荷分布情况对客车底盘车架施加载荷。客车可以承受的总人数为 63 人（取人均体重为 60kg/人），客车整备质量为
13900kg，两者均视为均布载荷均匀施加在车架上。客车整车电池组总电压为 544V，总容量为400Ah，数量为 9 块，其中包括四块大电池包，五块小电池包，总重 2.3 吨，作均布载荷处理，均匀的施加在电池包所在位置。车上电机重 980kg，两只蓄电池额定电压为 24V，重 100kg，作为集中力载荷处理，施加再蓄电池与电机所在位置，中力的处理方法分别是：均布载荷施加在单元上与集中力施加在单元节点上，因此将上述载荷分别施加在相应的单元与单元节点上。均布载荷施加在客车车架的横、纵梁上，阴影区域。车载电池包、电机与蓄电池等以集中力载荷施加在相应所在位置。
3.纯电动城市客车车架有限元边界条件
（1）满载弯曲工况
弯曲工况是汽车有限元分析基本分析工况，主要模拟的是客车在满载情况下匀速直线行驶时的受力情况，取动载系数为 2。在满载情况下，客车载荷主要是车身自重、各总成质量以及车身载重等。
界条件设置为：约束车架等效悬架位置处前轮与后轮 x，y，z 三个方向的平动自由度，释放节点处 x，y，z 三个方向的转动自由度。
（2）紧急制动工况
紧急制动工况主要模拟的是城市客车在满载行驶时遇到紧急情况而急刹车时，车身在较大的惯性力的作用下产生的变形和受力情况，取动载系数 1.5。已知城市客车最大制动加速度为0.6g，因此在运动方向加-0.6g 模拟制动情况。紧急制动工况载荷、边界条件与弯曲工况一样，在前进方向 x 方向上附加-0.6g 的惯性力。
（3）加速工况
加速工况模拟的是汽车以一定的加速度加速时客车车架的应力位移情况，取动载系数为1.5，求解出客车最大加速度约为 0.4g，因此在客车运动方向上加 0.4g的加速度。加速工况载荷条件、边界条件等与弯曲工况一样，在前进方向 x 方向上附加 0.4g 的惯性力。
图3.1优化后急转弯工况变形与应力云图
（4）扭转工况
扭转工况模拟的是客车在崎岖不平的路面行驶的时候车身的变形与受力情况，取动载系数1.3。由于城市客车在城市道路行驶，假设途中经过有 12mm 凹坑的 C级路面。此时客车因为一侧车轮悬空而使另一侧的车轮抬高，由此产生扭矩，施加在车上而使车身发生严重扭转，车辆发生扭转时的载荷与满载弯曲一样。第一种情况是发生扭转时左前轮下沉，此时约束右前轮 x、y、z 释放转动自由度。释放左前轮的所有自由度，约束后轮 x、y、z 的平动自由度。第二种情况是发生扭转时右前轮下沉，此时约束左前轮 x、y、z 三个方向的的平动自由度，释放 x、y、z 转动自由度。释放右前轮所有自由度，约束后轮 x、y、z 三个方向的平移自由度。
三、纯电动城市客车车架轻量化设计
1.优化设计理论基础
优化设计是一种寻求最佳设计方案的手段，所谓“最佳设计”，指的是能够满足所有设计要求的设计方案，同时所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）也是最小的，也就是说，最佳设计方案就是一个最有效率的方案。
在优化设计过程中一般注意三个基本要素，即设计变量、目标函数与约束条件。设计变量（v1、v2、…、vn）为自变量，在优化过程中通过改变自变量而达到优化目的的变量。如同一般函数一样，通过改变设计变量的数值，来得到优化结果。同理，每个设计变量都会有最大值与最小值，这些最值界定了设计变量的变化范围。
2.参数优化设计结论分析与对比
根据客车底盘参数化优化结果，对优化后客车底盘的静强度进行校核，校核应力要求最高的急转弯工况。对客车底盘车架参数化优化后的急转弯工况的最大应力变为194Mpa，最大变形为6.86mm如图3.1所示，均符合底盘钢Q345的强度要求。
参考文献：
[1]游专.纯电动客车车身优化设计[J].机械设计与制造，2013（12）
[2]纯电动钢铝混合全承载式城市客车结构优化[J].詹斌. 汽车技术.2016（06）
[3]纯电动客车驾驶员安全操作规范[J]. 汽车与安全.2017（02）
论文作者:吕盛贤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
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