純電動專用汽車車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

袁敏++強(qiáng)永軍++馮情++熊艷梅

摘 要：本文以城市純電動物流專用汽車為具體研究對象。在建立的設(shè)計(jì)區(qū)域上，以體積最小化為目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果在三維建模軟件中建立了專用車車架具體結(jié)構(gòu)。通過有限元分析驗(yàn)證車架是否符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：汽車；車架；拓?fù)鋬?yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.227

0 前言

受動力電池技術(shù)的限制，純電動汽車存在續(xù)航里程短和充電困難等突出劣勢。但對于城市專用汽車來說，其行駛里程短、作業(yè)任務(wù)固定，因此純電動專用汽車有相當(dāng)大的前景。車架作為純電動專用汽車的承載部件，質(zhì)量占比大，對整車制造成本和續(xù)航里程有相當(dāng)大的影響。針對特型純電動專用汽車的整車布置，開發(fā)輕量化的專用車架是電動汽車研究領(lǐng)域的重要課題。

1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)區(qū)域的建立

本設(shè)計(jì)以城市純電動物流專用汽車為具體研究對象，在傳統(tǒng)貨車邊梁式車架的中段下部設(shè)置了專門的動力電池和控制器安裝區(qū)域。設(shè)計(jì)區(qū)域劃分為設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域。優(yōu)化過程中不改變非設(shè)計(jì)域，通過優(yōu)化計(jì)算，去除多余部分，設(shè)計(jì)域中所剩部分構(gòu)成的形狀是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果。除兩根縱梁外，其余均是設(shè)計(jì)域。車架材料為大梁鋼16Mn。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算

滿載扭轉(zhuǎn)工況是車架的一種危險(xiǎn)工況[1]，模擬右后輪懸空時(shí)加載。在Ansys workbench建立有限元模型，用shape finder功能模塊中設(shè)置材料去比60%，經(jīng)軟件迭代計(jì)算后得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖1所示。

2 有限元分析

基于底盤布置和制造工藝，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的車架結(jié)構(gòu)是否符合相應(yīng)要求還應(yīng)該通過進(jìn)行有限元分析來驗(yàn)證。

2.1 靜力學(xué)分析

按車架工作最惡劣的扭轉(zhuǎn)工況加載，經(jīng)計(jì)算得到總變形位移云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖2和圖3所示。

大變形區(qū)域位于車架的右后部位置，最大變形位于右縱梁中段，最大變形處位移量是7mm；車架的整體應(yīng)力值較低，后橋在右縱梁投影處應(yīng)力值最大，為289MPa，低于材料屈服強(qiáng)度極限345MPa。

2.2 模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)振動中，高階模態(tài)能量占比太低，對整個(gè)結(jié)構(gòu)振動影響不大，計(jì)算前6階模態(tài)即可。經(jīng)過Ansys/workbench的求解后，1階模態(tài)頻率為24.4 Hz。對于純電動汽車來說，其激勵主要來自路面、驅(qū)動電機(jī)和傳動軸。城市路面上激勵頻率在1～3Hz之間；驅(qū)動電機(jī)的激勵頻率為30～50Hz；傳動軸的不平衡引起的振動的頻率大于30Hz以上 。1階固有頻率高于路面激勵頻率，且低于驅(qū)動電機(jī)和傳動軸不平衡引起的激勵頻率。車架不會因相關(guān)激勵而發(fā)生共振，故車架動態(tài)特性符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化得到了車架的概念設(shè)計(jì)模型，以此為依據(jù)并考慮車架工況和底盤布置，設(shè)計(jì)出了專用車車架具體結(jié)構(gòu)。

（2）通過靜力學(xué)和模態(tài)分析，驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出的車架既達(dá)到了有效輕量化、節(jié)約制造成本的目的，同時(shí)又滿足汽車動靜態(tài)特性要求。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中底盤主要靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并根據(jù)試制和客戶反饋進(jìn)行改進(jìn)，而在設(shè)計(jì)初始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)大大提高設(shè)計(jì)效率。

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基金項(xiàng)目：四川省教育廳科研項(xiàng)目（17ZB0067）和成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院青年科學(xué)基金（C122016018）

作者簡介：袁敏（1985-），男，碩士，助教，研究方向：汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化。endprint