新型電動輕卡底盤車架設計

王成昆，王東旭

新型電動輕卡底盤車架設計

王成昆，王東旭

（蘇州奧杰汽車技術股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

目前電動輕卡車架常見結構是大梁式和大規格管梁焊接式，大梁式沿襲了卡車車架設計，電池包拓展性較差，缺乏正向有針對性的設計。大規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，生產難度較大且整車力學性能較差。文章介紹了一種新型電動輕卡底盤車架，為電動輕卡車架設計提供了一種方案，其模塊化設計對提高生產效率和車型拓展具備優勢，同時全承載式結構具備較高的強度。

電動輕卡；大梁式；全承載；模塊化

前言

電動輕卡顧名思義是指純電驅動的輕型載貨汽車，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遇到各種工況，故車架所受到的力是及其復雜的。因此必須具有足夠的強度和剛度以承受車輛的載荷和從車輪傳來的沖擊[1-2]。

1 電動輕卡底盤車架現狀

目前市場上輕型載貨汽車所采用的車架，大多都是在卡車車架基礎上改制，對軸距和總長以及材料厚度等方面做改變。對于輕卡車架的設計尹民鑫[3]等曾做了設計流程方面的介紹，其介紹的車架即為目前主流的大梁式車架。該結構主要由兩根主縱梁和若干中間橫梁通過鉚接而構成的堅固剛性構架。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度螺栓連接，該種設計在商用車上的應用已經非常成熟。目前市場上的燃油輕卡、中卡、重卡基本全部采用這種結構。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用較多的是：縱剪線—輥型線—數控沖孔—數控折彎—機械手切割—拋丸，該工藝以高柔性化在市場中得到廣泛應用。中間橫梁一般采用壓力機、模具加工。車架總成的鉚接方式最初是自由鉚接，現在為保證精度一般采用胎具鉚接。整個制造過程對設備以及模具精度等要求比較嚴格[4-5]。

當拓展為純電驅動時，因受限于續航里程，一般用途是市區物流配送。電池的布置常見的方式是側掛在主縱梁兩邊，也有放置在主縱梁中間。而電機的放置也分前置和后置，視車型配置而定。整個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純電動物流車底架。

圖1 依維柯純電動物流車大梁式底架結構

上圖所示的只是目前市場上常見的電動物流車的底架結構。與之類似的中國一汽的吳慶[6]等人設計了一種純電動物流車底盤。如下圖2所示，該結構的獨特之處在于可配置液壓升降尾板，電機+AMT+取力器的動力系統，比較容易實現液壓升降尾板的功能；蘇州奧杰汽車的宿佳敏[7]等人設計的一款電動卡車車架底盤，特點是電機中置，電池側掛與主縱梁兩側；孫立明[8]等人也設計了一種模塊化布置的電動物流車底盤；此外東風柳汽的區錦文[9]等也設計了一種快遞物流車的車架，該車架主要用于配置發動機的物流車。其槽形大梁采用264×75×6mm規格，材料屈服強度大于750Mpa，左右主縱梁外寬940mm。

圖2 中國一汽設計的純電動物流車底盤結構

目前市場上除了上述主流的大梁式結構外，還有另外一種結構的電動輕卡車架。即管梁焊接式結構，由于其前、后段所用管梁規格一般都較大，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等其他小規格，故暫稱之為大規格管梁式車架，其本質上是三段式承載結構的一種衍生。該結構能搭載不同的電池電量，分艙設計可有效保護電池的側撞。

該種結構可見于宿佳敏[10-11]等人的專利中。其結構如圖3所示。

圖3 大規格管梁式輕型電動輕卡結構一

在圖3的結構基礎上蘇州奧杰汽車又進行了升級改進，設計了另外一種車架結構，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車珠海銀隆已經量產。該結構的的一個特點是橫梁打斷，縱梁從中段一直貫通至尾段，整個上層是一個片體，整車抗彎性能較好。在前后懸架固定點位置橫梁采用直徑60mm的圓管，將左右兩個100mm×40mm×2.75mm的矩形管梁連接在一起。中段縱梁規格是60mm×40mm×2mm，加上其他規格的管梁，種類可達8種。

圖4 大規格管梁式輕型電動輕卡車架結構二

與上圖結構類似的還有另外一種結構，該車架適合貨箱體積5-8立方的6m以下箱式物流車。采用前置前驅布置方式，后段為平整的貨箱，中部放置電池。該設計的原方案由蘇州奧杰汽車設計，上汽大通目前有一款采用相似結構的物流車EV31已經量產運行。該結構可以說是圖4結構的縮小版，適合貨箱體積較小的需求。

圖5 管梁式輕型電動輕卡結構三

在圖4車架的基礎上，上車體的設計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 不同形式的貨箱結構示意圖

綜上所述，大梁式結構在拓展為電驅動時存在以下問題：電池無論側掛還是中置，防水、防撞效果較差；當軸距變化時，懸架安裝點變動，大梁需要重新開模定型，適應性不強；大梁和橫梁的成型以及整個車架的鉚接需要專門的設備，費用較大；在常規燃油輕卡車架基礎上改進，缺乏針對電動物流車正向研發設計的經驗和能力。

大規格管梁式焊接結構是在大梁式基礎上的創新，針對電池的布置設計了中段電池倉的結構，是借鑒了純電動客車以及公交車的設計經驗，有效解決了電池防撞的問題；前后段使用較大規格的管梁，且在懸架固定位置使用了直徑60mm的圓形管梁作為內橫梁，整體結構本質上是大梁式結構的一種衍生。但由于管梁規格不一致，容易造成端面不齊，受力不好；各段缺少統一的模塊化劃分，且物料種類較多，生產制造存在一定的不便。

2 新型電動輕卡底盤車架

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

圖7 新型電動輕卡車架主框架組成示意圖

該結構與圖4結構最大的區別在于整個底架管梁規格比較統一且種類少，焊接端面整齊，整車力學性能較好。同時模塊化的設計有利于平臺產品的拓展，也提高了加工制造的效率。將橫梁貫通，縱梁打斷的設計可與車身骨架構成封閉環，提高了整車的抗扭轉能力，同時便于制作定位。整車骨架結構如下圖8所示。

圖8 新型電動輕卡整車骨架結構示意圖

電動輕卡主要用途是物流配送，為滿足法規中的行人保護和車輛后下部防護要求，在車架前后端設計有防護梁。材料均采用鋁合金，代號為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構示意圖

車架主框架的前、中、后段三個總成，分別由若干分總成和散件構成。每個分總成構成一個模塊，便于制造，分總成之間通過散件組合成一個大總成。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成示意圖

中段總成由前后三個格柵片組成，格柵間距的的變化可實現電池倉空間的變化，以匹配不同電池?？赏卣篂殡p層電池結構，兩種形式結構如下圖11所示。

圖11 中段電池倉單、雙層電池結構示意圖

通過調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。后段與前中段結構劃分的原理一樣。

圖12 主框架中段總成模塊構成示意圖

圖13 主框架后段總成模塊構成示意圖

以上為車架主框架的結構，其中單個分總成，以及分總成與分總成之間均為焊接，穩定可靠；各分總成在制作時為保證精度可制作專門的工裝夾具，焊接完成后脫模。底盤的其他分系統如懸架、制動、轉向、動力等系統支架分別根據布置位置及功能需要進行設計，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。

市場上大梁式結構的電動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，上端與貨箱的預埋螺母或者支架固定。其連接結構如下圖14所示。

圖14 傳統貨箱與車架連接方式示意圖

新型車架則不需如此復雜的連接結構，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，則對比傳統的鋼結構骨架則又可減重約50kg。綜上所述，該新型車架具有較好的應用前景。

3 車架結構CAE分析

為了解該新型結構的性能，利用有限元分析軟件Hypper mesh和Nastran，對其進行了固有模態，剛度和特定工況下的強度分析。

3.1 固有模態分析

根據振動系統理論，多自由度系統通常以某個固有頻率振動時所呈現的振動形態稱為模態。固有頻率和振型向量是表示振動特征的重要參數[12]。

將CATIA完成的車架三維模型轉為STP格式導入Hypper mesh中，進行幾何清理。管梁采用薄壁結構，因此采用殼單元進行模擬。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格尺寸為10mm，總網格數為310250個，總節點數為632155個。

對車架賦予材料屬性，如下表所示：

表1 桁架材料屬性

將處理好的網格模型導入Nastran求解器進行求解，結果如下圖所示。

其階次及振型分析如下表所示。

表2 新型車架固有模態階次頻率

從以上數據可知，新型車架的模態頻率變化平穩，沒有突變；一般路面不平引起的激勵頻率為1~20 Hz，新型車架一階扭轉模態為21.5Hz，避開了這個區間；載貨車的前后懸架偏頻在2~4.5 Hz之間，一階模態也能避開；在匹配電機時，一般要求是車架固有模態要避開常用車速下頻率。

3.2 剛度分析

在固有模態分析的基礎上，對車架進行剛度分析，包括彎曲剛度和扭轉剛度。彎曲剛度的約束條件是在前軸對應車架處左側約束XYZ方向自由度，右側約束XZ方向自由度。后軸對應車架處左側約束YZ方向自由度，右側約束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求解器進行求解[13]。

計算結果為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；

計算結果為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：車架軸間相對扭轉角；

3.3 強度分析

強度分析的工況主要分為靜載、垂向3g、0.8g制動、0.4g左右轉向幾種工況。該分析是整車的分析，需要提取關鍵節點載荷[14]。

靜載工況主要模擬車輛在滿載靜止狀態，或平坦路面高速直線行駛時產生的垂直振動對桁架所產生的彎曲載荷；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制動工況是考察車輛以0.8g的制動加速度制動時，地面制動力對車架的影響；0.4g左右轉向工況主要是考察當車輛以0.4g轉向加速度轉彎時，慣性力對車架的影響，分析車架所承受的最大應力。

在Nastran求解器中按照以上工況條件進行加載求解，將得到的數值作為結構優化改進的參考。

4 結論

目前電動物流車常見的底盤車架結構分別是大梁式和大規格管梁式焊接式，文章對其優缺點做了對比分析。并介紹了一種新型的電動輕卡底盤車架結構，其特點如下：

（1）采用管梁的規格種類較少，便于組織生產，模塊化設計有利于提高生產效率。

（2）電池倉可設計為單、雙層結構，滿足不同電量的配置需求。前中后三段設計有利于車型的拓展。

（3）車架上平面直接鋪地板的設計，相比傳統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成全承載式結構，整車具備較高的強度。

（5）貨箱可采用一體式和分體式兩種設計，其材質不管采用鋼結構還是鋁合金，新型車架結構均可匹配。

該新型底盤車架為電動輕卡車架設計提供了一種設計思路和方案，有助于對電動物流車車架的正向開發設計。

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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

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1671-7988(2019)18-01-05

U469.72+2

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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股份有限公司。研究方向：底盤總布置，車架設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.001