家用純電動汽車的總體設計與分析

劉曉紅，賈梓鑌，段治軍

（廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

家用純電動汽車的總體設計與分析

劉曉紅，賈梓鑌，段治軍

（廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

采用傳統汽車的設計方法設計了一款適合家用、上班代步的純電動汽車。通過類比初步確定純電動汽車的部分參數。利用UG NX進行汽車總體設計（包括H點設計、2D人體模型設計、座椅線設計、手伸范圍、鏡像認證等），確定汽車最終參數，繪制汽車車身輪廓圖。利用MATLAB進行操縱動力學建模，對汽車進行操縱穩定性校合，驗證了電動汽車的可靠性。

純電動汽車；總體設計；UG NX；動力特性

隨著我國經濟發展水平快速提高，新能源汽車的開發與利用成為了汽車產業中的一個重點研究方向。相比于傳統汽車，純電動汽車以電動機及其控制系統取代了內燃式汽柴油發動機動力系統，省去發動機、變速器、油箱、冷卻系統和排氣系統等裝置，同時簡化了底盤中的傳動系統，具有污染小、成本低、高能量轉換效率等優點。目前國內外的電動汽車的研究已取得了一定的進展，但未具備大規模推廣純電動汽車的基礎［1］。

汽車總體設計是在滿足車身造型要求下，對電機、驅動裝置、懸架機構等總成，油箱、電器設備、備胎等部件，車身內飾總成和部件等所在的位置，以及車身室內空間大小、行李箱尺寸和車身等主要技術參數設計確定的過程［2-4］。采用傳統汽車的設計方法設計一款適合家用、上班代步的純電動汽車，主要包括汽車形式的選擇、主要參數的確定、UG NX汽車車身布置設計以及汽車操縱穩定性校合。

1　汽車形式的選擇和主要參數的確定

1.1汽車車身形式和結構形式的選擇

轎車車身的基本形式包括折背式、直背式和艙背式三種。發動機排量在1.0 L以下的轎車，主要采用艙背式車身。根據設計對象，確定類型為乘用車，將電動汽車類比于發動機排量在1.0 L的smart for two轎車，車身形式選用艙背式［5］。

由于設計的電動汽車總質量較小，因此采用兩軸形式，選擇4×2驅動。同時為了使汽車軸荷合理分配、獲得較大的行李空間，選用電機前置的驅動方式。

1.2整車參數

設計的家用的純電動汽車，參數的選擇類比于發動機排量在1.0 L的smart for two轎車。按照選擇的汽車結構形式和發動機排量，初步確定汽車的軸距為1 860 mm，輪距為1 280 mm，根據汽車總長La=軸距L/C，選定比例系數C為54%，得出全長尺寸初步計算，根據總寬Ba=（La/3）+195 mm±60 mm得出全寬尺寸初步計算［2］，如表1所示。

表1　整車參數

1.3質量參數

根據電動汽車的用途、載客人數以及載物質量，綜合考慮汽車的整備質量、裝載質量和總質量。同時因采用電機前置前輪驅動，所以前軸的軸荷應大于后軸。選定其它的質量參數，如表2所示。

表2　質量參數

1.4性能參數

通常用來評定汽車的性能指標主要有：動力性、能源經濟性、制動性、操控穩定性、舒適性以及通過性等［6］。根據參考設計要求和國家法規標準，設計純電動汽車的動力性參數為最高車速≥80 km/h；能源經濟性參數：百公里能耗10 kW·h/km，預計續駛里程180 km；整車的通過性參數：最小轉彎直徑≥7.5 m，最小離地間隙≥0.18 m，接近角20°，離去角22°，縱向通過半徑8 m；操縱穩定性參數：不足轉向特性2°，車身側傾角3°，制動點頭角1°.

1.5輪胎的確定

選取的輪胎應為子午線輪胎。查閱GB/T2978—2008（轎車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷），根據設計要求確定輪胎的各個參數［3］：輪胎規格175/65 R14，負荷指數82，新胎斷面寬度177 mm，新胎外半徑584 mm，滾動半徑284 mm、靜負荷半徑267 mm，充氣壓力250 kPa，負荷能力475 kg.

2　 UG NX汽車總體布置設計

汽車總體布置（General Packaging）是幫助設計者進行汽車總體設計的工具，主要解決汽車總體設計過程中的難點，如人機工程、視野校核、發動機跳動等［7］。

2.1 H點設計

以男女乘員比例為50﹕50的A類車輛為設計模型，運用UG NX軟件中H點設計工具創建駕駛室內的關鍵參考點，包括每個乘坐位置的座椅參考點（SGRP）、腳踏板踵點（AHP）、腳心點（PRP）等。同時依據座椅參考點定義，確定相應的腿長參數為：大腿456 mm、小腿459 mm，設計目標靠背角度為22°，目標腰部支持0°，目標座墊角度為15°，座椅偏轉角0°，生成的H點模型如圖1所示。

圖1　生成的H點模型

2.2 2D人體模型

根據所生成的H點模型初步設計相應人體模型姿勢參數，通過駕駛姿勢檢測和運動副角度檢測并進行設計校核，完成參數設定如表3所示，創建符合SAE標準的2D人體模型，包括人體軀干的各主要部分，并產生由SGRP、AHP、SWC（方向盤中心點）構成的“人體三角形”，如圖2所示。

表3　人體模型姿勢參數

圖2　 2D人體模型結果

2.3手伸范圍

汽車車身設計的一條重要原則是：駕駛室內的一切手操作鈕件、開關、桿件等的位置均應在駕駛員手伸及界面之內。根據SAE J287標準要求，運用UG NX軟件中手伸范圍設計工具創建表示駕駛員最大手伸范圍的輪廓面，完成參數設定，系統生成手伸范圍的輪廓面，結果如圖3所示。

圖3　伸手范圍結果示意圖

2.4眼橢球

眼橢球是指不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調整到適宜位置，并以正常的駕駛姿勢入座后，他們眼睛位置在車內坐標系中的統計分布圖形。眼橢球主要應用于人機工程中關于視野的校核，如擋風玻璃、后視鏡、儀表板等的視野校核。其參數設定如圖4、表4所示。

圖4　頭輪廓和間隙圖例

表4　眼橢球參數

2.5其余參數的確定

儀表板可見度功能使人們能夠根據方向盤和開關控制桿的尺寸，計算機動車儀表板的可見和不可見區域。使用此功能能夠在車輛設計的早期階段確定方向盤及其開關控制桿是否符SAE J1050a的建議，其中方向盤設計圖解如圖5所示。

圖5　方向盤設計圖解

此外，運用車輛設計工具包再進行地毯和膝部間隙、后視圖和門口尺寸、座椅尺寸、安全帶固定裝置等的設計，得到汽車的初步參數。

2.6汽車車身輪廓圖的繪制及最終參數的確定

經過UG NX進行內部總體設計后，畫出汽車車身輪廓圖，如圖6所示。并獲得最終的設計數據，如表5所示。

圖6　車身輪廓圖

表5　汽車車身尺寸參數

3　動力特性分析

汽車的操縱穩定性與汽車行駛時的瞬態響應有著密切的關系，通常采用轉向盤角階躍輸入下的瞬態響應來反映汽車的操縱穩定性。根據最終參數，基于MAT LAB對汽車進行操縱動力學建模［6］，得出角階躍輸入下的橫擺角速度時域響應，如圖7所示。由圖7可見，對于執行上的誤差，經過計算，其超調量為129%.而汽車進入穩態所經歷的時間大致為0.6 s.表明汽車在36 km/h的速度下行駛時，其在時間上的滯后很短，說明轉向響應迅速、及時［8-9］。

圖7　角階躍輸入下的橫擺角速度時域響應

4　結束語

類比于傳統汽車的設計方法，提出了一種純電動汽車的簡易設計方案，對純電動汽車的總體設計做了創新應用。在UG NX軟件中完成了汽車車身總體布置設計和最終參數匹配與校核的工作，并基于MAT LAB對汽車進行操縱動力學建模，對汽車操縱穩定性進行了評估。設計的家用純電動汽車，其設計要求和各項參數符合相關法規及設計手冊的設計標準，尤其是利用UG NX軟件進行汽車總體設計和參數匹配與校核，對以后純電動汽車的設計提供參考。

［1］張翔，趙韓，張炳力，等.中國電動汽車的進展［J］.汽車研究與開發，2004，（1）：77-79.

［2］王望予.汽車設計［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［3］黃曉云.汽車總體設計專家系統的研究與開發［M］.沈陽：東北大學出版社，2007：105-127.

［4］黃曉云，張鳳賜，張國忠，等.基于現代化技術的汽車總體設計參數選擇方法［J］.中國工程機械學報，2004，2（1）：69-74.

［5］劉齊茂.汽車車架的結構優化設計［J］.機械設計與制造，2005，（4）：1-3.

［6］劉清虎，郭孔輝.動力參數的選擇對純電動汽車性能的影響［J］.湖南大學學報，2003，S1：62-64.

［7］周定陸，杜子學.汽車總體布置應考慮的問題［J］.汽車研究與研發，2001，（02）：23-26.

［8］陳桂明.應用MATLAB建模與仿真［M］.北京：科學出版社，2001：55-58.

［9］高大威，振華，青春.基于MATLAB的燃料電池汽車動力系統仿真7［J］.系統仿真學報，2005，17（8）：55-59.

The OverallDesign and Analysis ofHousehold Pure Electric Vehicles(PEV)

LIU Xiao-hong，JIA Zi-bin，DUAN Zhi-jun
（Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&AdvancedManufacturing Technology，School ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Based on the designingmethods of traditional automobiles，a Pure Electric Vehicles（PEV）suitable for family to work was designed.Some parameters of pure electric vehicle were initially identified by using themethod of analogies.And the final parameters of the car were determined by the overall design on UG NX（including the design of H point，2D Manikin，seat line design，the certification scope of hand，mirror image，and tire envelope，etc.），then plot the auto body contours.And use MATLAB tomanipulate dynamicsmodeling，to verify vehicle’s handling and stability，ensure the reliability of the electric car.

pure electric vehicles（PEV）；overall design；UG NX；dynamic characteristics

U469.72

A

1672-545X（2016）06-0007-04

2016-03-16

廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室基金項目（項目號：13-051-09S07）。

劉曉紅（1980-），女，廣西博白人，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：機械結構強度學、材料加工工程。