淺析純電動(dòng)城市客車總布置方案對整車主要性能的影響

夏德剛

上海萬象汽車制造有限公司 上海市 201611

1 引言

隨著我國新能源汽車的示范運(yùn)營到目前的大量推廣應(yīng)用，新能源汽車不斷成為社會(huì)的焦點(diǎn)，作為新能源汽車發(fā)展重點(diǎn)的純電動(dòng)城市客車亦是備受社會(huì)廣泛關(guān)注。純電動(dòng)城市客車是城市主要公共交通工具、人民群眾綠色出行的重要載體，其安全性、使用經(jīng)濟(jì)性一直以來被視作產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

純電動(dòng)城市客車和傳統(tǒng)車型（燃油、燃?xì)獾龋┐嬖谥薮蟮牟顒e：一方面動(dòng)力源換裝為數(shù)量眾多、體積和質(zhì)量龐大的高壓動(dòng)力電池系統(tǒng)；另一方面動(dòng)力系統(tǒng)換裝為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、相應(yīng)增加了各種電輔件以及大量的高低壓線路等。整車部件及參數(shù)的變化，導(dǎo)致純電動(dòng)城市客車的總體布置方案相對傳統(tǒng)車型作出了重大調(diào)整。如何保證涉及行車安全的行駛穩(wěn)定、制動(dòng)、碰撞等安全性能？如何降低整車質(zhì)量、降低能耗、提高整車經(jīng)濟(jì)性？如何滿足用戶車內(nèi)空間利用率及續(xù)航里程的需求？如此種種，都要求整車總布置工程技術(shù)人員在方案選擇、性能指標(biāo)確定、結(jié)構(gòu)布置、性能控制、整車和子系統(tǒng)合理匹配等方面要作出重大突破。現(xiàn)以我司開發(fā)的一款11米純電動(dòng)城市客車為例，通過對其不同總布置方案分析，探討純電動(dòng)城市客車總布置方案對整車性能的影響，為純電動(dòng)城市客車總布置方案選擇提供參考。

2 整車開發(fā)方案介紹

2.1 整車開發(fā)目標(biāo)參數(shù)

該項(xiàng)目車型為后置、后驅(qū)二級踏步純電動(dòng)城市客車，目標(biāo)客戶地一線城市公交。根據(jù)市場調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果，目標(biāo)客戶地公交線路的特點(diǎn)：線路長（達(dá)200 km以上），乘客流量大。對此經(jīng)過論證、評審確定整車主要設(shè)計(jì)性能技術(shù)參數(shù)，具體見表1。

表1 11米純電動(dòng)城市客車設(shè)計(jì)性能參數(shù)

2.2 整車結(jié)構(gòu)布置

由于該車配裝2000～3000kg的動(dòng)力電池（總共12箱），若要保持和同級別傳統(tǒng)車一樣的車內(nèi)空間，座位數(shù)不減少，同時(shí)整備質(zhì)量亦不超過12000kg，必須采用全承載式車身。動(dòng)力電池最佳的布置方案就是大部分布置在車廂地板以下。圖1為該車底盤兩種總體結(jié)構(gòu)布置方案。

布置方案一中選擇和傳統(tǒng)車一樣的軸距長度5100mm，空間所限，在車輛中段地板下布置6箱動(dòng)力電池。為了保證能布置下其余動(dòng)力電池及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等所有部件，后懸長度須取法規(guī)上限值（軸距長度的65%）。布置方案二中選擇長軸距6100mm，在車輛中段地板下布置10箱動(dòng)力電池。通過調(diào)整，在保證布置下其余所有部件的條件下，同時(shí)整車長度不變，后懸長度降低到軸距的40%。

2.3 整車軸荷分配及質(zhì)心位置

整車軸荷分配及質(zhì)心位置是汽車相關(guān)性能計(jì)算中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，估算結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接影響到實(shí)車的性能。在保證整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及質(zhì)量控制目標(biāo)的前提下，在三維建模前期，根據(jù)力矩平衡原理，按照式（1）、式（2）和式（3）對兩種布置方案下的整車軸荷分配及質(zhì)心位置進(jìn)行估算（后期可以通過CATIA三維建模較準(zhǔn)確的得出）。表2為車輛整備、半載、滿載三種典型狀態(tài)下的各軸負(fù)荷和整車質(zhì)心位置（假設(shè)乘員質(zhì)量在車廂內(nèi)均布）。

式中，g1、g2、g3…gI為各總成質(zhì)量，kg；g人為乘員總質(zhì)量，kg；l1、l2、l3…lI為各總成質(zhì)心到前軸距離，m；l人為所有乘員質(zhì)心到前軸距離，m；h1、h2、h3…h(huán)I為各總成質(zhì)心到地面距離，m；h人為所有乘員質(zhì)心到地面高度，m；G2為滿載后軸負(fù)荷，kg；L為汽車軸距，m；a為汽車滿載質(zhì)心距前軸距離，m；hg為汽車質(zhì)心到地面高度，m。

同理通過改變式（1）、式（2）和式（3）中變量的定義，可求得：車輛整備狀態(tài)后軸荷G2＇、質(zhì)心距前軸距離a＇及質(zhì)心到地面高度hg＇；車輛半載狀態(tài)后軸荷G2＂、質(zhì)心距前軸距離a＂及質(zhì)心到地面高度hg＂。

圖1 底盤總體結(jié)構(gòu)布置方案

3 兩種布置方案下整車安全性能

3.1 整車操縱穩(wěn)定性

汽車操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。是決定汽車行駛特別是高速行駛安全的一個(gè)主要性能。由于影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素較多，加之城市客車車速較低（最大設(shè)計(jì)車速小于70km/h），本文僅對不同總布置方案下的整車質(zhì)心位置對整車操縱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行部分分析。

轉(zhuǎn)向回正性能是汽車的一項(xiàng)重要性能，容易想到一輛沒有轉(zhuǎn)向回正或者轉(zhuǎn)向回正速度極慢及回正殘余角度特大的汽車，駕駛員如何能接受？駕駛安全如何能得到保證？汽車重心位置的前后影響汽車前軸載荷大小，汽車前軸載荷的大小是影響汽車轉(zhuǎn)向回正的一個(gè)重要因素（重力回正）。大客車尤其是城市公交車轉(zhuǎn)向回正性能往往不是很理想，對此曾對比過不同生產(chǎn)廠家的四種同類型的公交車輛，同一駕駛員、同一車速、同一場地測試下來，只有一款車轉(zhuǎn)向回正性能表現(xiàn)良好，其它三款表現(xiàn)較差。具體觀察整車總體布置結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向回正性能表現(xiàn)良好的車輛其軸距、相同部件布置位置和其它三款車輛不同。以前橋主銷后傾角所形成的轉(zhuǎn)向回正力矩計(jì)算公式，來分析不同車輛總體布置方案導(dǎo)致前軸荷變化時(shí)（重心位置）對轉(zhuǎn)向回正力矩的影響因素，如下：

式中，MR為主銷后傾角所形成的轉(zhuǎn)向回正力矩，N.m；η為機(jī)械逆向傳動(dòng)效率；F為前軸載荷，N；e為轉(zhuǎn)向輪與路面接觸點(diǎn)至主銷軸線的距離。

從公式（4）中看出隨著前軸載荷F的增大，轉(zhuǎn)向回正力矩MR隨之增大，這也驗(yàn)證了曾經(jīng)對比測試中，轉(zhuǎn)向回正性能表現(xiàn)良好的車輛原因所在（軸距較大、前軸荷較大）。故整車總布置設(shè)計(jì)人員在客車總布置設(shè)計(jì)階段應(yīng)該合理確定車輛質(zhì)心到前軸的距離，合理的加大前軸荷，以期得到滿意的車輛轉(zhuǎn)向回正性能。

車輛質(zhì)心位置對高速行駛的車輛的操縱穩(wěn)定性的影響很大，尤其是車輛質(zhì)心位置高低的變化影響更大。由于城市客車車速較低（最大設(shè)計(jì)車速小于70km/h）車輛質(zhì)心位置的變化對車輛的操縱穩(wěn)定影響甚微，關(guān)于此方面的具體分析很多相關(guān)論著已經(jīng)詳細(xì)闡明，本文不做過多介紹。車輛總布置設(shè)計(jì)人員在做整車總布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量將質(zhì)心位置前移，否則可能會(huì)造成車輛的過多轉(zhuǎn)向趨勢，造成駕駛員駕駛車輛過分緊張，引發(fā)安全事故。

3.2 整車制動(dòng)性能

車輛制動(dòng)性能直接影響行車安全，對此國家有專門的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，GB7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和GB12676《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》對車輛制動(dòng)性能做了詳盡的規(guī)定。本文根據(jù)兩種純電動(dòng)城市客車底盤總布置方案所確定的整車相關(guān)參數(shù)，對整車的制動(dòng)性能作對比分析，由于篇幅問題僅片面的從前后軸制動(dòng)利用附著系數(shù)和制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系法規(guī)線符合性入手進(jìn)行探討。GB12676中 E.3.1.1規(guī)定所有車輛在輪胎與地面間的理論附著系數(shù)0.2～08之間時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)滿足z≥0.1+0.85（k-0.2）； E.3.1.2 b）規(guī)定在車輛制動(dòng)強(qiáng)度z處于0.15～0.3之間時(shí)，各車軸的附著系數(shù)利用曲線在k=z±0.08所確定的兩條平行的理想附著系數(shù)利用曲線之間，且后軸附著系數(shù)利用曲線在制動(dòng)強(qiáng)度z不小于0.3時(shí)滿足制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.3+0.74 （k-0.38）關(guān)系。據(jù)此根據(jù)整車相關(guān)參數(shù)計(jì)算繪制兩種車輛總布置方案下，前后軸制動(dòng)利用附著系數(shù)范圍ψf和ψr和制動(dòng)強(qiáng)度的法規(guī)線關(guān)系圖如下：

表2 軸荷和質(zhì)心位置

對比兩種車輛總布置方案下整車前后軸制動(dòng)附著系數(shù)利用曲線，發(fā)現(xiàn)兩種方案下車輛的整車前后軸制動(dòng)附著系數(shù)利用曲線都在法規(guī)線范圍內(nèi)，都符合法規(guī)要求。方案一同步附著系數(shù)為0.65，方案二同步附著系數(shù)為0.6，在城市公交常用路面附著系數(shù)0.5～0.75的范圍。為了防止后輪抱死（發(fā)生危險(xiǎn)的側(cè)滑）并提高制動(dòng)效率，前后軸附著系數(shù)利用曲線應(yīng)該盡量靠近理想的z=k（圖中用ψ代替z）曲線，從圖中看出方案二前后后軸附著系數(shù)利用曲線比方案一靠近理想z=k曲線，布置方案二比較合理。原因在于方案二加大了軸距使車輛質(zhì)心較方案一靠近前軸。

制動(dòng)器摩擦片的使用壽命和車輛總布置結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，方案一車輛質(zhì)心位置將方案一靠后，這使得車輛后軸荷大大增加，以前我司也開發(fā)過和方案一類似的純電動(dòng)客車，實(shí)驗(yàn)測試后發(fā)現(xiàn)后輪制動(dòng)器溫度過高，制動(dòng)器摩擦片磨損過快，究其主要原因?yàn)楹筝S荷過大。方案二的布置結(jié)構(gòu)恰當(dāng)?shù)慕鉀Q了該問題。

4 兩種布置方案下整車使用經(jīng)濟(jì)性能

兩種布置方案都采用全承載式車身結(jié)構(gòu)，采用全承載車身的好處：一是可以將動(dòng)力電池全部布置在車廂地板下和車輛尾部側(cè)艙中，車廂后部無封閉艙體，達(dá)到了和傳統(tǒng)車一樣的布置結(jié)構(gòu)；二是可降低整車重量，降低車輛行駛能耗，滿足公交客戶一次充電大的續(xù)航里程要求。對比方案一和方案二車廂內(nèi)主要乘客站立空間（車輛中段）的大小，很明顯方案二遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案一。實(shí)際測算下來，10米多的車輛車廂可使用空間達(dá)到了傳統(tǒng)12米車輛車廂使用空間。

圖2

通過市場調(diào)研，客戶都對方案二表示認(rèn)可。最終方案二通成功通過了公司相關(guān)評審，經(jīng)過研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，車輛成功完成開發(fā)，整車整備質(zhì)量11900kg，達(dá)到了整車整備質(zhì)量≤12000kg的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并成功通過各項(xiàng)性能測試。現(xiàn)在已連續(xù)大批量服務(wù)于公交市場。

5 結(jié)語

純電動(dòng)城市客車總布置方案的選擇對整車的性能影響巨大，通過本文兩種車輛布置方案各項(xiàng)性能的綜合比對，方案二采用的長軸距、短后懸、全承載結(jié)構(gòu)能夠合理布置下車輛動(dòng)力電池，并改善車輛的各項(xiàng)性能，是現(xiàn)階段純電動(dòng)城市客車的最佳布置參考方案。