安徽省 合肥市 安徽江淮汽车集团股份有限公司 轻型商用车研究院 合肥 230022
安徽省 合肥市 安徽江淮汽车集团股份有限公司 专用车公司 合肥 230022
摘要：本文简述了一种纯电轻卡的正向开发，首先进行市场调研确定车辆配置及整车参数，根据整车参数确定车架形状、前后板簧、前后桥、轮胎大小等底盘大件、驾驶室布置位置等。重点阐述了车辆正向开发过程：在物理搭载方面，重点校核转向系统与车架、驾驶室的连接部分，动力电池布置位置等；在法规方面关注法规的符合性和公告的确定；在性能方面要关注整车通过性及整车姿态角，并重点讲述了整车姿态角的计算方法；在试验方面确定了车辆需要验证的性能试验；并简述了车辆开发周期和成本分析内容。
摘要关键词：物理搭载 整车姿态角
前言
根据市场需求，需要开发一款适用于用户场景的纯电轻卡。该纯电轻卡驾驶室、翻转、转向、线束、车架，货箱等分组进行适应性开发。动力电池采用宁德90kWh单电池包、80千瓦永磁同步电机，框架式车架、平行轴式电驱桥，电机控制器集成高压盒内。前桥采用3.0T，后桥5.5T，后双胎。产品开发过程中，在满足布置、性能要求前提下最大程度实现零部件平台化、系列化、通用化。
方案设计
1车型主要配置 见表1
表1 车型主要配置表
类别 | 主配置 | ||||
整车尺寸 | 5995×1910×2450 | ||||
质量参数 | 整备质量（㎏） | 3860 | 满载质量（㎏） | 8280 | |
动力电池 | 生产企业 | 宁德 | 驱动电机 | 类 型 | 永磁同步电机 |
额定电压 AC（V） | 334.88 | 额定工作电压（V） | 330 | ||
额定总容量（Ah） | 250 | 额定/峰值转速（rpm） | 3183/9000 | ||
总能量（kWh） | 90 | 持续/峰值功率（kW） | 80/167 | ||
能量密度（W·h/kg） | ≥140.13 | 持续/峰值扭矩（Nm） | 305/620 | ||
前桥 | 3000kg | 车架 | 180mm×55mm×4.5mm | ||
前轮距1780，板簧距800mm | 前悬架 | 4片 | |||
后桥 | 平行轴式电驱桥 | 后悬架 | 7+6片 | ||
5500kg | 转向 | 电动，可调式多功能方向盘 | |||
减速比:10.44 | 制动 | 液制动，带ABS装置 | |||
轮距1620mm，板簧距950mm | 驾驶室 | 纯电新造型驾驶室 | |||
轮胎 | 标配：7.50R16 8PR | 货箱 | 4200×1810×400 | ||
2动力总成布置校核
2.1动力电池物理布置确定 动力电池与XY平面夹角=0°,动力电池安装面中心坐标（以动力电池外形最大尺寸为参考点选取的中心坐标）确定在X=1415mm、Y=0mm、Z=-151mm。
2. 2 驾驶舱空间布置及校核 热管理系统中的散热器和高压控制器均在驾驶室下面，各处间隙满足要求。
3底盘校核 底盘各总成件布置合理，各处极限间隙均满足设计要求。
4重量分析 开发车型整备重量3860，开发车型载重量4420，开发车型(载重量/整备质量)（Kg）系数1.15，满足公告参数。
5整车性能指标见表2
表2 整车性能指标统计表
通过性目标 | 接近角（°） | ≥15° | |
离去角（°） | ≥13° | ||
纵向通过角（°） | ≥15° | ||
满载最小离地间隙（mm） | ≥170 | ||
动力性目标 | 最高车速(km/h) | 95 | |
最大爬坡度(％) | ≥20 | ||
0-50km/h时间（s） | ≤10 | ||
经济性目标 | CLTC工况续驶里程（km） | ≥300km | 90Kwh |
充电性目标 | 常温直充 | SOC 0-80%充电时长(h) | ≤1 |
SOC 0-100%充电时长(h) | ≤1.5 | ||
制动性能目标 | 行车制动性能：80km/h初速度冷态制动效能（0型）的制动减速度≥5m/s2，制动距离≤61.2m。 | ||
驻车制动性能：驻坡度≥20%。 | |||
转向性能目标 | 操纵稳定性：初始横摆角速度≤30º/s，残余横摆角速度≤4.5º/s。 | ||
6技术要求符合性 见表3
表3 技术要求符合性统计表
电池系统质量能量密度 | 技术要求 | 电池质量（kg） | 能量(kWh) | 质量能量密度（Wh/kg） | 符合性 |
新能源货车和专用车，装载动力电池系统质量能量密度不低于125Wh/kg | 500 | 90 | 180 | 符合 | |
单位载质量能量消耗量 | 技术要求 | 能量(kWh) | CLTC工况续驶里程(km) | Ekg（Wh/km·kg） | 符合性 |
纯电动货车、运输类专用车单位载质量能量消耗量Ekg≤0.49Wh/km·kg | 90 | 300 | 0.3 | 符合 |
7整车姿态角计算
7.1轴荷确认 该纯电卡车型整备质量为3860kg，其中前轴荷2200kg、后轴荷1660kg。
根据市场载重需求4到5吨，确定满载总重8280kg。
7.2计算满载工况的前后轴荷分配
7.2.1计算参数及非簧载质量 见表4
表4计算参数表+非簧载质量统计表
计算参数表 | 非簧载质量统计表 | |||||
项目 | 代号 | 单位 | 参数 | 分组 | 单位 | 参数 |
轴距 | L | mm | 3365 | 传动轴总成重量 | kg | 35 |
货箱中心线到前轮中心线距离 | L2 | mm | 2740 | 前轮胎总成质量 | kg | 79.2 |
空载前轴荷 | F1 | kg | 2200 | 后轮胎总成质量 | kg | 158.4 |
空载后轴荷 | F2 | kg | 1660 | 前桥总成重量 | kg | 235 |
空载整车总质量 | G1 | kg | 3860 | 后桥总成重量 | kg | 275 |
满载整车总质量 | G | kg | 8280 | 前悬架总成质量 | kg | 112.4 |
满载乘员数 | n | 位 | 3 | 前悬架刚度 | N/mm | 230 |
货箱负载 | G2 | kg | 4225 | 前板簧自由弧高 | mm | 105 |
空载重心到前轮中心线距离 | L1 | mm | 1447 | 后悬架总成质量 | kg | 100 |
满载重心到前轮中心线距离 | L1' | mm | 2073 | 后板簧刚度（主） | N/mm | 446 |
满载前轴荷 | F1' | kg | 3180 | 后板簧刚度（主+副） | N/mm | 1055 |
满载后轴荷 | F2' | kg | 5100 | 后板簧副簧开始工作载荷 | kg | 3641 |
后板簧自由弧高 | mm | 140 | ||||
以后轮着地点为基点，利用力矩平衡原理开展计算。计算公式：G1*L1+G2*L2=F2*L
计算模型见图 1 
图1 计算模型图
7.2.2求出满载工况下的前后板簧偏频 、挠度、弧高 见表5
表5 板簧偏频 、挠度、弧高计算表
簧载/非簧载质量、挠度、弧高计算 | ||||||||
项目 | 状态 | 非簧载质量m（kg） | 总载荷（kg） | 簧载质量m（kg） | 单边簧载质量m（kg） | 偏频n（Hz） | 挠度（mm） | 弧高 |
前悬架 | 整备 | 398.5 | 2200.0 | 1801.5 | 900.8 | 2.54 | 38.4 | 66.6 |
满载 | 398.5 | 3180.0 | 2781.5 | 1390.8 | 2.05 | 59.3 | 45.7 | |
后悬架 | 整备 | 525.9 | 1660.0 | 1134.1 | 567.1 | 4.46 | 10.0 | 130.0 |
满载 | 525.9 | 5100.0 | 4574.1 | 2287.1 | 3.42 | 26.0 | 114.0 | |
注：板簧按3/4计入非簧载质量；传动轴按1/2计入后悬架非簧载质量。 | ||||||||
7.2.3求出满载工况下的前后板簧弦长 见表6
状态 | 板簧长2Ｓn | 弧高Ｃ0 | 吊耳半径ｅ | 骑马螺栓距ｕ | 曲率半径Ｒ0 | 板簧弦长2Ｌ0 | 板簧厚度 | |
空 | 前 | 1300 | 66.62 | 16 | 76 | 3699.066755 | 1289.123798 | 74 |
后 | 1300 | 130.02 | 0 | 144 | 1284.572919 | 1261.002924 | 99.4 | |
满 | 前 | 1300 | 45.74 | 16 | 76 | 6295.85491 | 1294.962532 | 74 |
后 | 1300 | 114.04 | 0 | 144 | 1464.563186 | 1269.998208 | 99.4 |
表6 满载工况下的前后板簧弦长计算表
7.2.4求出满载工况下的前后轮胎负荷半径见表7
表7 满载工况下的前后轮胎负荷半径统计表
输入 | 项目 | 单位 | 空载 | 满载 | ||
前轮 | 后轮 | 前轮 | 后轮 | |||
静负荷半径 | mm | 375 | 375 | 375 | 375 | |
新胎外半径 | mm | 402.5 | 402.5 | 402.5 | 402.5 | |
额定负荷 | kg | 1500 | 1500 | 1500 | 1500 | |
单胎负荷 | kg | 1100 | 415 | 1590 | 1275 | |
输出 | 轮胎刚度 | kg/mm | 54.5 | 54.5 | 54.5 | 54.5 |
轮胎负荷半径 | mm | 382.3 | 394.9 | 373.3 | 379.1 | |
7.2.5求出前后轮胎的中心点坐标 见表8
表8 前后轮胎的中心点坐标表
前轮 | X=-4.6 | Y=0 | Z=-310.62 |
后轮 | X=3360.24 | Y=0 | Z=-391.55 |
7.2.6利用CATIA软件画出地面线 见图2
图2 地面线图
7.2.7在CATIA软件里利用地面线即可测出整车在满载工况下的姿态角。
8公告资源及法规符合情况
8.1现有公告、油耗满足情况 需要重新申报公告、电动汽车能量消耗率和续驶里程。
8.2法规符合性情况及整改方案
在国家已实施的112项燃油车强制性法规中，有48项强制性法规适用于本车型；在国家已实施的31项新能源汽车专项中，有23项强制性法规适用于本车型，车型量产时需进行理论校核或实测确认。
9试验需求
识别整车需要进行动力性、经济性、热性能、充电性、电子性能、操稳试验、制动试验以及2万公里的道路验证。
10产品开发周期及成本分析
10.1 产品开发周期：按照立项-图纸下发-试制-验证-量产全周期预估需要16个月。
10.2 研发费用及成本分析
10.2.1研发费用 各项研发费用包含试验费用、开发材料费用、公告费用等共计328.0万元。
10.2.2车辆成本分析 预估整车物料成本16.0万元。
11产品通用化率统计见表9
表9 通用化率统计表
车型 | 零部件数 | 专用件数 | 非专用件数 | 标准件数 | 非标准件数 | 通用化率 |
纯电轻卡 | 1020 | 86 | 934 | 292 | 728 | 88.19% |
12总结
通过以上分析，该纯电产品开发总结如下：
①需求满足情况：经对需求配置分析确认，可满足市场需求配置状态；
②物理搭载情况：整车物理搭载可行；
③整车自重达标情况：满足公告参数；
④成本变动：成本在基础车型增加2972.7元；
⑤公告、电动汽车能量消耗率和续驶里程：需要重新申报；
⑥试验要求：样车需要做相关试验，待样车到位后进行测试。
结论
本论文通过对一种纯电轻卡的正向设计，对整车的物理搭载、整车姿态角、整车性能、公告资源、法规符合性、试验验证、成本周期等进行了详细分析，简述了整车设计中应该注意的事项，如三维建模、物理搭载校核、整车性能计算等，特别是变动的部分要进行详细的分析与计算。在设计过程中，借助三维设计软件对整车物理搭载进行实际装配模拟，不但速度快而且精度高。
参考文献
1.王望予《汽车设计》第4版 机械工业出版社
2.王霄锋《汽车底盘设计》清华大学出版社
3.刘惟信《汽车工程手册·设计篇》人民交通出版社
4.王霄锋《汽车悬架和转向系统设计》清华大学出版社
5.安部正人《车辆操纵动力学理论与应用》
6.崔胜民《纯电动汽车技术解析》化学工业出版社
作者简介
章炜，男，就职于安徽省 合肥市 安徽江淮汽车集团股份有限公司 轻型商用车研究院，总布置设计资深工程师，主要从事底盘总布置、先进技术研究，整车项目开发和管理。
电话：17356596472
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