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1、纯电动城市客车车身轻量化研究毕业论文第一章绪论1.1本课题研究背景石化能源是不可再生资源,根据预测,到2085年前后世界石油可能枯竭,天然气和煤能供人类开采的年限,也只有65年和162年。汽车对石油的消耗占世界石油总消耗量的50左右,年消耗高达一百多亿桶。而且,石化能源使用导致的环境污染问题也日趋严峻,酸雨、可悬浮颗粒物已成为部分发展中国家面临的最为严峻的环境问题,严重威胁人类健康。为此,世界各国政府和主要汽车公司纷纷开展新型环保节能汽车的研究与开发,例如氢燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等。其中纯电动车具有不消耗石油、零排放及电能稳定性高的优点,成为世界各国争相发展交通领域的
2、主要技术路线。然而据统计,运送相同数量的乘客,公交车与小汽车相比,分别节省土地资源1/4,投资5/6,而空气污染却不到小汽车的1/101。所以,现今对电动城市公交客车的研发是控制能源消耗,降低城市污染的一个重要途径。1.2 电动客车发展现状续驶里程较短,动力不足是限制电动客车应用推广的技术难题。目前动力电池是电动汽车的最关键部件之一,也是国家划分与衡量电动汽车技术成熟度的主要依据。装配锂离子电池的电动汽车被划归为起步期产品2,恰恰说明锂离子电池技术对整车的影响程度。目前,虽然国内生产的锂离子电池各项性能均有很大提高,但电池成组后的使用寿命、一致性、高低温充放电性能、安全性、电池成本及能量密度等
3、方面仍然无法完全满足电动汽车实际运行的需求。这些制约因素给纯电动汽车的发展带来了一定的影响3。1.3电动客车轻量化的意义在电动客车初期设计时,首先要考虑电池总容量的匹配,车辆必须装载足够的电能,才能满足路况负荷、续驶里程、整车性能最高车速、爬坡度、加速时间等的使用要求。一般动力电池总容量的设计是以设计任务书中的最大续驶里程指标为目标值,结合电机功率,采用等速法反向推算出来4。以12 m双轴纯电动城市客车为例,目前在实际公交路况下的能耗水平为1.11.3 kWh/km夏季开空调时能耗为1.31.5 kWh/km。如果公交线路每天运行总里程按200 km计算,则车辆需装载动力电池的电能为22030
4、0 kWh,才能完成一天的公交运行里程。目前锂离子电池组的能量密度基本在80100 kWh/kg 范围内5,需装载动力电池质量达2.23.3 t,致使传统钢结构车身的整车整备质量达到1415 t。依据我国标准GB1589- 2004 的要求6,双轴车最大总质量不得大于18 t,那么,其载客量只能在4065人之间。作为12 m 的城市客车,如此小的运载能力是无法满足高峰期客流运载需求的,也是运营部门不能接受的。采用快速更换电池模式的纯电动客车可以大大提高车辆利用率,克服电池充电对环境温度的依赖性7,是一种很具推广价值的运营模式。在客车制造厂家无法大幅降低整车整备质量的情况下,换电模式的电动客车似
5、乎解决了整备质量与装载电能的矛盾,甚至以为通过换电池可使电动汽车的续驶里程指标变得无足轻重,同时也可降低电池成本整车成本,其实换电模式的车辆同时带来了新的问题换电模式的电动客车由于可以通过快速更换电池组使车辆继续行驶,解决了电动客车的续驶里程短的问题,所以换电式车辆的电池装载容量都较充电式的少很多,这从而导致在克服相同的道路载荷时,电池组的放电倍率大,其电池的使用寿命短8。目前,动力电池能量密度相对较低,电动汽车只有通过车身骨架轻量化设计、减轻整车自重,才能降低能量消耗、提高续驶里程9-11。对两家电动客车厂家研制的两辆12 m 纯电动城市客车在某滨海城市的一条公交线路上的运行作了对比,其综合
6、比较情况见表1.1。实验证明,若汽车整车质量降低10%,可节约能耗6%8%。因此,电动客车车身骨架的轻量化设计具有重要的实用价值和研究意义。表1.1 两厂纯电动城市客车综合对比表Tab.1.1 the comprehensive comparison table of two pure electric city bus甲厂的电动客车乙厂的电动客车对比结果及分析总质量/kg18 00018 000均为双轴、18 t 级、12 m纯电动城市客车,属同一重量级外部尺寸/mm12 0002 5303 25012 0002 5503 165甲厂车采用铝合金车身,自重轻1.9 t,充分体现了铝合金车身的
7、优势整备质量/kg12 00013 950额定载客人数/9262甲厂车多载客30 人甲厂车多载客30 人8070在实际线路上最大续驶里程/km22095乙厂的车因额定载客量过小,超载运行严重,致使能耗较大电池系统类型磷酸铁锂磷酸铁锂类型相同,其能量密度、寿命等应无太大差别单体单片3.2V/20Ah,10 个单片并联为一个单体：3.2V/200Ah 两个单体并联为一组：3.2V/400Ah单片3.2V/15Ah,15 个单片并联为一个单体3.2V/255Ah电池组180 个单体组串联而成总电压/容量：576V/400Ah170 个单体串联而成总电压/ 容量：544V/255Ah总能量/kWh23
8、0139甲厂车多运载电能91 kWh电池组质量/t2.31.6电池价格估算/ 万元人民币6036电池价格按行业2 6002 700元/ kWh计算,甲厂车单车电池费用要多出约24万元1.4汽车轻量化国内外研究现状1.4.1 国外汽车轻量化研究现状自上世纪70年代以来,随着材料技术和制造技术的进步,汽车自身重量在逐年减少,以美国为例,上世纪80年代初,中型轿车的平均质量为1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；19851995年期间,轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车,这类汽车的质量基本处在750850KG之
9、间,比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出路波3L TDIA2,汽车自身质量只有895990KG。商用车的自身质量也在减少,以意大利依柯维,汽车自身质量只有800KG。奥迪公司开发全铝型轿车AuDi 商用车为例,20XX其驾驶室的质量已降为960KG,减少40%。美国总统奥巴马20XX5月公布了一项汽车节能减排计划,目标是到2016年,美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L,CO2排放量也比现有车辆减少1/3。这项计划20XX开始实施,将使美国在20122016年减少使用原油18亿桶,温室气体排放量将减少9亿吨。欧洲和日本不仅在降耗减排方面推行了相关政策,而且对废旧车辆回
10、收也作出了严格规定。如日本20XX规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式,推行全回收或零废弃的观念。其实,20XX以前,日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。国际钢铁协会首先开展了超轻钢汽车车身UISAB项目,参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家钢铁企业。该项目于1994年启动,1998年结束,主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。与UISAB相关的项目还有UISAC和UISAS两项目,前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上,后者是采用高强度和超高强度材料以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统,目标是通过采用新的钢材及设计,将悬
11、架质量减小20%。 国际钢协1998年3月开始在全球实施UISAB-AVC计划,该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件。 世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟,如美国汽车材料合作伙伴USAMP。1.4.2 国内客车轻量化研究现状近年来 ,我国在汽车轻量化技术方面取得了不少成果。九五和十五期间,一批汽车新材料项目被列为国家863、973高新技术项目和国家科技攻关重大项目。促进了汽车轻量化技术的进步。九五期间,我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究,开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料：耐热铝合金、高强高韧铝合金、
12、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展。半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；XX大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；XX汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。十五期间,我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目,一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线 XX汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作： XX交大、XX大学、XX大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。目前 ,国内汽车轻量
13、化材料正在加速发展 ,车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如XX大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。上世纪 80年代,XX汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。在汽车结构优化设计方面 ,国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术, 如XX大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究； 航空航天大学开发了CAD系统CAXA。 并已经开展了客车轻量化技术的研究,利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计。以
14、减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。目前,我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱,研发人才短缺,工艺水平落后等问题都是我们不足的地方,需要我们一一去解决。1.4汽车轻量化的主要途径车辆轻量化主要有以下四种途径。1、 运用先进的CAE软件对结构进行优化设计,在保证承载能力和舒适性的前提下减轻质量。这种方法也是本文所采用的研究方法。2、采用先进的加工成形技术,如液压成型技术,激光拼燥板技术,辊压成形技术等。通过节约材料,减少垾点,以减少成形零部件的质量。3、
15、轻金属材料的应用。铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料镁合金约1.74g/cm3, 铝合金约2.7g/cm3,钛合金约4.51g/cm3。而钢的密度约7.8g/cm3,因而成为汽车减轻自重,提高节能性和环保性的首选材料。4、提高高强度钢应用比例。通过提高钢材的强度,从而减小钢板的厚度,材料成本也较轻金属低。1.6课题研究内容本课题主要以一款12米长的全承载电动城市公交客车车身骨架为例进行轻量化设计。主要研究内容是：分析车身骨架结构特点,并对其进行合理的简化与处理。运用UG建立三维几何模型,并导入MSC.PATRAN软件建立有限元模型。根据车身骨架的有限元模型,运用MSC. NASTRAN软件,计算在四种典型工况下车身骨架强度分布情况。结合拓扑优化方法和尺寸优化方法对车身骨架进行优化,对优化后的车身骨架做静力分析,并且与优化前进行比较。1.7本章小结本章首先从本课题的研究背景、国内外研究现状以及客车轻量化途径等方面进行了全面的阐述,说明了电动城市客车车身轻量化设计的实践价值和重要意义。在此基础上,提出了本课题研究内容。第二章电动客车车身结构有限元建模2.1有限元理论介绍有限元法Fini
