文 献 综 述

1.研究的意义

随着全球金融危机、生态环境恶化与能源、资源枯竭等问题的加剧，大力研究和利用电动汽车相关技术及促进产业发展已成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。当前，为了应对能源危机以及环境污染，世界各国都在纯电动车、混合动力车以及燃料电池车领域进行了大量的研发工作，我国也将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。电动助力车由于具有节能、环保、快捷、节省空间和低成本等一系列特点，深受广大工薪阶层的喜爱^[1]。据统计，2009 年全国电动助力车的产量已经突破了2369万辆，而天津市电动助力车的产量达到了近700万辆^[2]。然而，由于受到电池容量过小以及充电时间过长的限制，目前的电动助力车还不能满足远距离、长时间行驶的需要。而混合动力助力车兼具了燃油助力车与电动助力车的优点，既可以提高燃油经济性，同时又降低了废气排放，还不需要频繁充电，又保持了工薪阶层易于接受的较低价位，是目前发展具有中国特色的交通模式最有前途的方向之一。车架是混合动力助力车的重要组成部分。车架是跨接在汽车前后车桥上的框架式结构，俗称大梁，是汽车的基体。一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。车架必须具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架的功用是支撑连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，并承受汽车内外的各种载荷^[3]。

车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。汽车在复杂的行驶过程中，固定在车架上的各总成和部件之间不应该发生干涉。汽车在崎岖道路上行驶时，车架在载荷作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形；当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架扭曲成菱形。这些变形将会改变安装在车架上的各部件之间的相对位置，从而影响其正常工作。因此，车架还应具有足够的强度和适当的刚度。为了提高汽车整车的轻量化水平，要求车架质量尽可能小。此外，车架应布置得离地面近一些，以使汽车重心降低，以利于提高汽车的行驶稳定性。对于混合动力汽车而言，车架还要留出装有蓄电池和电机的位置，对于车架的布置要求更加严格。因此对于混合动力汽车车架总成的设计与研究是有必要的^[4]。

2.车架的国内外研究现状

2.1国外混合动力汽车车架发展现状

就新能源车架来说， 目前汽车车架的结构形式基本有三种：边梁式车架、中梁式车架、（或称脊骨式车架）和综合式车架。还存在不同材料的车架，如铝合金车架，碳纤维车架，还有一种新概念的副车架类型。边梁式和承载式车架是占绝大多数的主流车架形式，但它们都分别有着显著的缺点，即笨重和刚度不足。出现了融合这两者优点和车架设计方案，三菱PAJEROIO的独创车架，在承载式结构的车厢底部增加了独立的钢框架，可以认为是简化的大梁结构，从而在保证刚度的同时，重量和重心又比大梁式结构大为下降。另一个例子是本田S2000，由于对性能要求很高，而敞篷车身的刚度不足，于是在承载式车架的底部加焊了类似大型横梁的补强结构，从而增强了刚度。今后这种”杂交”车架的形式肯定会更层出不穷^[5]。

因而对于车架倾向于研究车架的碰撞安全性和对于车架的有限元分析及优化设计，国际上最早于1959年就开始开发有限元分析程序。20世纪60年代至70年代时期，有限元技术主要用于解决航空航天中结构静、动态特性问题；20世纪70年代至80年代，有限元技术的快速发展使其在场及结构设计方面取得了显著地成绩；20世纪80年代至 90年代时期，主要注重加强有限元分析软件在性能、可用性及可靠性方面的运用^[6]。20世纪60年代中后期，有限元法就开始运用于汽车结构设计及优化，而此项技术最先应用于美国汽车公司。其主要的应用领域有：车体及零部件的静动态特性分析、模拟车辆碰撞分析及各种振动、噪声等分析^[7]。1974 年，福特公司运用有限元法分析车身结构的静力学性能，分析出车身结构的高应力区，并通过结构优化改良了车身结构的应力分布^[8]。1989 年，五十铃公司工程师将有限元法运用到整车车架及零部件设计各个阶段，包括整车强度和刚度计算、疲劳校核、车架及零部件优化及减重等^[9-10]。2004 年，奥迪公司工程师对奥迪 A8 的车体结构和发动机进行拓扑优化设计，改善了车体的结构，优化出的车体及发动机具备良好的力学性能及使用工况^[11]。近年来，大众汽车在基于车体应力值不变的条件下对车架支架展开减重优化，实现其支架减重 23%，该有限元轻量化分析技术已用于 20 余种车型的设计^[12]。福特（Ford）汽车公司为提高 SUV 汽车在市场的销售竞争力，重点对某车架结构及其零部展开了拓扑优化。设计出的新概念车架结构与原来车架结构相比，不但优化出了车架整体及局部结构，设计出的新车架结构提升了整车性能，而且使用了新材料，整车质量比原来车架减轻约 51.6 kg。随着科学技术的进步，汽车有限元分析技术得到了大力的发展，通过综合专家的设计经验，使车架结构具备设计简单、力学性能好、抗振能力强等特点^[13]。

2.2国内新能源汽车车架现状

我国对有限元理论的研究具有起步晚、发展快的特点。经过多年对CAE的不断探索和研究，近年来其在汽车车架结构研究及实际应用状况方面己经获得相当的成就，但 CAE 主要面向成品而非面向设计、不能有效发挥计算机辅助分析在缩短产品开发周期方面的潜力等不足之处。伴随着CAE技术的不断发展及应用，汽车结构设计初期主要把车结构简化为两根纵梁从而展开有限元分析1977年，长春汽研所的谷安涛，常国振等^[14]分析了汽车车架的有限元计算方法，建模并分析车架结构的强度及刚度性能等力学能。003 年，清华大学桂良进，周长路，罗延科等^[15]研究了某五轴载货车车架，采用有限元方法中全板壳单元建立有限元模型，对多种车架所可能承受的实际工况进行模拟、分析及计算，不断的对方案进行改进并探讨车架结构的轻量化设计。2004 年，合肥工业大学的白修山^[16]对半挂车车架结构在弯曲、弯扭联合等典型工况进行了拓扑优化计，优化出满足使用工况的车架结构。2005 年，刘齐茂教授^[17]采用有限元法对汽车车架进行拓扑优化分析，获得车架结构的最优拓扑形式及优化参数，减重效果明显。2008 年，许佩霞，蔡炳芳教授^[18]依据汽车实际工作时的受力情形对车架展开有限元计算，研究了车架结构的强度、刚度性能及拓扑优化，使车架自重降低了28.97%，应力值降低11.95%，优化后整车的结构性能有明显的提高2010年，佘高翔^[19]运用有限元法优化车架结构重量，使车架减重效果明显，实现了车架结构的轻量化设计。可见拓扑优化技术在汽车上的应用取得了良好的效果且发展前景广阔^[20]。括而言之，国外研究人员较早的从事了拓扑优化理论的研究并形成相关经典理论，一些知名汽车公司在对实际汽车车身、车架及零部件的设计中广泛运用了拓扑优化设^[21-22]；而国内汽车工业由于起步较晚，且多是基于拓扑理论的研究，具体表现在较多高校及研究院的理论研究。在实践中，运用于企业的实际车型开发较少，且运用于汽车结构的优化设计还存在许多不足之处，我们应当取西方先进技术之精华，以更好的建设我国的汽车工业。