面向现代农业庄园的电动车车架设计及模态分析

第40卷第2期2019年2月

Vol. 40 No. 2

Feb. 2019

中国农机化学报

Journal of Chinese Agricultural Mechanization

DOI ： 10. 13733； j.jcam. issn. 2095-5553. 2019. 02. 17

面向现代农业庄园的电动车车架设计及模态分析*

*收稿日期：2018年11月9日 修回日期：2018年11月22日

*基金项目：四川省教育厅2018年科研计划项目(18ZA0293)

第一作者：张健，男.1981年生.辽宁阜新人，硕七，副教授；研究方向为机械设计、车辆性能评价与测试。E-mail ： zhangjianpzh@

张健，陈科任，代艳萍

(攀枝花学院交通与汽车工程学院，四川攀枝花,617000)

摘要：针对现代农业庄园的道路特点，围绕用于管理员和观光的乘用车辆.设计出一种新型低速电动车车架，并进行轻量

化改进设计。在满足车架设计与使用要求的前提下.改进后车架较改进前车架减重19.5%。建立改进后车架限元模型， 利用有限元法对车架模型进行模态分析。分析结果表明，车架振动频率可以有效地避开路面激励频率和人体各器官振动

频率，且与电机激励频率范围仅重合0.4%,不会发生共振现象，车架设计合理可行。

关键词：农业庄园；电动车；车架；设计；模态分析

中图分类号：S229： U463 文献标识码：A 文章编号：2095-5553 (2019) 02-0109-04

张健，陈科任，代艳萍.面向现代农业庄园的电动车车架设计及模态分析[J].中国农机化学报，2019. 40(2)： 109-112

Zhang Jian, Chen Keren. Dai Yanping. Design and modal analysis of electric vehicle frame for modern agricultural manor [J].

Journal of Chinese Agricultural Mechanization , 2019, 40(2): 109— 112

0引言

早在2002年，我国农机研究领域学者就提出了发 展庄园农业机械(含运输车辆)的倡议，但是当时发展农

业庄园经济还在探索阶段，部分地区甚至存在争议〔“：。 那一时期我国农业装备采用的主要动力源均是内燃机,

清洁环保机械及装备较少，从事有关研究学者不多或者 是提出进口国外先进设备:z ：。现代农业庄园是近几年

国家倡导发展的新业态，是指从是以传统农业庄园为基 础.利用现代的科学技术与管理手段，在单一从事农业

生产的基础上，附加农产品加工、休闲旅游功能。现代 农业庄园具有科学程度高、经营效益好、绿色生态强等 多种有利条件X 。从现代农业庄园的定义看，主要特

征是科技和绿色.这就为广大农机工作者提出了新的研 究课题，需要为其提供先进且环保的现代农业装备。农 业庄园的管理和观光都需要代步车辆，电动汽车因为其

清洁能源属性.成为最实用的选择。为此，设计了一款

面向现代农业庄园的低速电动汽车车架，为农业庄园乘 用车辆和运输装备开发提供技术支持和参考。

1现代农业庄园道路特点及车载要求

与城市道路相似，现代农业庄园道路通常也按照

主干路、次干路、观光景观道路的等级进行划分，不同 等级的道路.其红线宽度以及断面形式均不相同，同时

与庄园本身规模也密切相关。道路等级不同.其区位

特征、功能以及特性也不相同，主干道是庄园对外联系 的主要道路，具有快速通过性、隔离性较大、出行距离

较长的特点。次干路属于庄园内各功能区内部交通载

体，具有慢行交通、生活性、可达性、隔离性较小、出行 距离短的特点。庄园道路的主要功能是满足管理者和 游客的对外交通和内部出行需要，以安全性为主，在道

路断面设计时不局限于道路宽度.更注重安全性和生态

性建设宀：。所设计车架对应的目标车辆主要用于庄园 内部交通.用于管理员和观光游客乘坐.行驶道路为次

干路或者观光道路，要求目标车辆低速、小型、便捷。因 此，参考城市道路电动汽车车架.综合考虑庄园道路特

点和用途要求，设计新型低速两座电动汽车车架。同时

考虑车辆乘坐舒适性问题,还需对设计的车架进行模态

分析.避开道路激励频率和人体各器官的频率。

2车架设计

2. 1车架结构形式及杆件

根据纵梁的结构特点，车架可分为梯形车架、周边

式车架、脊梁式车架、桁架式车架。考虑设计的具体目

标，采用梯形与桁架式结合的结构形式。

纵梁的受力极为复杂•设计时应注意降低应力，改

善其应力分布情况，还应注意使各种应力峰值不应出 现在同一部位⑼。设计采用全长为等断面的矩形纵

110中国农机化学报2019年

梁。横梁将左右纵梁连在一起•构成一个完整的框架，以限制其变形，改善某些部位的应力，有的需作为电动机（发动机）、动力电池、以及悬架系统等的紧固点，故其结构受悬置设计的影响较大。电动汽车车架多由方钢和角钢焊接而成，考虑到该电动车载重较大，全部使用方钢。车架使用的杆件的截面尺寸如图1所示。

(a)纵梁截面(b)横梁截面

图1纵横梁截面

Fig.1Longitudinal and cross beam section

2.2车架配适参数

车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度的最小值取决于电动机和变速器的布置情况，其最大值受到前轮最大转角的限制。车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和悬架等尺寸确定。为了提高汽车的横向稳定性•希望增大车架的宽度。车辆按2名乘员设计，总长不宜过长。因此设定车架总长2080mm、宽1080mm,车架材料均采用Q235,各项设计参数如表1所示。

表1设计参数

Tab.1Design parameters

设计参数数值

结构形式梯形与桁架式结合

车架长度/mm2080

车架宽度/mm1080

车架材料Q235

截面长度刀/mm4

截面厚度.r2/mm80

车架运行过程中所承受的载荷.主要来自乘员、电机、电池以及车身.，载荷大小及方向如表2所示，Y方向为竖直向上。

表2车架承受载荷

Tab.2Bearing load of the frame

载荷名称载荷值/N方向

乘员1500-Y

电动机400_Y

动力电池1500-Y

车身4000-Y 2.3主要部件布置设计

动力电池是纯电动汽车驱动汽车行驶的唯一能量来源，目前纯电动力电池普遍质量大、体积大•不同电池的布置方式对整车性能会产生不同的影响。根据国内学者对动力电池布置的研究W设计将电池布置在车架的中后部位。将电动机布置在车辆前端，采用前置前驱方式。确定的车架结构如图2所示。

图2车架总成结构

Fig.2Frame assembly structure

2.4车架改进设计

降低电动汽车质量对增加续驶里程和降低耗能有明显的作用，车架是汽车的受力基体，应在满足弯曲、扭转的变形及应力要求下•实现车架轻量化U2-13：o根据车架尺寸实际优化的可能性，主要从尺寸参数（如杆梁的横截面尺寸、转动惯量、板的厚度等）进行优化。车架纵梁是保证车架安全性及控制车架成本的关键•通过寻找纵梁的最优截面面积来降低总体积，所以优化主要是针对车架纵梁截面尺寸即心和心。车架原尺寸q为4mm,孔为80mm,j"）可变化范围为3〜5mm,可变化范围为50—150mm。设定约束条件及确定目标函数后，采用遗传算法进行优化、获得最优截面尺寸。考虑到实际生产精度，将◎圆整后取3圆整取76mm,得到车架纵梁优化后各参数如表3所示。通过分析验证和计算，结果表明.在满足材料使用和设计要求前提下.纵梁截面面积由之前的684mnf变为660mm'纵梁截面面积减少3.5%,减重比例达19.5%。

表3车架改进后参数

Tab.3Improved parameters of the frame

参数优化后

尺寸心/mm3

尺寸r/m m76

纵梁截面面积A/mm2660

车架重量W/kg76

2.5车架改进后的强度分析

组成车架的钢板数量众多，且存在大量的工艺孔,但小孔对分析结果影响却不大.为确保模型导入后，减