（光学工程专业论文）新型燃料电池轿车总体设计研究.pdf

摘要 摘要 新型燃料电池轿车是以奇瑞东方之子为原型车进行的改型设计。未来 几年内，燃料电池轿车将逐渐向批量化和市场化方向发展，所以整车的人 机工程性能将显得越来越重要。本文首先简要的叙述了燃料电池汽车的发 展和人机工程技术在汽车总布置设计中的应用状况。接着利用传统i c e 汽 车的设计方法和总布置设计技术，结合燃料电池轿车的特点，论述了燃料 电池轿车的总体参数的设计方法；然后结合汽车的技术设计过程，概括了 燃料电池轿车的总布置设计方法，并分析计算了燃料电池轿车的整车基本 性能参数。接下来讲述了应用人机工程学分析软件r a m s i s 分析校核东方 之子燃料电池轿车的人机工程性能的过程，着重介绍了对整车的驾驶员视 野、手伸及面和舒适性及疲劳度校核。最后根据研究中遇到的问题，对人 机工程学在汽车总布置设计中的应用进行了总结和展望。 关键词：燃料电池轿车，总布置设计，人机工程学 a b s t r a c t t h ef c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) o fn e wp a t t e r ni sr e m o d e l e do nt h eb a s eo fc h e r y e a s t e rv e h i c l e i naf e w y e a r si nt h ef u t u r e ，t h em a n u f a c t u r eo ff c vw i l lb ei ng r e a t a m o u n ta n dt h ef c vw i l lr u mt o b ec o m m e r c i a lv e h i c l e ，s ot h e e r g o n o m i c s p e r f o r m a n c eo fv e h i c l ei sb e c o m i n gm o r ca n dm o r ei m p o r t a n t a tt h eb e g i n n i n gt h i s d i s s e r t a t i o ng i v e sar e v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so ff u e lc e l lv e h i c l ea n dt h e t e c h n o l o g yo fe r g o n o m i c sa p p l i e di na u t o m o t i v ef i e l d t h e nc o m b i n e dw i t l lt h e c h a r a c t e r i s t i c so ff c v , t h ep a p e rh a sad e s c r i p t i o nt o t h em e t h o d so fo v e r a l l p a r a m e t e r ss e l e c t i o no ft h ef c va c c o r d i n gt ot h em e t h o d st h a th a v eb e e na p p l i e di n t r a d i t i o n a lc a r s a f t e rt h a t ，t h em e t h o do fl a y o u td e s i g no ff c v i ss u m m a r i z e dw i t h t h er e f e r e n c et ot h ep r o c e s so ft r a d i t i o n a lv e h i c l el a y o u td e s i g n a l s ot h eb a s i cv e h i c l e p a r a m e t e ri sc a l c u l a t e di nt h i sp a r t i nt h ef o l l o w i n gp a r tt h ee r g o n o m i c sp e r f o r m a n c e o fe a s t e rf u e lc e l lv e h i c l ew i l lb ea n a l y z e dw i t hr a m s i s t h e p a p e rw i l lf o c u s0 nt h e a n a l y s e so fv i s i o n ，h a n dr e a c h a b i l i t y , c o m f o r t a b l ef e e l i n ga n df a t i g u eo fd r i v e r a f t e r a l l ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sas u m m a r i z a t i o no ft h ee r g o n o m i c sa p p l i e di nf u e lc e l l v e h i c l ea n dg i v e sap r o s p e c to fi t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sd u r i n gt h er e s e a r c h p r o c e s s k e yw o r d s ：f u e lc e l lv e h i c l e ，l a y o u td e s i g n ，e r g o n o m i c s h 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 能源和环境形势 第一章绪论 在人类纪元走进2 1 世纪以来，能源问题己越来越多的成为人们关注的焦点。 传统能源( 主要是不可再生的化石燃料) 正日趋枯竭。在最近几年的发展过程 中，因为需要大量的石油资源支撑持续的经济增长，我国已经从石油出口国成 为石油进口大国。过度依赖石油进口将导致地缘政治不稳定，近年来国际市场 上石油价格一直在高位徘徊，也给我国经济增长造成了很大压力。同时石油燃 料燃烧后排放出的废气将造成严重的空气污染，甚至加速气候变化。因此要实 现经济、社会的可持续发展，寻找新的替代能源迫在眉睫。氢气作为比石油产 品更洁净、高效的新能源，已经在全世界范围内引起广泛关注。 作为石油消费大户的汽车行业，同样要求开发对氢能的有效利用新方法。目 前，汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制品，以内燃机为动力的汽车消耗的 燃料百分之百是以石油为原料的制成品，估计每辆汽车每年要消耗1 6 0 3 2 0 l 石 油制品。随着世界经济的飞速发展，全球以汽油、柴油为燃料的汽车保有量大 幅度增长，全世界汽车保有量已超过5 2 亿辆，我国也己达1 5 0 0 万辆，而且每 年仍以大约5 的速度增加，作为重要化工原料的石油在被大量消耗。而随着石 油资源趋向耗竭，内燃机汽车将不可避免的面临生存危机，这就是燃料电池汽 车应运而生的原因。 燃料电池汽车( f c e v ) 是以氢气作为燃料的东方之子环保汽车，相比传统 内燃机汽车，既避免了不可再生能源的消耗，又可真正实现汽车的“零排放 ， 完全复合人们的经济环保观念；相比传统的蓄电池电动汽车( b e v ) ，在能量耗 尽后，燃料电池汽车不需要长时问的充电，而只需补充氢气燃料即可继续工作， 这一点对于汽车驾驶者来说极为方便。总体来况，相对于传统石油燃料，以氢 能作为汽车能源，主要有来源丰富、运行零污染而且噪声小、结构简单，维修 方便和能源效率高这四方面的优点。 第一章绪论 1 1 2 人机工程学发展情况 人机工程学是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的- f l 新兴的边缘学科， 是从人的生理特点出发，揭示人体一机器一环境相互关系的- - i - j 科学。汽车总 布置设计中，人机工程学分析是极为重要的环节，轿车人机工程设计的基本要 求是操纵方便和舒适。也就是最大限度地满足不同身材和姿势的驾驶者对操纵 件的手脚伸及性与姿势舒适性的要求。 国外汽车设计行业对于人机工程的应用极为重视。如日本、美国等在设计新 车型时都要做相应的人机工程检查和校核，并且抽取不同的人群进行主观评价。 我国人机工程学的研究起步比较晚，但也做了一些基础性工作。但我国的人体 测量数据没有随着时间的变化和社会的发展得到及时的更新，在g b l 0 0 0 0 1 9 8 8 中的某些数据已经不适合于当今社会人体尺寸的实际情况，因此我国的人机工 程学研究还有待于更加进一步的深入和发展。 近年来随着汽车消费者整体素质的提高，汽车人机工程学性能在车辆购买者 心目中的重要程度越来越高。根据这个趋势，欧洲各大整车厂商合作开发了一 款专门针对人机工程学分析的软件r a m s i s ，通过这个软件，可以很方便的分析 汽车的各种人机工程学指标，如视野，手伸及面和乘坐舒适性等。并可以在设 计初期直接指出设计的不合理之处，有助于减少设计成本，缩短开发周期。 1 2 国内外发展状况 总布置技术的发展是与c a d 技术的发展过程紧密结合在一起的。燃料电池 汽车总布置的技术是在传统内燃机汽车的总布置技术基础上发展起来的。目前， 传统内燃机汽车的总布置技术在采用先进的c a d c a e 技术后己相当成熟。因 此，燃料电池汽车的总布置要充分结合自身特点，全面利用传统内燃机汽车的 总布置技术和现代的c a d c a e 技术、专家系统、知识工程技术，实现燃料电池 汽车的总布置设计。 目前，燃料电池汽车总布置技术的发展状况主要体现在国内外各大汽车公司 和科研机构所推出的燃料电池汽车产品上。 现今燃料电池在国内外已经被认可为今后动力技术发展的大方向，美国、欧 洲和日本的各大汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发和实验，各国 2 第一章绪论 政府也在政策法规上给予了极大的支持。近期联合国开发计划署( u n p d ) 出资 在全球5 个国家6 个城市进行燃料电池公共汽车的示范运行。斯图加特大学汽 车系已经开设了燃料电池的专门课程，可见燃料电池技术在国外已经日趋成熟。 戴姆勒奔驰汽车公司从1 9 9 3 年到2 0 0 0 年先后推出了n e c a r i 到n e c a r v 和 n e b a s 等系列燃料电池概念车。在上文提到的在欧洲已经开始实施的“欧洲清洁 城市运输项目( c u t e ) ”中戴姆勒奔驰汽车公司功不可没。宝马车公司与德尔 福公司合作开发车用固体氧化物燃料电池( i f c ) ，并将其运用在7 系轿车。 通用公司继a u t o n o m y 燃料电池概念车在2 0 0 2 年底特律车展上亮相之后， 又推出了h v w i r e 全新概念车，该车的最大时速可达到1 6 0 公里d , 时。另外， 美国联邦快递公司从2 0 0 3 年6 月开始在东京都市区使用“氢动三号 作为邮件 的运送车辆。福特汽车公司采用最新的混合动力电动汽车技术与先进的新式燃 料电池也已经打造出一款全新的高效率、零排放名为“焦点”( f o c u s ) 的轿车。 日本自2 0 0 3 年起对燃料电池汽车实施免税制度以鼓励其发展。丰田公司在2 0 0 2 年底宣布在日、美销售燃料电池车，和日产合作开发混合动力电动车。 尽管燃料电池技术尚不成熟，但各大主要汽车制造商仍然制定了生产燃料 电池汽车的周密计划：戴克汽车公司已经投入生产6 0 辆；通用汽车公司计划到 2 0 0 8 年生产4 0 辆；福特汽车公司计划到2 0 0 6 年末生产4 0 辆；本田汽车公司 现阶段已生产1 8 辆；大众汽车公司到2 0 0 5 年末已生产1 5 辆；现代起亚汽车公 司到2 0 0 5 年末已生产5 辆。 我国燃料电池汽车的总体研究水平与先进国家的差距正在缩小。1 9 9 8 年， 北京理工及清华大学开发了燃料电池微型电动车，2 0 0 0 年底上海神力科技有限 公司开发了“氢动力一号 游览车，并亮相2 0 0 0 年上海市工博会。2 0 0 1 年，北 京绿能公司与清华大学和北京工业学院合作，研制出了以燃料电池为动力的出 租车、客车和1 2 个座位的公共汽车。清华大学也研制了以燃料电池为动力的公 共汽车，现在他们正与三星和丰田合作进行车辆的研制工作。 2 0 0 3 年8 月，上海燃料电池动力系统有限公司与上海汽车集团联合推出了 第二代燃料电池混合动力轿车“超越一号”之后，又于之后推出“超越二号 和“超越三号”燃料电池轿车，并取得了巨大的成功。其中“超越三号”氢能 燃料电池轿车参加了燃油经济性、污染物排放、二氧化碳排放、噪声、障碍、 加速、制动等全部共7 个项目的严格测试。“超越三号”以百公里耗氢1 0 4 千克， 折合汽油能耗仅3 5 9 升的超低能耗获得a 级( 最高评级) 评价。此外，“超越三号 3 第一章绪论 还在噪声、污染物排放、二氧化碳排放测试中获得了a 级的好成绩，在绕障碍 蛇行试验中得分为“b 。目前，上海已制定了未来5 年的燃料电池汽车“百千 万发展计划。根据该计划，上海将在2 0 0 8 年2 月前完成百辆级燃料电池汽车 的试制，2 0 0 9 年底完成1 0 0 0 辆多品种燃料电池汽车( 含轿车和客车) 的试制和小 批量生产；2 0 1 1 2 0 1 2 年形成万辆级燃料电池汽车产能。 1 3 现代汽车总布置设计技术内容 汽车性能的优劣不仅取决于组成汽车的各部件的性能，而且在很大程度上 取决于各部件的协调和配合，取决于总体布置；总布置水平的高低对汽车的设 计质量、使用性能和产品的生命力起决定性的影响。 汽车是一个系统，这是基于汽车只有如下属性而具备组成系统的条件： 1 ) 汽车是由多个要素( 子系统及连接零件) 组成的整体，每个要素对整体 的行为有影响； 2 ) 组成汽车的各要素对整体行为的影响不是独立的； 3 ) 汽车的行为不是组成它的任何要素所能具有的。 由此，汽车具备系统的属性：对环境表现出整体性、一辆子系统属性匹配 协调的汽车所具备的功能大于组成它的各子系统功能纯粹的、简单的总和，反 之，如果子系统的属性因无序而相互干扰，即便是个体性能优良的子系统，其 功能也会因相互扼制而抵消，功率循环、轴转向等就是这样的典型例子。 系统论所揭示的系统整体性和系统功能的等级性，必然会映射到设计任务 中来。用整体性来解释汽车设计的终极目标是整车性能的综合优化，道理是十 分显然的。汽车设计任务的等级形态表现为：上位设计任务是确定下位设计任 务要实现的目标，下位设计是实现上位设计功能的手段。上、下位体系可从总 体设计逐级分至零件设计，总布置设计无疑处于这种体系的最上位，设计子系 统的全部活动必须在总体设计构建的框架内进行。子系统设计固然重要，但统 揽全局、设计子系统组合和相互作用体系规则的总布置设计对汽车的性能和质 量的影响更加广泛、更为深刻。 现代汽车整车总稚置设计的内容有如下几个方面： 1 ) 从技术先进性、生产合理性和使用要求出发，j 下确选择性能指标、质量 和主要尺寸参数，提出总体设计方案，为各部件设计提供整车参数和设 4 第一章绪论 计要求； 2 ) 对各部件进行合理布置和运动校核； 3 ) 对整车性能进行计算和控制，保证汽车主要性能指标实现； 4 ) 协调好整车与总成之间的匹配关系，配合总成完成布置设计，使整车的 性能、可靠性达到设计要求。 总布置设计的原则和目标包括以下几个方面： 1 ) 汽车的选型应根据汽车型号、市场需求、产品的技术发展趋势和企业的 产品发展规划进行； 2 ) 选型应在对同类型产品进行深入的市场调查、使用调查、生产工艺调查、 样车结构分析与性能分析及全面的技术、进行分析的基础上进行； 3 ) 应从已有的基础出发，对原有车型和引进的样车进行分析比较，继承优 点，消除缺陷，采用已有且成熟可靠的先进技术与结构，开发新车型； 4 ) 设计应遵守有关标准、规范、法规、法律，不得侵犯他人专利； 5 ) 力求零件标准化、部件通用化、产品系列化。 1 4 本课题的主要内容 本课题结合同济大学研制的东方之子燃料电池轿车的开发过程。东方之子燃 料电池汽车以奇瑞公司b l l ( 东方之子) 车为参考样车，进行超越三号东方之子 燃料电池轿车的设计与试制，最终性能指标满足“超越三号”的性能技术指标。 随着燃料电池轿车逐步走向市场，目前对燃料电池汽车性能的要求，已经不满 足于单纯的动力性能要求，而更多的提出了对燃料电池汽车舒适性、安全性方 面的要求。因此本课题根据汽车总布置的相关要求，结合燃料电池轿车的应用 特点，利用c a d 软件u n i g r a p h i c s 和r a m s i s 对燃料电池轿车总体设计和总布 置方案思路进行探讨，研究内容包括以下两个方面： 1 ) 东方之子燃料电池汽车的总体设计和总布置设计方法 总体设计的主要任务是总体参数的选择，总布置设计所要解决的任务主要 是空间位置和相互关系，统筹协调各部件的相互位置。燃料电池轿车动力系统 的改变将会造成汽车总体质量会有较大的增加，如何合理有效地进行燃料电池 轿车的总体设计和总布置设计对整车的最终性能也是一个重要影响因素。要实 现燃料电池轿车的产业化，利用c a d c a e 技术的发展为总体设计和总布置的参 5 第一章绪论 数化设计带来了极大的方便，可以大大缩短了开发周期和设计生产精确度，非 常有利于实现“三化 要求。 2 ) 燃料电池轿车的有关计算 东方之子燃料电池轿车在质量上较原型车有了较大的增加，底盘结构也有 了很大的变化。为了使总布置设计能够达到相应的设计要求，在初步完成总布 置设计后，除了要对有关部件做运动校核外还需要对整车的质量、轴荷和有关 部件的结构刚强度和模态性能做详细的分析和校验。其中，运动校核主要是针 对前后悬架和转向系统所做的；刚强度和模态性能的分析主要用于验证全新设 计的承载式车架和原型车的白车身的集成效果。 3 ) 燃料电池轿车的人机工程性能参数设计 人机工程学作为- - i - 1 应用性极广的学科，首先在航天航空工程领域获得应 用，其次就迅速向汽车工程领域渗透，逐渐形成了人机工程学的一个分支 汽车人机工程学。经过多年的发展，汽车人机工程学己经建立了一些比较成熟 的理论和方法，为汽车设计提供了一定的理论、方法、规范和标准，成为现代 汽车设计不可缺少的理论依据，并已不断获得应用。对汽车人机工程学分析包 括视野校核、姿势评价、仪表和操纵杆件评价、舒适性评价、座椅评价以及安 全性评价，对于汽车人机工程学的分析将有助于提高驾驶员和乘员乘坐舒适性 和操纵方便性，有助于使燃料电池汽车更好的为消费者接受，从而推动燃料电 池汽车的市场化。 6 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 2 1 燃料电池轿车的方案设计 2 1 1 整车方案设计概述 汽车设计的起始阶段是进行设计方案的研究。在欧美各国，这一阶段称为 c o n c e p td e s i g n ，即方案设计。方案设计是最能体现人的智能并决定产品性能和 成本费用的重要阶段。这个阶段不仅要处理设计概念和功能需求等高层抽象表 达以有效地捕捉思维演化，而且要生成实现设计功能的基本物理构造显式地表 达设计意图，尤其重要的是实现由抽象到具体、由模糊到精确的转化，以优化 设计方案。 方案设计是根据领导决策，发展产品设计的主导思想，使其成为技术语言形 态的对产品的定义。领导决策提出对开发目标的若干主导思想。这些主导思想 一般是定性的而非定量的，而且经常是比较抽象的。设计者在头脑中对这些主 导思想加以酝酿和发展，形成对产品的总体概念，开始是粗略的、模糊的，然 后逐渐具体、逐渐明确，成为产品的某种方案。这一发展是极为重要的，是设 计者的创造性工作。 在方案设计阶段，设计者还未达到把主要总成都具体化，可表达于图纸的深 度。设计者心目中可能有某些可用的现有总成，但这些总成的最终特性及其结 合方式，在设计者心中还是流动的、未成形的，要在方案设计中按照最终的调 整条件加以修正。对那些尚无可用对象的总成，则必须按照方案设计选定的特 性和参数，在以后的设计阶段中进行设计开发。 2 1 2 东方之子燃料电池汽车方案设计 燃料电池汽车在世界及我国都处于起步阶段，燃料电池轿车丌发的技术难度 相对于其他燃料电池车车型来说要大。为了尽快研制出燃料电池轿车并实施产 业化，在进行方案设计的时候，决定采用国内成熟产品之一奇瑞公司b l l ( 东方之子) 作为新型燃料电池轿车的原型车进行开发。开发过程的主要内容 7 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 是： 1 ) 将东方之子轿车的动力系统完全拆卸完毕之后，通过合理布置、结构设 计将燃料电池动力系统与原车身适配； 2 ) 对车身前、中、后地板及中央通道进行改造； 3 ) 对车身前纵梁、后纵梁及后行李舱进行改造； 钔对原车线束进行局部改造，仪表板及照明及指示灯延用原车型布置，仪 表改造为燃料电池汽车用仪表，改造空调面板，对座椅局部改造。 改造的主要目的是为了满足整车的动力性、制动性、操作稳定性、通过性和 乘坐舒适性要求。在设计时采用传统车开发过程中常用的车型参数实例推理和 基于实例的设计方法。参照东方之子的相关技术参数，兼顾实际情况，通过分 析计算合理的选取和确定燃料电池轿车的重要参数。 在进行总布置设计时还需要决策层给出更为详细的整车方案设计内容，对于 燃料电池轿车的整车方案设计内容主要是： 1 ) 产品开发的目的以奇瑞公司b l l ( 东方之子) 车为参考样车，进行 超越三号东方之子燃料电池轿车的设计与试制，开发具有自主知识产权 的燃料电池汽车； 2 ) 产品开发的概念以市场上成熟车型东方之子作为原型车，保证车型 造型设计不脱离市场； 3 ) 车辆基本尺寸参数选取东方之子的整车长度、整车宽度、整车高度， 轴距、前悬、后悬，室内长和宽等作为整车的基本尺寸参数； 4 ) 车辆基本构造及搭载部件以燃料电池发动机、动力支持系统、动力 蓄电池替代东方之子发动机系统；用电机集成变速箱取代原型车传动系 统，采用燃料电池轿车整车控制系统；保留原型车的车身、内外饰部件； 对原型车的制动系统、悬架系统、转向系统、空调系统、冷却系统等进 行了不同程度的改制和改进； 5 )驱动方式采用电机集成变速箱前置前轮驱动方式： 6 ) 车辆性能、品质和质量参数以国家法规检验整车的性能、品质和质 量参数。 从以上几个方面可以看出，汽车方案设计的过程就是汽车总体参数初步 确定的过程，这些参数将成为汽车总布置设计和总成设计的根本出发点。 8 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 2 2 燃料电池轿车总体参数选择的基本原则 无论是燃料电池汽车还是传统内燃机汽车，他们的总体设计参数的选择 都是一项复杂的系统性工作，需要设计者具备丰富的汽车设计知识和经验。 在具体参数的选取尚，往往要考虑多方面因素。但虽然汽车总体设计参数的 选择是复杂艰巨的任务，这并不表示这是一项没有任何规律可循的工作。随 着汽车设计技术的发展，汽车总体参数的选择也取得了一定的知识总结和经 验积累。总的来说，汽车总体设计参数的选择主要根据以下几点： 根据历史、现状和发展趋势； 根据有关的法规、国家标准、行业标准等规定； 根据车型统计资料和现有样车数据； 根据原有车的使用经验； 根据产品系列化、零部件通用化和零件设计标准化的要求； 根据汽车使用的典型工况条件； 根据给订的使用期限和使用寿命要求。 由此可以看出，参考国内外同类型汽车的参数数据库，参考和借鉴已有 成熟车型实例，进行分析比较，从中总结出有利于车型设计的知识，对汽车 总体设计中参数设计具有极大的实用价值。 然而，在燃料电池轿车的设计中，虽然也参考了国外同类车型，但是国 内外对燃料电池汽车的丌发都还在起步阶段，很难在短期内从外界获取有效 的车型参数，更不可能建立一个完整的燃料电池汽车参数数据库。在这种情 况下，为了保证研发进度，只有在很多参数下借鉴市场上的成熟的传统内燃 机汽车的相似车型参数，这对得到一些重要的设计参数十分重要，当然还需 要考虑复合我国的国家法规和标准的制约。 根据以上对汽车设计模式的划分方法，可以确定燃料电池轿车是以奇瑞 东方之子原型车的基础上进行的改型设计，是在去除了原型车的发动机一变 速箱动力总成之后，装上了燃料电池和动力蓄电池的电一电混合动力系统。 在此前提下，其余总成和零部件的改型设计和系统匹配应按照如下原则进 行： 1 一致性原则 为了加快开发过程，降低开发费用，燃料电池轿车是在原奇瑞东方之子 9 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 的基础上继续进行改型设计，因此在进行总布置时必须充分考虑原型车状 态，尽量与原车保持一致性； 2 沿用性原则 燃料电池轿车的底盘零部件，应尽量采用原型车或市场上能够采购的零 部件，以减少设计和试制周期； 3 适应性原则 燃料电池轿车总布置方案应满足国家现行的各项汽车强制性标准； 4 条件性原则 燃料电池轿车的最高时速为1 2 0 - , - 5 k m h ，其制动性能、平顺性和操纵 稳定性要求，应以此为条件。 按照以上标准，就可以最大程度的利用现有成熟的零部件，集中精力进 行燃料电池动力系统和相应的控制系统等关键技术的开发，对于加快开发进 程，产业的延续都有利。 2 3 燃料电池轿车总体设计参数 汽车的总体设计主要包括质量参数、尺寸参数和性能参数等。进行汽车 设计时，设计结果是否符合实用性能要求，在很大程度上与车辆的总体设计 参数有关。 汽车的总体设计参数在总体设计阶段确定，初步确定这些参数是进行汽 车总布置设计的首要工作。这些尺寸和参数的确定不可能靠精确的公式计算 出，一般根据新产品开发计划和性能要求，在大量的市场调查和统计分析工 作的基础上，参考国内外同类车型，选择相似的样车作为初步确定参数的依 据。同时还应注意所确定的参数要符合各种法规和标准的要求。 由于燃料电池汽车的特殊性不能完全按照传统汽车的设计方法，但可以 大胆的借用相关部分的设计理论技术，下面结合燃料电池轿车的开发过程具 体讨论一下燃料电池轿车的整车坐标参数以及质量、动力系统和总体尺寸等 设计参数的选择。 1 0 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 2 3 1 整车坐标参数 整车基本坐标系根据q c t 4 9 0 - - 2 0 0 0 确定。 1 三维坐标系确定 x 基准平面：通过左右前轮中心线，并垂直y 基准平面的铅垂平面； y 基准平面：汽车纵向对称平面； z 基准平面：通过车架前段中部上平面向上+ 3 0 m m 的水平面。 图2 1 整车坐标系 2 车辆坐标中心 x 、y 、z 三个基准平面的交点为车辆坐标中心。 3 车辆坐标系 车辆坐标系为右手坐标系。 2 3 2 几何参数 燃料电池轿车的几何参数大多直接来源于原型车的几何参数，部分参数 是在原型车的基础上按照国家标准，利用汽车相关理论对有关参数进行计算 第二章东方之子燃料电池轿7 f 总体参数 所得。 轴距主要决定传动系的总长度和车辆的操纵性或转弯机动性等要求。 最小转弯半径是考核车辆机动性的主要指标，它标志着车辆避开障碍通行 及在最小场坪上调头的能力。对于行驶条件复杂的越野车辆，其轴距尺寸主要 根据最小转弯半径来确定。传统四轮车辆最小转弯半径的近似计算公式为 ， f = 三+ c ( 2 1 ) t g p 式中车辆轴距； 卢前轮最大转角： c 前桥中心在地面上的投影至转向主销中心延线与地面交点间距离。 可见，车辆的轴距往往要受到最小转弯半径的限制。 车辆的宽度主要受轮距尺寸的影响，而轮距的确定又主要考虑车辆的横 向稳定性。按照横向侧翻条件，为保证车辆侧滑先于侧翻，必须满足： 旦 9 ，k 2 2 ) 一 厶二， 2 g 。 式中：b _ 轮距； h ，质心高度； 9 路面附着系数，可取o 7 。 至于车辆的高度，主要决定于车架上平面的离地高度、最小离地间隙和 纵向通过半径等。上述这些几何参数都和轮胎尺寸有关，轮胎尺寸的选择主 要根据轮胎所能承受的最大负荷。 表2 1 东方之子燃料电池轿车几何参数 整车型号参 数 总长 4 7 7 0 总宽 1 8 1 5 外形 总高( 整备质量) 1 4 4 5 尺寸 轴距( 设计载荷) 2 7 0 0 m m 前 1 5 5 0 轮距( 设计载荷) 后 1 5 3 0 1 2 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 通过 接近角( 满载) 1 6 9 0 性参 离去角( 满载) 1 7 5 0 数 最小离地间隙，m m ( 满载) 1 0 5 前束( 双轮) 27 8 车轮外倾角 3 0 0 6 0 7 前轮单轮前束1 4 空载 前轮 时前 主销后倾角( 不可调) 1 0 3 0 3 0 后轮转向角内侧3 9 9 0 4 0外侧3 3 5 0 4 0 定位 主销内倾角( 不可调)3 0 1 3 - 6 0 参数 前柬( 双轮，不可调) 1 8 1 2 7 后轮后轮单轮前束 9 6 车轮外倾角( 不可调)3 57 6 0 7 注：汽车外廓尺寸界限符合g b1 5 8 9 1 9 8 9 和g b7 2 5 8 - - 1 9 9 7 ： 2 3 3 质量参数 汽车的质量参数在汽车的总体设计中非常重要，对整车的动力性、制动 性、操纵稳定性和乘坐舒适性等都有直接的影响。这些参数主要为装载质量 或载客量，整车整备质量或自重，总质量，轴载荷及轴荷分配，质量系数或 自重系数等，各参数之间都有着内在的联系。选择最佳质量参数的目的就在 于协调各参数之间的关系，处理好相互间的矛盾，将其限定在一个合理的范 围内，使得设计出来的汽车具有令人满意的行驶性能和使用效益，并达到一 定的设计和制造水平。 此外，质量和可靠性的关系问题也是汽车技术发展的重要问题之一。一 方面，为了节省燃料，提高燃油经济性，需要降低质量；另一方面，车辆的 高速化发展有对可靠性提出了很高的要求。发动机功率和车速都在不断提 高，车辆动载荷也在增加，不考虑当前的车辆技术状况和设计水平，片面追 求质量的降低，往往会导致车辆的可靠性降低，行驶寿命缩短，从而提高使 用成本，这样从经济性角度来说未必合算。 东方之子燃料电池轿车以奇瑞b l l 为参考样车，进行车身的设计开发。燃 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 料电池动力系统的设计是以上海燃料电池汽车动力系统公司研制开发的“超越三 号 燃料电池轿车现有的动力系统平台为基础进行优化设计的。由于已经获取 b l l 原型车比较详细的参数，因此东方之子燃料电池轿车的质量参数计算采用变 型车质量参数计算方法。即在确认原形车质量参数信息后，只需了解变形件的质 量参数，直接推算出变型车的整车质量参数。 所有计算数据来源于上海燃料电池汽车动力系统公司提供的“超越三号 动 力系统底盘平台质量参数和奇瑞提供的b l l 轿车整车质量参数。 表2 2 东方之子燃料电池轿车质量参数 车型东方之子燃料电池轿车 整备质量k g 1 7 6 7 人员k g 6 8 4 人的行李质量k g 7 * 4 满载质量k g 2 0 6 7 整备前轴载荷n 9 4 0 4 8 整备后轴载荷n 7 9 1 1 8 满载前轴载荷n 1 0 2 6 7 8 满载后轴载荷n 9 9 8 8 7 半载质量k g 1 9 1 7 2 3 4 主要总成技术参数 东方之子燃料电池轿车车身为两厢承载式，五门封闭式全金属结构。前 悬架为麦弗逊独立悬架，后悬架为多连杆独立悬架。 1 转向系统参数 东方之子燃料电池轿车在设计过程中尽量采用了原车的布置方式并沿 用了原车的零部件。但是相对于原车，燃料电池轿车在轴荷分布、轮胎和质 心位置等方面有较大的变化，因此需要对转向器特性进行校核与匹配。特别 是原车的动力转向泵形式采用的是由发动机驱动的方式，而燃料电池轿车用 电动机取代了原发动机，所以需要为动力转向泵匹配电机。转向系统参数如 表2 3 所示： 1 4 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 表2 3 转向系统参数表 项目 参数 转向盘直径 3 8 0 m m 转向盘最大转向力矩 1 5 n m 转向传动比 4 6 5 转向盘最小转动幽数 3 1 4 制，0 1 动力转向机参数 齿条工作行程1 4 6 + - 1 行程转向圈数( m m 0 3 1 4 + - 0 1 传动比4 6 5 齿条齿数3 4 齿轮齿数 9 齿轮分度圆直径a t 2 5 m m 缸简直径( m m ) 4 3 额定流量( l r a i n ) 8 最大工作压力( b a r ) 8 5 最小转弯半径 6 m 空载时内轮最大转角 3 9 9 0 空载时外轮最大转角 3 3 5 0 转型油泵相关参数 转速r a i n = 6 0 0 转分 转速m a x = 6 5 0 0 转分 流量最大= 8 u 分， 压力最大= 9 8 b a r ,油温：4 0 。- 1 3 5 o 转向油泵特性曲线 流量a ( l t 1 1 ) 。 l d i8 66 6。z 7 一 7 7 一 一 5 8 ，、么3 6 2 0l o2 0 0 03 0 0 0 s 0 0 06 0 2 动力系统参数 燃料电池轿车动力总成主要有燃料电池发动机、动力蓄电池、d c d c 变换器、电机及电机控制器组成，采用了的电电混合动力总成基本技术，并 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 使用了集中水冷却系统，对主要零部件的性能指标进行了全面的优化调整， 最终动力系统的相关部件的参数见表2 4 。 表2 4 动力系统参数表 名称 项目参数 持续输出功率 5 0 k w 燃料电池 电池堆整体尺寸m m8 1 0 r a mx4 2 0 m m 2 5 0 m m 系统 重量 1 0 0 k g 含供气、控制、供水等系统重 2 0 0 k g 目 蓄电池容量 1 5 a h 动力蓄电 池 蓄电池尺寸 8 2 0 x 8 8 6 x1 2 0m m m m m m 蓄电池封装后重最 1 5 0k g ( 含管理系统) 电动机与控制器集成 电动机及 电动机效率 9 3 ( 含变速箱) 电机控制 电动机持续输出功率 2 4 l 【w 器 峰值功率 6 0 k w 电机及控制器重最7 5k g ( 电机功率密度1 0 k w k g ) 高压d c d c 型号试制 高压d c d c 高压d c d c 总体尺寸 集成丁p c u 内部 高压d o ，d c 重量 4 7 k g 低压d c d c 型号d c d c 7 5 0 b c 低压d a d c 低压d c d c 总体尺寸 集成于p c u 内部 低压d c d c 重量 3 1 k g 3 制动系统参数 经过参考国内外同等类型的汽车情况，并对其进行分析后，确定了东方 之子燃料电池轿车制动系统方案，如图2 2 所示： 1 6 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 - 转 撒 向 压 助 k 泵 力 刖 刚 电 嚣 左 右 动 制 制 机 动 f 动 嚣 器 真 真 制 空 空 动 、， 泵 肋 总 x 力 缸 八 器 后 f 后 制 左 右 动 制 制 人 踏 动动 板 器 器 驻 tt 生 制 动 器 图2 2 制动系统方案示意图 表2 5 制动系统参数表 参数名称 前轴 后轴 形式箍式制动器 盘式制动器 制动器直径 5 73 8 工作半径 1 0 5 3 1 1 1 制动盘厚度 2 2 1 0 制动分泵商径( d c ) 2 5 4 2 5 4 制动冈素 0 4 2 0 3 8 制动踏板行程m m 1 6 0 制动踏板自由行程m i l l 2 0 空载lg 减速度管路压力m p a 7 5 满载1g 减速度管路压力m p a 8 6 踏板50k g 力时管路压力m p a 9 2 1 7 第二章东方之子燃料电池轿车总体参数 2 4 本章小结 本章讲述了东方之子燃料电池轿车的总布置设计方案，以及燃料电池轿车的 总体参数选择的总体原则。在本章中还介绍了东方之子燃料电池轿车的几何参 数、质量参数以及各个主要总成的技术参数，包括动力系统、转向系统和制动 系统的技术参数。这些技术参数是决定燃料电池轿车性能的总体设计参数，也 是详细汽车总布置设计的基础。 1 8 第二章东方之子燃料电池轿车总布置 第三章东方之子燃料电池轿车总布置 处于设计阶段最上位的整车总布置设计，对汽车的性能和设计质量的影响 最为深刻。汽车性能的优劣不仅取决于组成汽车的各部件的性能，而且在很大 程度上取决于汽车总布置方案是否合理；所以总布置水平的高低对汽车的设计 质量、使用性能和产品的生命力起着决定性的影响。现代汽车设计中，总布置 设计的任务主要是提出总体设计方案，对各部件进行合理布置和运动校核，计 算和控制整车性能，还要协调好整车与总成之间的匹配关系，从而使整车的性 能达到设计要求和法规标准要求。本章将就这些总布置设计内容进行详细研究。 3 1 燃料电池轿车总布置 3 1 1 总布置概述 虽然燃料电池轿车的动力系 统相对于传统汽车有根本性的不 同，但就整车的技术设计过程来 说与传统的内燃机汽车没有很大 的区别。因此可以根据传统汽车 整车设计的特点和汽车新产品开 发的基本流程，结合产品设计的 一般过程，将燃料电池轿车的整 车技术设计内容划分为相对独立 的四个部分( 如图3 1 ) 。在实际 的汽车设计中，这四部分内容之 间不是绝对顺序执行的四个模 块， 而是存在一定的交叉和反复。例 如在总布置设计中，就要通过对 参数的优化、合理分配来进行总 1 9 确定汽车主要技术参数 结构、尺寸、质量、性能参数 底盘、车身总布置设计 整车性能分析与仿真 整车方案没计综合评价 k 逦 i 是 总成、零部件详细设计 图3 1 技术设计过程 第三章东方之子燃料电池轿车总布置 成的选型和匹配。而且随着并行工程、协同开发的实施，这种交叉和渗透也 日益明显和普遍。 在汽车的设计过程中完成了整车主要技术参数的确定工作以后，就要开 始总布置的设计。总布置设计任务繁多且极为重要，既要确定基本形式、尺 寸和质量等整车参数值，还要确保整车的动力性、操纵稳定性和平顺性等性 能达标。现代计算机辅助技术和知识工程等技术的发展为汽车整车和零部件 的设计提供了有力的支持，也大大缩短了开发周期。 3 1 2 总布置流程 进行燃料电池轿车进行总布置时，工作流程如图所示： 确定整车设计目标 0 设计草图确定整体参数 确定各系统方案 1 | - 选择总成及零部件 初步空间布置 轴茄计冀及位置调整 人机工程学校核 k + ：l 完善初步空间布置 仕脑一 q 厘椅槽。- 1 法掘格杏i ， 初步空间布置论证 八、 精确建梗 造型方案 上 结构分析 附属零部件设计 l r 嗄强思币重壳厩 厂 图3 2 燃料电池轿车总布置设计流程 第三章东方之子燃料电池轿车总布置 3 1 3 总布置法规要求 为了保证整车的安全性、舒适性和其他性能，在总布置工作时要严格按 照国家标准或其他更为严格的国际通用标准进行总成和零部件的布置，表 3 1 所列出的是燃料电池轿车总布置设计时的部分法规： 表3 1 东方之子燃料电池轿车总布置涉及法规 前方视野 g b l l 5 6 2 - 一9 4c m v d r 6 3 1 座椅系统的强度 g b l 5 0 8 3 9 4 后视镜安装要求 g b l 5 0 8 4 9 4c m v d r 3 4 6 操纵件、指示器及信号装置的标志 g b 4 0 9 4 一1 9 9 9 c m v d r 6 3 4 车速表 g b l 5 0 8 2 1 9 9 9c m v d r 3 3 9 汽车外部凸出物 g b l l 5 6 仔9 5c m v d r 2 2 1 汽车制动系结构、性能 g b l 2 6 7 伊一1 9 9 9 汽车风窗玻璃刮水器洗涤器 g b l 5 8 0 5 9 4c m v d r 6 3 3 除霜 g b l l 5 5 争一9 4 汽车风窗玻璃 c m v d r 6 3 2 除雾 g b l l 5 5 5 9 4 汽车外部照明和信号装置的安装规定 g b 4 7 8 5 - - 1 9 9 8c m v d r l 4 8 前照灯配光性能 g b 4 5 9 争一9 4c m v d r l 2 0 汽车前雾灯配光性能 g b 4 6 6 0 一9 4 c m v d r l l 9 汽车前和后位( 侧) 灯、示廓灯、制动灯 g b 5 9 2 伊一1 9 9 9 c m v d r l 0 7 配光性能 汽车倒车灯配光性能 g b l 5 2 3 5 9 4c m v d r l 2 3 汽车及挂车转向信号灯配光性能 g b l 7 5 0 9 _ 一1 9 9 8 c m v d r l 0 6 汽车后雾灯 g b l l 5 5 4 _ 一1 9 9 8c m v d r l 3 8 汽车及挂车用f l 复反射器 g b l l 5 6 4 一1 9 9 8c m v d r l 0 3 防l ：汽车转向机构对驾驶员的伤害的规定 g b l1 5 5 7 一1 9 9 8 汽车与客车鹰椅 g b l 5 0 8 3 - 9 4c m v d r 2 1 7 汽车座椅头枕 g b l l 5 5 0 c m v d