燃料电池汽车作为零排放的新型环保汽车引起了世界注意，我国也高度重视燃料电池汽车的开发。环境污染和能源短缺已经成为全球关注和急需解决的问题。在燃料电池汽车的开发中，不仅要进行燃料电池技术、动力系统总成匹配等关键技术的开发，还要完成总布置的设计。总布置设计任务繁多且极为重要，既要确定基本形式、尺寸及质量等整车参数值，还要确保整车的动力性、操纵稳定性和平/顷性等性能达标。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，大大缩短了开发周期。

对于总布置，所谓参数化设计就是以一定量的参数控制整车、总成装配和零件的几何模型，通过修改参数而改变装配模型和零件的几何模型，从而改变装配形式和结构或零件的尺寸和结构。

UnigraphicsSolutions公司推出的UG(Unigraphics)是集CAD/CAE/CAM为一体的全三维参数化机械设计平台，提供了基于特征的参数化设计、基于草图的参数化设计和基于装配的参数化设计。利用参数化技术建立的模型，图形修改非常容易，因此在构造几何模型时只需要集中于概念和整体设计，可以充分发挥创造性，减少重复的建模工作，提高设计效率。总布置的参数化设计是以设计理论为指导，以现代化的CAD/CAE技术为手段，以获得良好的乘坐舒适性、操纵稳定性、和安全性等为目标。

1　燃料电池轿车总布置参数化设计思路

关于全新燃料电池轿车的开发，不仅要解决燃料电池动力系统等核心技术，还要建立一个燃料电池轿车的动力系统平台，既要在性能上达到预定的设计目标，又要易于燃料电池轿车未来持续的开发和完善。而建立一个功能完善的参数化设计系统，包括利用相应软件完成相关数据库的建立、整车总布置的装配设计和输出功能设计等。

数据库建立的主要任务有指导设计的车型参数数据库、汽车设计标准库、总布置设计规则库和供整车装配的三维总布置图形库、三维参数化零件库、和三维参数的人体模型等；整车总布置的装配设计主要有：定义三维总布置工作层、定义三维总布置的工作坐标系及坐标系变换原则、定义并描述整车设计硬点、建立整车各总成参数化模型和装配树结构及安装定位方式等、建立基于规则的整车总布置参数化模型等；输出功能设计主要是定义图面和输出图纸等。此参数化的汽车设计系统(如图1)能极大地提高设计质量、减轻设计人员的劳动、缩短设计周期和降低产品成本，更为重要的是，极大地方便了对产品的后续开发。

图1　总布置参数化设计系统

2　设计原则和要求

总布置设计的总体原则是在尺寸上要符合预定的要求，在性能和质量上要达到或优于预计的设计目标。

作为我国首辆燃料电池轿车项目，为了在有限的时间内更好地集中精力去解决底盘动力系统平台的关键技术，燃料电池轿车的开发以桑塔纳2000轿车为原型车。保留了原型车的车身和内、外饰，底盘在除去发动机和变速器等传动系后，用燃料电池反应堆、大容量蓄电池、燃料电池支持系统、DCAC、DCDC和新的驱动电机、变速器等代替；转向系和行驶系是在原型车的基础进行零部件改制。项目的开发遵循以下原则：(1)一致性原则。某燃料电池汽车是在原桑塔纳2000基础上进行改进设计，因此在进行总布置时必须充分考虑原车的状态，在布置过程中应尽量与原车保持一致性；(2)沿用性原则。某燃料电池汽车在底盘平台上，应尽量采用原车或市场上能够采购的零部件，减少设计和试制周期；(3)适应性原则。某燃料电池汽车总布置应满足国家现行的汽车强制性标准；(4)条件性原则。某燃料电池汽车最高时速为120km/h，其制动性能、平顺性、操纵稳定性要求，应以此为条件。

3　燃料电池轿车总布置概述

为了集中力量进行核心技术的研究，项目总布置重点研究底盘总布置和参数化的燃料电池轿车动力系统平台建立的方法。

底盘总布置是在车身布置完成的基础上进行的，除了要考虑到车身的设计硬点，驾驶室、和乘客空间外，还要设计一个承载式车架结构来保证整车的刚强度和模态性能。因此，底盘总布置主要包括：车架的设计、各总成或系统的布置。

3.1　车架的设计

车架是整个底盘动力系统平台建立的基础，又是底盘平台与车身接合的主要部件。它不仅要用以安装和固定各主要总成零部件，承受来至底盘和车身的多种静载荷，还要在使用过程中与白车身一起承受由各种外界作用力和车辆行驶过程中所产生的各种动载荷。因此，在设计过程中要充分考虑到：(1)与车身相适配，接合容易；(2)具有足够的强度，使安装于其上的总成零部件和其自身不会受力过大而遭破坏；(3)具有足够的刚度，使整车的刚度达到乘坐舒适性要求；(4)自身总量要轻，以满足整车轻量化的要求。

为此，车架的设计是一个以应力分析和模态分析结果为指导的不断完善过程。为了易于频繁的修改，车架的各横梁和纵梁的截面形状和尺寸利用了基于草图的参数化设计，车架的装配则利用了基于装配的参数化设计。

3.2　部分系统总成的布置

本燃料电池车的转向系、行驶系和制动系在结构上与原型车保持一致，在传动系统中电机与变速器集成后布置在前舱后部，通过半轴直接与驱动车轮相联。前悬架为麦弗逊式，后悬架采用复合式后桥。由于簧载质量增加，现采用的前、后悬架的设计在原型车悬架的基础上对前、后螺旋弹簧重新设计和对复合式后桥结构改进设计等。

动力系统主要由动力蓄电池系统、燃料电池发动机、燃料电池发动机支持系统构成。目前，此系统的质量和体积都比原型车内燃机要大。为此，根据轴荷分配和空间的要求，采用了燃料电池发动机和燃料电池发动机支持系统后置；而动力蓄电池中置的方案。

动力控制系统主要由一些电器设备构成：高、低压DC/DC，高压DC/AC，能源控制器(EC)和车辆控制器等，按相互间的接线关系最优化布置在前舱内。

由于燃料电池发动机和动力系统控制设备在工作中会产生大量的热量，需要水冷，由于两者对于冷却水温度的要求不同，所以本车中共有2套水冷系统，分别布置在车头和前舱下部通风较好的位置。

4　实现总布置参数化的关键技术

对于该燃料电池轿车总布置参数化而言，着重需要解决的技术主要包括：良好的数据共享网络平台、零部件的参数化建模、装配相关性驱动、运动分析、有限元分析和虚拟仿真等技术。

4.1　良好的数据共享的网络平台

汽车整车的开发是多人同时协同开发的过程。要完成总布置的虚拟装配，必需建立一个能够资源共享且有效管理的数据管理网络平台。为某燃料电池车开发提供技术支持的是EDS公司的PDM软件Iman和三维CAD软件UG。

4.2　零部件的参数化建模技术

零部件的参数化建模主要考虑单个零部件建模和相关部件间的零部件建模。单个零部件建模，主要采用草图尺寸控制和表达式控制。考虑到零部件设计过程中，每个零部件与周围部件具有一定的相关性，WAVE几何连接器能够满足在部件间拷贝点、曲线、草图、基准、面、实体等，而相关性管理器能够在一组具有相关性的零件中，当其中一个部件的特征发生改变时，相关部件会在设计者的控制下自动更新。

4.3　装配相关性驱动技术

对于总布置虚拟装配的完成，不仅要求在空间上能严格准确地装配各个总成和零部件，而且要求相关的零部件和总成间要按位置关系和运动关系能够实现智能化控制。这样就能保证在一个部件需要变动时，其他的相关部件能够智能化地调整位置并及时预警不利情况的发生。本项目采用了尺寸驱动技术、装配约束驱动技术和WAVE(尺寸、约束全相关)驱动技术。如：在设计车架总成时成功利用了WAVE的控制结构技术，在控制结构中对零部件进行优化后，装配模型和零件模型会自动更改，从而使车架总成内的众多零部件(纵梁、横梁、支撑架等)之间实现全相关建模和装配。

4.4　运动分析

在总布置时需要对各个运动部件进行干涉检验，以避免运动部件自身运动不协调或者与其它部件发生冲突。UG运动分析模块是专门为运动学分析和动力学分析开发的设计工具。通过建立连杆、运动付、运动输入构成一个运动分析模型系统，进行运动分析。

4.5　有限元分析

有限元分析技术能为整车的设计提供强度、刚度等方面的理论依据。在该燃料电池轿车的开发中，应用ANSYS软件对全新设计的车架与原车身的刚强度和模态特性进行研究，为整车的总布置设计提供设计优化依据，从而保证了整车的结构安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性。

4.6　虚拟仿真技术

MSC公司在基础模块的基础上开发了汽车专用模块ADAMS/Car，对整车各系统进行模块化分割，建立整车模型就像搭积木一样，所建立的整车不仅能完成操纵性分析，也可以完成其它性能的分析，不同的只是输入的指令不一样。这样建立的一台“数字化汽车”，可以完成“虚拟试验”。

对于本项目，虚拟仿真的主要任务是：建立一个包含可变参数的燃料电池轿车的整车动力学模型，分析整车的操纵稳定性以及参数变化对操纵稳定性的影响程度，尤其要解决利用柔性建模理论建立更能反映实际情况的柔性后桥模型和如何分析参数变动对整车操稳性能影响程度。

5　参数化总布置的实现

5.1　轴荷的验算

轴荷的分配直接关系到汽车的动力性、制动性、舒适性、安全性等各方面的重要性能，前、后轴上的载荷无论哪一个超过60%时，都必须重新对原总体布置进行修改和调整，而且要进行额定载荷计算，讨论其对GVW(车辆总重量)和PAW(最大允许轴荷)的影响。总布置后的燃料电池车部分主要总成的质量和下向的坐标见表1。

表1　主要总成质量和X坐标

试验测得某燃料电池轿车的整备质量为1460kg，满载质量是1880kg。轴荷与原型车相比较，结果见表2。

表2　燃料电池车与原型车的轴荷比较

5.2　总布置图

按照上述原则、方法，在IMAN的PDM(产品数据管理)系统平台和UG的设计平台，充分利用了零部件的参数化建模技术和装配相关性驱动技术，初步实现了整车总布置的参数化设计。在UC中做运动分析校核、质量计算、装配干涉检查等，再结合有限元分析技术和虚拟仿真技术，最终完成了某燃料电池轿车的总布置。表3为经总布置后整车的部分参数。

表3　整车部分参数