基于布置優(yōu)化的汽車蓄電池支架輕量化設(shè)計

李國林 孫風蔚 吳成明 馮擎峰

（吉利汽車研究院）

目前，關(guān)于蓄電池支架的設(shè)計，通常采用增加板厚，使用高強度鋼及更改結(jié)構(gòu)等[1-2]方法來提高其強度和剛度。但是隨著汽車輕量化的要求提高，還要考慮如何減輕該零部件的質(zhì)量。輕量化設(shè)計方案，主要有3個方面[3-5]：1）零部件的材料；2）零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；3）零部件的制造工藝。雖然使用高強度鋼、利用復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)及采用先進制造工藝，可以減輕零部件質(zhì)量，但是同時也增加了零部件的設(shè)計開發(fā)成本。針對該問題，文章考慮零部件設(shè)計的初始輸入條件，為零部件的輕量化設(shè)計提供了一個新的設(shè)計方向，即通過更改蓄電池支架的初始布置輸入，來進行蓄電池支架的輕量化設(shè)計。

1 蓄電池支架設(shè)計流程

1.1 總布置輸入

蓄電池支架的設(shè)計，通常都是根據(jù)提供的蓄電池布置方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足其承載蓄電池的作用。通常蓄電池的布置都是在發(fā)動機艙縱梁上，有縱向布置和橫向布置2種布置方案，如圖1所示。蓄電池通過蓄電池支架固定在縱梁上，與縱梁支架呈懸臂式結(jié)構(gòu)，因此蓄電池支架強度設(shè)計，需要通過更改材料、增加加強板或者增加板厚來提高，用以滿足其使用要求。

1.2 蓄電池支架設(shè)計

根據(jù)布置提供的蓄電池位置輸入，進行蓄電池支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以某款蓄電池橫向布置的車型為例，進行蓄電池支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，蓄電池布置形式，如圖2所示。蓄電池支架呈懸臂梁式固定在縱梁上，同時懸空在左懸置上方。考慮蓄電池支架的強度和剛度要求，需要在縱梁上側(cè)的減振器主板上增加2個固定點，進行結(jié)構(gòu)加強。根據(jù)該布置輸入條件，進行蓄電池支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，支架結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。支架1主要是用于蓄電池支架與減振器主板的固定，以提高蓄電池支架的動剛度。

2 輕量化設(shè)計

根據(jù)上述蓄電池支架的設(shè)計流程，可以看出布置輸入對蓄電池支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的影響，因此考慮蓄電池支架的輕量化設(shè)計，必須從初始的蓄電池布置上進行分析。

2.1 布置輸入

以上述橫向布置蓄電池支架設(shè)計為例，從圖2c中可以看出，目前蓄電池的布置還存在以下2種可調(diào)整的空間：1）如果蓄電池沿-Y方向進行移動，蓄電池質(zhì)心移向縱梁，懸空在縱梁外的蓄電池部分減少，那么蓄電池支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以簡化，Y向尺寸也可以相對減少；同時，因為蓄電池質(zhì)量主要由縱梁承載，因此圖3所示的支架1也可以取消，這樣蓄電池支架的質(zhì)量就會明顯減少；2）從圖2中還可以看出，蓄電池懸空在左懸置上方，而左懸置固定在縱梁上，因此可以降低蓄電池位置，同時蓄電池的固定除了蓄電池支架上的固定點，還需增加懸置上的安裝點，這樣蓄電池支架的承載力才能減少，結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以相應(yīng)簡化。

圖4示出原蓄電池的布置輸入，從圖4中可以看出，蓄電池整體長度約228mm，Y向懸出縱梁外約192 mm，占蓄電池整體長度的84%；Z向高出縱梁約166mm。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述布置分析，蓄電池布置位置沿-Y方向移動，同時下移，如圖5所示。從圖5中可以看出，蓄電池布置更改后，蓄電池Y向懸出縱梁外131 mm，占蓄電池整體長度的57%；Z向高出縱梁138 mm。相對原先的布置輸入，Y向長度減少約32%，Z向高度減少約17%。因此，蓄電池支架在Y向的長度及Z向的高度，也相應(yīng)減少，整體質(zhì)量減輕。

根據(jù)上述新的布置輸入，蓄電池支架結(jié)構(gòu)需從3個方面進行重新設(shè)計。1）因蓄電池懸空在懸置上方，所以在懸置上增加固定點；2）蓄電池安裝在縱梁上的部分，通過在縱梁上增加支架，更改縱梁結(jié)構(gòu)，與懸置共用新增加的支架來固定；3）考慮蓄電池支架輕量化設(shè)計要求，將蓄電池托盤跟蓄電池支架，采用塑料材質(zhì)，設(shè)計成一個整體，采用注塑成型實現(xiàn)，如圖6所示。

新的蓄電池布置，涉及到新增加的件有：懸置上的蓄電池固定支架、新增加縱梁支架及蓄電池托盤（即新的蓄電池支架），總共質(zhì)量約為1.8 kg，而相應(yīng)的原先的蓄電池支架總共質(zhì)量約為2.4 kg，質(zhì)量減輕約25%。

2.3 CAE分析

新的蓄電池支架與蓄電池托盤是一個整體，圖7示出蓄電池托盤的有限元模型。該模型約束車身截面處所有自由度，針對各種工況在蓄電池質(zhì)心施加表1中對應(yīng)的重力加速度。經(jīng)CAE分析結(jié)果顯示，該布置形式的蓄電池支架結(jié)構(gòu)在倒車上臺階工況、側(cè)向沖擊工況、前行制動工況、過坑工況，垂向沖擊工況及組合工況下均滿足強度設(shè)計要求，如圖8所示。

表1 蓄電池托盤強度分析工況加速度列表（蓄電池質(zhì)量為13.9 kg） g

3 結(jié)論

通過布置優(yōu)化，進行蓄電池支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以很好地實現(xiàn)蓄電池支架的輕量化設(shè)計，同時保證蓄電池支架的設(shè)計強度要求。這說明，在白車身設(shè)計過程中，為滿足輕量化的設(shè)計目標，除了傳統(tǒng)的采用新材料、新工藝措施外，白車身前期的布置輸入也起著非常重要的作用。良好的布置輸入，不僅可以讓整車布置美觀，而且可以實現(xiàn)整車輕量化設(shè)計，同時也可以使鈑金件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，模具開發(fā)成本低，且滿足其結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度要求。