某新能源純電動汽車前艙設計概述

范健 和麗梅 謝貴山 許冰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】新能源電動汽車目前正蓬勃發展，各汽車廠家競相開發款式多樣、定位不一、功能各異的電動汽車，以滿足需求日益多樣化的消費市場。文章以一款新能源純電動汽車前艙的設計過程為例，著重介紹純電動汽車前艙的功能組成、設計流程、設計要點、四大工藝檢查、仿真分析及驗證過程，舉一反三，旨在使設計人員體會汽車相關部件設計的精髓，掌握設計要領，理清設計思路，對新的設計者尤其具有指導意義，對資深工程師亦有一定的參考意義。

【關鍵詞】新能源；純電動汽車；前艙；性能

【中圖分類號】U469.72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0041-04

1 純電動汽車的特點及發展前景

純電動汽車動力系統主要由動力蓄電池、驅動電機及其控制系統組成，全部采用電力驅動，不消耗燃油，具有零排放、噪聲小、結構簡單、維護較少的特點。在日益關注節能環保的今天，包括電動汽車在內的新能源汽車正受到消費者越來越多的青睞，國家為支持電動汽車等新能源汽車產業的發展出臺了財政補貼等多項政策，大力推動電動汽車的發展。近幾年，電動汽車以遠高于常規能源汽車的速度增長，各車企紛紛加入其中，推動了電動汽車向產業化、規?；较虬l展，大大提高了該領域技術的成熟度。電動汽車正逐步進入人們的日常生活，成為方便人們出行、改變人們生活方式的一種便捷的交通工具。

純電動汽車目前多以輕巧為主，續航里程一般在100～250 km，結構緊湊，外形富于動感，大量采用新工藝、新結構、新材料，非常迎合消費者個性化的需求。本文以上汽通用五菱汽車股份有限公司自主開發的一款小型純電動汽車前艙的開發過程為例，介紹一些設計心得，總結經驗，以期提高設計人員的技術水平。

2 前艙的功能及組成

前艙，也叫發動機艙，位于汽車前部，其功能是為整車的動力系統及其相關子系統提供安裝空間，同時具有吸收和傳遞碰撞能量的功能。前艙系統最基本的功能是實現整車的布置功能和保障整車的性能要求。布置功能是指為汽車主要總成或分總成提供定位和安裝空間（如發動機、變速箱、水箱和電瓶等），整車性能要求是指前艙系統與車身結構的其他系統共同組成完整的籠形車身骨架，為實現整車的碰撞要求、結構剛度和為模態提供結構支撐。前艙系統是車身結構最重要的組成部分，一個好的前艙架構應是在滿足安全、結構性能的前提下盡可能地通用不同發動機的安裝點并保持良好的安裝和拆卸空間。

前艙系統由主大梁系統、前輪罩系統、水箱框架系統、前圍板總成、上安裝板（或前延伸板）總成等組成（如圖1所示）。本電動車中，由于沒有發動機，前艙布置與傳統車有所區別，增加前橫梁總成、車載充電機支架合件2個總成。本車前艙主要用于安裝布置電動機及其變速器、DC/DC、車載充電機、高壓配電箱、電機控制器、蓄電池、真空泵、水壺、碳罐、充電座、冷凝器、真空助力器、前大燈、喇叭、行人報警裝置等。這些部件布置在不同的位置，設計側重點不同，設計人員必須充分注意。

主大梁系統：它是最主要的受力部件，首要設計問題就是要滿足正碰法規要求。一般由主大梁內板、外板、副車架支撐加強板、電瓶托盤、副車架連接板、大梁斜撐、大梁延伸板和橫梁等組成。

前輪罩系統：作為前懸的固定點，其設計關鍵點是滿足動剛度要求，保持與前懸、輪胎包絡合理的間隙，輪罩外板與外板加強板須注意碰撞力的傳遞路徑，滿足碰撞要求。主要由輪罩板、輪罩支撐板、輪罩前延伸板、前橫梁支架合件、水壺支架合件和其他相關支架等組成。

水箱框架系統：它是各部件的集大成安裝者，冷凝器、發罩、前格柵、前大燈、喇叭、行人報警裝置、前保、翼子板、車載充電機、高壓配電箱、電機控制器等都裝在它的上面，因此對它的強度、剛度要求比較高。主要由水箱下橫梁、水箱上橫梁、水箱左右立柱和發動機罩鎖支架、充電座支架、前格柵支架等組成。

前圍板總成：用于分隔乘員艙和前艙（發動機艙），安裝零件眾多，要求具有良好的隔音、密封性能，是重要的車身部件。前圍板結構分為整體式和分塊式，本電動車采用的是整體式結構。

上安裝板總成：一般與下安裝板組合，最主要的功能是起到流水槽的作用，也為前擋玻璃、雨刮、外飾、發罩、前大燈等部件提供安裝面或點。本車由于零件選配上的考慮，所以沒有設置下安裝板結構。

前橫梁總成、車載充電機支架合件：因本電動車無發動機，所以它為布置車載充電機、高壓配電箱、電機控制器而額外增加的結構，起支撐固定作用。

3 前艙設計流程

按照各區域輸入進行零件的設計工作流程簡單描述如圖2所示。

開發前，需要充分收集以往各車型曾經出現過的失效模式，吸取教訓，以免重犯。開發過程中，必須要求上游接口區域提供ICD等文件，ICD應盡可能地詳盡，最好把位置、公差、間隙大小及性能要求（如剛度、模態等）寫清楚。

4 前艙各系統開發設計的關鍵性能指標

主大梁系統：前縱梁的設計有其設計規范，在此不做具體介紹。除滿足正面碰撞要求外，主大梁還安裝有副車架、蓄電池、DC/DC、碳罐等。副車架安裝電動機與變速箱、擺臂。電動機安裝點動剛度要求大于1 000 N/mm，擺臂接附點動剛度要求大于4 000 N/mm。蓄電池局部模態要求大于30 Hz，且盡可能地向后布置，有利于碰撞時前縱梁變形充分和增大前縱梁所吸收的碰撞能量，以免蓄電池受到撞擊引起爆炸。DC/DC、碳罐要求與蓄電池類似，位置可稍為靈活。

前輪罩系統：前懸安裝點動剛度要求大于4 000 N/mm，靜剛度一般不校核，與前懸包絡的最小間隙不小于15 mm，與輪胎包絡不小于10 mm，尖銳處不小于15 mm。輪罩支撐板的材料選用高強度鋼，且材料厚度要比較厚。根據以往經驗，輪罩與主大梁搭接處較容易開裂，設計時要注意，必要時需增加加強板等結構。

水箱框架系統：正如前述，水箱框架系統安裝部件較多，但各部件性能要求卻不盡相同，為滿足性能要求，常增加加強板甚至整個上彎梁形成腔體結構。關鍵設計點如下：{1}發罩固定點，靜剛度要求大于600 N/mm；{2}安裝在其上的零件模態要求大于30 Hz。

前圍板總成：前圍板是整車的迎風面，對整車的NVH貢獻較大。設計中除要注意滿足整車的扭轉剛度外，還要滿足局部模態，這個局部模態不能太小，具體看性能要求或對標數據。前圍板安裝了兩大重要部件：真空助力器（包括三踏）與空調。真空助力器安裝處加強板區域重點是剛度好，一般沒有明確定義，以對標車值為參考，按優于對標車數據或與其相當設計。其他各個零件的模態至少要求大于30 Hz，通常在40 Hz以上。

上安裝板總成：密封要好，流水要盡可能地順暢，前大燈、雨刮安裝點的剛度要足，靜剛度要求大于300 N/mm。注意工人或用戶日常維護空間，前大燈調焦口、助力器制動液加注口滿足相關設備操作空間要求。本上安裝板還設計有一個重要功能，即打碼面，要求如下：{1}圖紙標注打碼面尺寸，打碼面最小平面要求為140 mm×38 mm；{2}VIN碼面要求無拉痕、拉傷、沖擊線、起皺等零件表面質量缺陷。

前橫梁總成、車載充電機支架合件：安裝在其上的車載充電機、高壓配電箱、電機控制器的模態要求大于30 Hz。由于這些零件較重，且懸在空中，模態不易滿足，本車采取前后橫梁、上彎梁、充電機支架加厚板材板厚，并在連接處增加加強板等措施。

以上所有零件都必須進行強度校核，其最大應力一般要求小于屈服強度的80%，以留有足夠的安全裕度。

除零件設計外，還要注重焊點設計、涂膠設計、密封設計。

對焊點設計，可參考以下一般規則：前車架前部焊點間距為40～50 mm，安碰區域；前后地板搭接處為60～70 mm；車架與橫梁搭接處為60～70 mm；下車體散件（護板、門檻等）與地板搭接處為60 mm左右；頂蓋與側圍總成搭接處為50～60 mm，A＼B＼C＼D柱關鍵接頭搭接處焊點適當加密；門框圓角處焊點為30～40 mm，尤其是B＼C柱上下角易開裂處，直線段為50～60 mm；上車體與下車體搭接處為50～60 mm。

涂膠：輪罩周圍與大梁底部涂UBC防石擊膠，連接邊參考其他車型涂白膠或焊縫密封膠。

5 CAE分析及四大工藝檢查

本項目設計過程中，采用聯合開發的模式進行設計，即各部門包括ME等相關人員集中在一起，打破部門藩籬，共同討論快速解決問題。聯合開發小組中，也可以邀請供應商的人員參與。

檢查主要有以下5項。

計算機仿真CAE分析：采用仿真軟件分析各零件是否符合對應的性能要求，對不符合的，需要改進結構甚至采取增加加強板等措施優化設計，直至滿足為止。動剛度分析如圖3所示。

分析結論及建議：電機懸置安裝點個別頻率下的動剛度稍低于目標值1 000 N/mm；前懸左、右擺臂前安裝點在125 Hz、160 Hz處動剛度低于目標值4 000 N/mm。

根據分析結果，優化設計，直至滿足性能指標。

汽車有四大工藝：沖壓、焊接、涂裝、總裝。四大工藝提供各自的工藝要求，設計必須滿足。設計當中，四大工藝工程師會不間斷地從各自的專業領域對數模進行檢查，并反饋給工程師。

沖壓檢查：指采用沖壓分析軟件模擬沖壓成型過程，對零件因沖壓開裂、起皺、減薄等具有較為準確的參考結果，再結合工程師的豐富經驗判斷，沖壓問題絕大多數可以在設計階段得到解決。

焊接檢查：模擬焊接設備操作過程，從人機工程角度分析焊接通道、焊接空間、焊接邊尺寸等是否能夠滿足工藝要求。

涂裝檢查：著重是檢查涂膠邊、排氣孔、漏液孔，從人機工程角度分析涂膠操作方便性。需要注意型面在最低點開漏液孔，腔體在最高處開排氣孔，周圍物體要遠離涂膠邊一定距離，以便人工操作及防止膠污染。孔最后需要堵塞密封。

裝配檢查：要求各部件拆卸方便、維修快捷，同樣需要裝配工程師進行模擬裝配。

6 驗證

理論設計完成以后，最終需要通過實踐來檢驗，理論設計不可能完全杜絕所有問題，仿真分析也不可能達到100%的準確度。

造車驗證：一般需要提供全工裝零件按照批量生產工藝造車，驗證生產線及零件裝配搭接問題，在實際生產制造中驗證白車身的工藝。由于進度節點問題，零件也可以由軟?；虬牍ぱb生產出來，零件狀態稍差。

碰撞、拉力試驗：涉及公告法規問題，在國家專門的車輛實驗室進行，而且必須通過。

可靠性道路試：一般認為整車完成4萬km（含2.6萬km壞路）可靠性道路試驗后，白車身沒有明顯開裂失效現象，即認為白車身結構強度滿足疲勞耐久要求。純電動車路試有所降低，整車只需完成1.8萬km（含1.0萬km壞路）試驗。

實踐證明，本車前艙經以上驗證，也出現了一些問題，如焊接邊過小容易產生邊緣焊、工裝定位不好等，經解決后都符合預期目標，達到量產條件，為新能源汽車的上市鋪平了道路。

7 新能源電動汽車前艙設計體會

作為上汽通用五菱汽車股份公司的第一款純電動汽車，事前大家都沒有這方面的設計經驗，主要依靠的是傳統車的設計經驗，以及對對標車的分析。對大量出現的四新（新材料、新結構、新工藝、新供應商）零件，我們牢牢抓住性能這一底線，不放松設計要求，大膽創新，不管其結構如何改變，但性能要求是不變的。

撰寫本文的目的，就是通過介紹一款純電動車的前艙設計過程，讓讀者了解汽車前艙設計流程、設計要點、設計檢查與驗證。當然，設計當中還涉及很多的專業知識，在這里不能一一說明。總之，希望提高技術人員車身開發能力，為中國汽車的發展貢獻微薄之力。

參 考 文 獻

[1]王文偉，畢榮華.電動汽車技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]謝貴山.乘用車前隔板總成零件設計開發概述[J].企業科技與發展，2012（7）：39-41.

[3]高鍵鎰，查三妹.某乘用車前地板的結構設計改進[J].企業科技與發展，2012（15）：78-80.

[責任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】范健，男，廣西玉林人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：車身下車體相關產品的結構；和麗梅，女，云南麗江人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司主任工程師，研究方向：車身下車體相關產品的結構；謝貴山，男，廣西賓陽人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司車體執行經理，研究方向：車身相關產品的結構；許冰，男，廣西賓陽人，研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司車體工程經理，研究方向：車身相關產品的結構。