白車身平臺剛度優(yōu)化設(shè)計

盧川海

麥格納斯太爾汽車技術(shù)(上海)有限公司 上海市 200000

1 引言

白車身平臺化設(shè)計成為世界各大主流汽車廠家的共同選擇。隨著新能源汽車普及浪潮的來臨，白車身平臺對純電動、油電混合動力等動力系統(tǒng)的兼容，是白車身平臺的發(fā)展方向。

另一方面，由于各種動力系統(tǒng)幾何包絡(luò)差異較大，而各種動力系統(tǒng)幾何包絡(luò)累加后幾何包絡(luò)巨大布置空間問題顯的更加突出。由于布置空間問題導(dǎo)致該平臺的純電動車型的白車身剛度要明顯弱于燃油車型，為此需要對該款純電動白車身剛度進行優(yōu)化設(shè)計。

2 純電動汽車白車身介紹

現(xiàn)代化純電動汽車的出現(xiàn)，是在燃油車的基礎(chǔ)上改變了其能源方式，將燃油改為了電池，以此為核心對汽車進行改造。在設(shè)計純電動汽車時，要盡量沿用基礎(chǔ)車型，以使設(shè)計成本得到降低。由于純電動汽車在地板下方安裝和布置電池，所以純電動汽車在白車身上發(fā)生的變動也主要在地板位置，也就是變動了下車體。所以，對純電動汽車白車身的介紹主要就是介紹其下車體結(jié)構(gòu)。本文以某型號的純電動汽車為例進行介紹。

某型號純電動汽車采用的電力電池是磷酸鐵鋰（18.66kW/h），電池的長為1160mm，寬為986mm，高為300mm，總重量是240千克，能夠達到某型號純電動汽車的最高車速（100km/h）和續(xù)駛里程150千米的要求[1]。在該型號的純電動汽車中，將電池安裝在地板下方前后排的座椅中間。

如圖1所示，為該平臺燃油車的下車體骨架和電池的匹配狀態(tài)。序號1代表在前座椅的前面安裝橫梁，序號2代表在前座椅的后面安裝橫梁，序號3代表后地板骨架橫梁，序號4/5代表中央通道。在純電動汽車中因為要布置電池，對基礎(chǔ)燃油車的下車體結(jié)構(gòu)進行改造，如圖2所示，就是某型號純電動汽車的下車體骨架結(jié)構(gòu)。

圖1 基礎(chǔ)燃油車下車體骨架結(jié)構(gòu)和電池匹配

圖2 某型號BEV下車體骨架結(jié)構(gòu)

3 純電動汽車白車身剛度情況

純電動汽車由于要布置電池，會對燃油車下車體的骨架結(jié)構(gòu)造成破壞，而變動下車體的骨架結(jié)構(gòu)會影響到純電動汽車白車身剛度。通過分析某型號純電動汽車的扭轉(zhuǎn)工況、扭轉(zhuǎn)角度和彎曲工況、彎曲位移，得出純電動汽車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度。

扭轉(zhuǎn)剛度Kt的計算公式是M/θ。在計算公式中，M代表轉(zhuǎn)矩，其值為2000N·m；而θ等于0.221度，代表的是前減震器的對應(yīng)測點所扭轉(zhuǎn)的角度與后約束點在前方100毫米位置對應(yīng)縱梁測點的扭轉(zhuǎn)角度之差[2]。通過計算，可以得出扭轉(zhuǎn)剛度為2000÷0.221=9049.8N·m/（o）。彎曲剛度Kb的計算公式是F/S。F代表彎曲載荷為6665N；S代表最大變形為0.413mm。通過計算，可以得出彎曲剛度為6665÷0.413=16138N/mm。從表一中可以發(fā)現(xiàn)，該型號純電動汽車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度都沒有達到目標(biāo)要求，明顯小于燃油車的水平。

4 純電動汽車白車身剛度優(yōu)化設(shè)計

4.1 純電動車白車身剛度弱化的原因

純電動車將燃油車作為變形基礎(chǔ)，將某型號純電動汽車作為例子對比分析其變動的結(jié)構(gòu)，從而找到剛度性能出現(xiàn)弱化的原因。在圖1a圖中，展示了某型號基礎(chǔ)燃油車的下車體骨架結(jié)構(gòu)和動力電池的匹配狀態(tài)，電池就被布置在圖中長方形的線框中。從圖1、圖2中可以看出來某型號基礎(chǔ)燃油車的下車體結(jié)構(gòu)主要在四個位置上和純電動車的下車體結(jié)構(gòu)有差別，即前座椅前橫梁、前座椅后橫梁、后地板骨架橫梁和中央通道。

表1 純電動車和燃油車的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度

通過對比燃油車前座椅前橫梁的截面尺寸和純電動汽車前座椅前橫梁的截面尺寸，發(fā)現(xiàn)前座椅前橫梁和地板之間的閉合腔體截面積，某型號的純電動汽車要遠遠小于基礎(chǔ)燃油車。而前座椅后橫梁斷面與后地板骨架橫梁斷面也是如此，純電動汽車都要小于基礎(chǔ)燃油車。而圖1中的4、5中央通道，由于布置了電池，由原本的1062mm降低到了391mm。

某型號純電動車在下車體的電池位置沒有縱梁結(jié)構(gòu)，這主要是因為電池區(qū)域?qū)χ醒胪ǖ喇a(chǎn)生了階段。而純電動車的橫梁都要比傳統(tǒng)的燃油車弱，這主要是因為前座椅前后的橫梁和后地板骨架的橫梁斷面面積都大幅度縮小，導(dǎo)致強度變?nèi)酰姵厮诘奈恢贸霈F(xiàn)整體偏軟狀態(tài)。純電動車由于布置了電池而使下車體結(jié)構(gòu)性能被大幅度削弱，而電池所在位置的整體偏軟則造成純電動車白車身的剛度性能出現(xiàn)明顯降低。

4.2 優(yōu)化設(shè)計純電動汽車的白車身剛度

4.2.1 優(yōu)化設(shè)計電池布置區(qū)域下車體結(jié)構(gòu)的可能性

要想使純電動車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度有顯著提高，首先要優(yōu)化純電動車布置電池位置的下車體結(jié)構(gòu)。比如某型號的純電動汽車，純電動汽車為達到續(xù)駛里程的要求，無法縮小電池的空間尺寸。如圖3中的示意圖，是某型號純電動汽車動力電池和下車體的匹配狀態(tài)。在圖3中的示意圖中可以看出，前座椅前橫梁、前座椅后橫梁和后地板骨架橫梁的截面無法在縱向方向朝下增大，同時前座椅安裝在橫梁上表面，所以前座椅前橫梁和前座椅后橫梁沒有優(yōu)化的空間。而后地板骨架橫梁是后排所坐假人的大腿區(qū)域，如果在縱向往上增大，會減薄后排座椅的坐墊，影響人機。所以，純電動汽車由于在空間上受限，在布置電池的區(qū)域中，沒有加強梁結(jié)構(gòu)的空間，優(yōu)化設(shè)計只能考慮其他方面。

圖3 某型號純電動汽車動力電池和下車體的匹配狀態(tài)

4.2.2 優(yōu)化前減震器塔和后減震彈簧位置的可能性

為了對優(yōu)化方案進行分析，要研究CAE（計算機輔助工程）對剛度進行分析的工況。在對扭轉(zhuǎn)工況進行分析時，前減震器塔位置通過MPC對Z方向的自由度進行約束；而后減震彈簧的位置左右分別對X、Z方向和X、Y、Z向進行約束；前減震器塔位置施加上一個轉(zhuǎn)矩，其大小大概是2000N·m[3]。在對彎曲工況進行分析時，從X、Z向，XYZ向，Y、Z向和Z向約束固定前減震器塔和后減震彈簧位置。而在前懸中心位置和后懸中心位置都施加上1500N彎曲載荷。依據(jù)CAE（計算機輔助工程）對工況的分析，純電動汽車白車身支撐點是后減震彈簧和前減震器塔，在左右四個位置上。這四個位置都是直接的受力點，同時也是最大受力位置，并且也沒有位于布置電池的區(qū)域，所以可以先從者四個位置加強結(jié)構(gòu)。

4.2.3 具體優(yōu)化措施

分析某型號的純電動汽車，優(yōu)化車體右側(cè)兩個支撐點位置的結(jié)構(gòu)，在圖4中展示了某型號電動汽車右側(cè)兩個支撐點位置的局部結(jié)構(gòu)。在圖4中，圖a是前側(cè)支撐點，圖b是后側(cè)支撐點。1代表前減震器安裝板，2代表前輪罩，3代表后減震彈簧安裝底座，4代表后地板骨架縱梁。在某型號純電動汽車中，前減震器序號為1的安裝板，其材質(zhì)是B340LA，其材質(zhì)厚度大概是2.1毫米；序號2前輪罩的材質(zhì)是DC03，其材質(zhì)厚度大概是0.81毫米。在后減震彈簧中序號為3的安裝座其材質(zhì)是DC03，其材質(zhì)厚度大概是1.3毫米；序號為4的后地板骨架縱梁的材質(zhì)是B210P1，其材質(zhì)厚度大概是1.59毫米[4]。

圖4 某型號純電動汽車右側(cè)前后兩個支撐點位置的局部結(jié)構(gòu)

由于對純電動汽車白車身剛度造成影響的因素主要是材質(zhì)厚度，因此在優(yōu)化設(shè)計中，分別把前減震器序號1的安裝板材質(zhì)厚度改成2.5毫米，序號2的前輪罩材質(zhì)厚度改成2.5毫米，后減震彈簧序號3的底座材質(zhì)厚度改成1.8毫米，后地板骨架序號4的縱梁在內(nèi)部加裝一個加強板。加裝的加強板選用的材質(zhì)是B250P1，材質(zhì)的厚度大概是2毫米。

表2 純電動車扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度優(yōu)化前后對比

4.2.4 優(yōu)化設(shè)計后的效果

某型號的純電動汽車在優(yōu)化之后，改變了扭轉(zhuǎn)工況、扭轉(zhuǎn)角度和彎曲工況、彎曲位移，對扭轉(zhuǎn)后的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度進行計算，得出扭轉(zhuǎn)剛度是12146N·m/（o），其彎曲剛度是20094N·m/（o）。如表二的純電動車扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度優(yōu)化前后對比，在優(yōu)化設(shè)計之后，已經(jīng)能夠達到目標(biāo)值。

5 結(jié)語

純電動汽車的下車體由于要布置電池，導(dǎo)致整體出現(xiàn)偏軟，造成純電動汽車白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度都要比燃油車小。通過分析發(fā)現(xiàn)，無法在電池布置區(qū)域的下車體結(jié)構(gòu)中進行優(yōu)化，而對前減震器塔與后減震彈簧位置進行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計之后，加強了純電動汽車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，使其達到了目標(biāo)值。因此，對純電動汽車白車身剛度的優(yōu)化設(shè)計主要還是從前減震器塔與后減震彈簧著手，提高純電動汽車白車身的剛度，在實際生活中得到更加廣泛的應(yīng)用。