機艙三電托架結構設計優化

華西娟，徒高橋

（陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

引言

和傳統燃油車相比，電動汽車有更多涉及控制及電器方面的零件，如電機、電機控制器、高壓保險盒、DCDC、充電機、蓄電池等。前艙是電動汽車高壓零部件集中的地方，其在前艙中布置的各種高低壓零部件，均要求車身提供可靠的安裝固定結構。

1 設計要點

1.1 機艙三電骨架基本結構

現在常見的結構形式為，在左右縱梁上布置2根橫梁，根據電機控制器、充電機、蓄電池、DCDC、三合一等零部件的整車布置位置，在兩根橫梁上設計安裝點或增加小支架。

設計要求：

a）滿足汽車總布置的要求；

b）滿足三電系統等相關零件的安裝要求；

c）滿足四大工藝要求，具有較好的工藝可行性；

d）滿足輕量化的分解目標。

具體設計需結合CAE模態、剛度、強度等性能的分析結果及整車成本、整車輕量化的要求。

圖1

1.2 結構布置說明

上圖結構的機艙三電托架布置于為半承載式車身中地板處，即駕駛員及副駕駛座下部區域。有效利用座椅下部空間用于布置充電機、DCDC、蓄電池、高壓配電盒等電動車電器零部件。

1.3 設計選材

布置于左右縱梁之間的兩根主橫梁采用U型結構，根據托架上布置零部件的重量、結構，定義前后主橫梁材料為DC01/SPCC 1.5mm。

1.4 與車身骨架的固定方式

將上圖結構的機艙托架焊接于車架左右縱梁處，有利于將力傳遞至縱梁。機艙三電托架采用焊接形式固定于車架上。

圖2

1.5 原結構缺陷分析

在開發完成后進行試裝路試后進入批量裝車狀態。經后續市場反饋及車型優化需求，發現此結構機艙托架因前后橫梁為開口結構，剛性較差，同時因空調壓縮機為高頻振動件，NVH較差。

1.6 原三電托架總成CAE分析

對目前空調壓縮機在機艙托架總成上的裝配方式均進行CAE分析，模態和強度結果分別如下圖3和圖4所示：

圖3 模態分析結果

圖4 強度分析結果

表1 模態分析結果匯總表

表2 強度分析結果匯總表

壓縮機工作情況：

1）T室內＞28℃時，轉速為3200rpm，PWM輸出電壓：9～10V；

2）26℃≤T室內≤28℃時，轉速為2300 rpm，PWM輸出電壓：5～6V；

3）T室內＜26℃時，轉速為1440rpm，PWM輸出電壓：1～2V。

分析結果：因機艙托架主橫梁結構剛性較差，在空調壓縮機工作狀態下三電托架總成發生共振現象，NVH性能差；三電托架縱向和垂向工況最大應力均超過屈服強度，失效風險較高。

2 優化設計步驟

2.1 結構斷面優化

機艙三電托架前后主橫梁進行結構優化，由原來U型開口截面更改為封閉腔體結構，有效提高托架總成剛度。

圖5 主橫梁截面

圖6 優化后主橫梁截面

2.2 主橫梁上各部件固定點優化

根據機艙三電托架上安裝零部件的升級換代及主橫梁剛度提升改善，最終優化后的三電托架總成，將零部件安裝點盡可能布置于主橫梁上，再根據總布置需求將不能安裝于主橫梁上的零部件，設計過渡結構間接固定于主橫梁上。

2.3 材料優化

減薄原結構前后橫梁材料厚度，通過結構斷面有效提升機艙托架主體剛性，達到提升性能降重目標，同時有效節約原材料成本。

表3 橫梁材料及料厚

2.4 結構后三電托架總成

圖7 三電托架總成

2.5 與車身的固定形式優化

原結構三電托架總成與車架進行焊接，因三電托架總成尺寸較大，批量操作困難。為改善機艙橫梁的工藝性，本次橫梁采用螺接的固定方式減少二氧化碳保護焊的人工操作，具體方式為在小工位上向縱梁上蓋板上設計安裝支座，保證機艙橫梁的有效固定，經CAE工程師分析該小支座承受橫梁上所有的質量，在一定載荷下該支座受力較大，最大應力超過材料的屈服強度，建議提高材料牌號，經綜合分析得出該支座可選用T=2.0mm的340/590DP。

圖8 原固定形式

圖9 新固定形式

2.6 對優化后三電托架總成進行CAE剛度模態分析

圖10 三電托架有限元模型

圖11 模態分析結果

表4 模態分析結果匯總

圖12 強度分析結果

表5 強度分析結果匯總

3 結論

結合CAE分析，對原結構電動車三電托架進行材料、結構斷面優化后，空調壓縮機共振現象消除，同時強度風險有效降低，優化后的托架采用螺接結構固定于車身縱梁上，后續售后更換更方便。鋁合金結構與鋼結構的機艙托架總成相比，鋁合金結構的機艙托架總成較輕，滿足了車身輕量化的目標，零件可以整體沖壓成型，工藝性更好實現，這種結構已成為后續發展的趨勢。