城市電動車的模塊化車身結構型式

【德】 M.Münster M.Schffer G.Kopp H.Friedrich

1 電動車研究平臺

當今的模塊化標準部件和平臺絕大多數是針對內燃機的動力驅動部件設計的。雖然為混合動力和純電動車提供了接口［1］，但是至今在整車設計和車身開發(fā)中并未引起普遍重視。德國航空和航天中心（DLR）在新一代車輛（NGC）項目框架內，以城市模塊化車輛（UMV）為例，進行方案開發(fā)和車身開發(fā)，并根據目前的趨勢，專門為電動車開發(fā)了一個研究平臺。

2 研究方法

圖1示出了從車輛方案確立直至UMV模塊化標準部件形式的整個流程模式，首先確定可定量描述車輛方案的參數，然后在方案中確定車輛的布置方案和設計尺寸并與整體設計相協調，為此建立了一種參數結構空間模型，得到各種不同的布置方案，并予以評價。

為了設計出最優(yōu)化的純電動車車身結構，需要在車身開發(fā)階段遞交有關的布置要求。借助于優(yōu)化的布置方案在整車層面上分析負荷來源。系統(tǒng)的車身模塊化標準部件和數據庫被應用于兩種車身結構方案［2］，緊接著在各種不同樣車上部分驗證并確認同一種方案，同時針對純電動車的碰撞情況設計車身。用于新型地板的柱樁碰撞被選擇作為樣車以驗證其負荷狀況，并在碰撞試驗裝置上進行試驗（圖1）。

圖1 從車輛方案確立直至UMV標準化部件形成的整個流程模式

3 城市模塊化車輛及其總體布置方案

UMV基本型／加長型是一種“2＋2”座位車輛，其長度約為3 600mm／4 000mm，高度為1 640mm，提供了良好的視野及符合人機工程學的上車高度。UMV的蓄電池容量約為38kW·h，無蓄電池的空車質量為680kg，載重質量為390kg時的行駛里程可達到約400km。基本型UMV的輪邊驅動功率為2×25 kW，在高速公路上的車速仍可達到140km／h（表1）。車廂的特點是座位可調節(jié)、可折疊、可旋轉，特別適合于城市車輛，因而能用于單人駕乘至整個家庭。基本型UMV的輔助系統(tǒng)足以支持全自動駕駛。載貨變型車還提供了多種車型方案，即在前排座位的后方采用合適的車身，標準型和加長型車型最多可運送容積達2 800L的貨物。這些載貨變型車最明顯的發(fā)展趨勢是需要達到SAE第五級全自主行駛的要求。它們提供了功能強大的研究平臺，在該平臺上可研究方案和結構方面的工作原理（圖2和圖3）。

表1 UMV基本型和加長型方案描述參數一覽表

4 車身結構開發(fā)

圖2 基本型UMV的布置

圖3 基本型UMV、加長型UMV、送貨型UMV、客運型UMV、貨運型UMV，以及模塊化地板模型

對于UMV改型車的車身開發(fā)要更詳細地加以說明。在開發(fā)車身時要借助于結構空間模型和所選的布置方案，在起步階段時就通過整車層面進行負荷試驗，并在結構模型上加載低頻負荷（圖4），同時在各種不同的條件下進行負荷分析，例如結構布置受限制、結構布置不受限制和無碰撞區(qū)域［3］。借助于負荷試驗、系統(tǒng)的車身方案模塊化標準部件和車身數據庫衍生出UMV車身。

圖4 基本型UMV的模型采用11個靜態(tài)和動態(tài)負荷，跟據路徑選取優(yōu)化結果

該結構的主要特點是由型材和結節(jié)組成的鋁強化框架結構并用作功能集成的剪切面及纖維加強塑料的表面構件（圖4）。橫梁和縱梁采用鋁型材，這些鋁型材不僅提供了長度的可變性和橫截面的適應性，而且還提供了集成其他功能的潛力。從車前部地板至后部地板的過渡則由結節(jié)來實現。這些結節(jié)結構提供了良好的可能性，能在該結構組件接口上集成盡可能多的功能及用作不同改型車的模塊化接口。首先在雙層地板和蓄電池盒內使用夾層結構，并將承載機械負荷與其他功能（例如絕緣、通風道、能量吸收）相結合。在橫梁與內部縱梁之間的側面碰撞范圍內，預先考慮采用新型的夾層方案來保護乘員和蓄電池。在圖4所介紹的UMV車身結構方案中，不僅有型材而且還存在典型的剪切區(qū)域。在基本型、加長型和載人型UMV改型車的情況下，因受設計限制而遭放棄的B柱，被集成在車門上。基本型UMV白車身的目標質量為182kg。

5 模塊化車身

由結節(jié)元件、直型材和夾層板組成的平臺有助于建造各種不同的改型車（圖4）。加長型UMV車型的地板模塊加長了400mm。包括B柱在內的整個車身后部結構使用了一種新型的長頂棚橫梁。因為車頂是可變的，因而必須適應其他的構件。短的UMV送貨車型在B柱中間的結構上采用了相同的接口，并從X坐標軸方向引向正后方（圖3）。UMV送貨車結構的后部由獨特的型材和過渡區(qū)的結節(jié)元件連接成后車。UMV送貨車型也被設計成具有400mm較大輪距的加長型，其中也必須調整焊裝用的后部車頂橫梁和頂板構件。

對于符合SAE第五級要求的車輛，這些結構方案包括了UMV客車和UMV貨車。用于市內運輸的UMV客車由前部車體、后部車體和上部結構組合而成，因此能開發(fā)出具有眾多通用件和成本千差萬別的改型車（圖4）。

6 以地板組件為例的驗證

UMV車身針對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)負荷（圖4）進行設計。UMV改型車的計算抗扭性能為32.860N·m／°，第一級扭轉自振頻率為48.4Hz。選擇柱樁碰撞試驗作為UMV的負荷狀況驗證方法，因為純電動車涉及到蓄電池的安全性，這種負荷狀況是較為苛刻的狀況之一。

在柱樁碰撞（圖5）試驗條件下，地板碰撞模塊的橫梁結構因發(fā)生皺褶凹陷而吸收了部分碰撞能量，緊接著將負荷分配到兩塊梯形夾層碰撞吸收板上，再通過梯形夾層板芯板的皺褶凹陷將約70%的能量轉化變形。梯形夾層碰撞吸收板被安裝在整個地板模塊上，以保護乘員和蓄電池。碰撞吸收板將負荷分配到構成蓄電池盒框架的內置縱梁，以及車輛地板和蓄電池盒之間的夾層板上。從整車碰撞計算得知Y坐標軸方向的碰撞嵌入深度小于182mm。

圖5 UMV柱樁碰撞方案

為了驗證設計和整車碰撞中的假設，在每個步驟中地板碰撞模塊都要在碰撞裝置上進行試驗（圖6），最初試驗帶和不帶周邊閉合型材的最小梯形吸收板（驗證等級1和2）布置在整個地板碰撞模塊上（驗證等級3）。

圖6 地板碰撞模塊的碰撞試驗

不帶周邊閉合型材的梯形吸收板在驗證等級1的部件層面上針對功能效率和能量吸收功能進行優(yōu)化［4］。在優(yōu)化中通過改變梯形板及其頂層的壁厚、梯形的角度和吸收板的厚度來實現，此外還可使用不同的鋁合金。梯形板的芯板部分與頂層用約0.3mm厚的粘合劑進行粘合。選擇梯形角α＝120°和1mm厚的EN-AW-5083鋁合金板用于驗證方案和模擬計算結果。

力-行程曲線圖（圖6）示出了梯形夾心吸收板的模擬計算曲線（黑線）和試驗曲線（紅線）。無論是模擬計算還是試驗，其曲線的力峰值均為84kN，其他的曲線段則呈現均勻的波紋曲線，其力的水平約為33kN（試驗）和36kN（模擬計算）。在驗證等級2中，因為梯形吸收板的邊緣不應該是敞開的，梯形周邊分別用邊緣封閉型材料固定并用螺釘擰緊。此時試驗與模擬計算的結果表明其具有良好的一致性，梯形吸收板的芯板部分也呈現出良好的皺褶形狀，而且還能進一步優(yōu)化。

在驗證等級3的過程中，對地板碰撞模塊的結構進行了數字模擬計算，并在真實的場景中進行試驗。為了改進樣品，有必要對橫梁進行一些調整，通過結構設計改善內部縱梁和蓄電池盒的柔韌性。在表示試驗過程的力-行程曲線圖（圖6）中，黑線表示模擬計算結果，力的峰值約為242kN，碰撞嵌入深度約為153 mm，而在實際試驗中力的最大值為237kN，碰撞嵌入深度約為1 566mm。力-行程曲線圖顯示出柱樁被柔韌地嵌入凹陷橫梁，緊接著力逐漸增大，在兩塊梯形吸收板凹陷時會出現凸臺。在該條件下，試驗與模擬計算結果之間的偏差是最小的，并且可用邊界條件來解釋，因此碰撞能量吸收方案成功地證實了其作用原理。

7 展望

UMV車身將針對前車體、后車體和新型車門等方案進行進一步的開發(fā)。各種不同的改型車也要進行進一步細化設計，并針對所選擇的碰撞負荷來確定尺寸。而對于UMV基本方案，例如蓄電池盒等部件仍有待驗證確認。此外，其中某一款車型將作為示范車型來制造。