某電動(dòng)車型的后車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇振　龐慶　唐春柳

【摘 要】隨著近年來燃油汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，由此帶來的能源緊張與環(huán)境污染問題日益凸顯，向電動(dòng)車轉(zhuǎn)型是全世界的趨勢(shì)，各傳統(tǒng)汽車廠家都在著手研究新能源汽車。新能源汽車對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。文章介紹了一種新的電動(dòng)汽車的后車架結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足動(dòng)力電池的承載要求，還能給予電池提供組夠的安裝空間及避蕩空間，保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;車架結(jié)構(gòu);電池保護(hù)

【中圖分類號(hào)】U463.32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）04-0051-02

0 引言

近年來，世界主要的汽車強(qiáng)國紛紛表示要將新能源汽車提升至國家戰(zhàn)略，更是提出了“禁止銷售燃油汽車時(shí)間表”，同時(shí)采取了一些限行措施。我國也在主動(dòng)、積極、系統(tǒng)地推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。基于新能源汽車結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)汽車車架的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。新能源汽車的碰撞性能需要滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，包括《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》《電動(dòng)汽車安全要求》《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》等。車架是汽車的主要承載、受力部件，其功能類似于人體骨骼，如果人體沒有完整的骨骼系統(tǒng)，就不能完成正常的運(yùn)動(dòng)。汽車車架不僅是汽車各個(gè)部分連接的節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)框架，更是承受載荷的基礎(chǔ)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度直接關(guān)系著汽車的被動(dòng)安全保護(hù)裝置、電池部件保護(hù)位置、乘員的安全性保護(hù)等方面。

本文基于某車型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種電動(dòng)車后車架組件，通過將左后大梁和右后大梁延長(zhǎng)設(shè)計(jì)，半包圍電池，這種設(shè)計(jì)給予電池提供足夠的安裝空間及避蕩空間，保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。

1 背景

目前電動(dòng)汽車后車架通常由左后大梁焊合件、右后大梁焊合件、后地板橫梁焊合件、后端梁總成等零件構(gòu)成。橫梁焊合件前面的空間用于布置動(dòng)力電池，后面的空間為碰撞緩沖吸能區(qū)域，動(dòng)力電池的安裝固定于后大梁焊合件上，一般左右各兩個(gè)安裝點(diǎn)（如圖1所示）。

1.1 CAE分析加載條件

整車碰撞有限元分析模型基于零部件網(wǎng)格的劃分、材料模型的選擇、各部件連接方式的定義及邊界條件等，同時(shí)參考《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》（GB 20072—2006）的工況進(jìn)行設(shè)定，評(píng)估動(dòng)力電池包碰撞后是否存在風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)汽車總質(zhì)量設(shè)定為600 kg，碰撞速度設(shè)定為50 km/h。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

{1}碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，動(dòng)力電池包不應(yīng)發(fā)生爆炸、起火。②碰撞結(jié)束30 min內(nèi)，不應(yīng)有電解液從REESS（車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）中溢出到乘員倉，不應(yīng)有超過5.0 L的電解液從REESS中溢出。{3}為了防止直接接觸高壓帶電部位，碰撞后的車輛應(yīng)該有IPXXB級(jí)別的物理防護(hù)。此外，為了防止間接接觸的觸電傷害，用大于0.2 A的電流進(jìn)行測(cè)量，所有外露的可導(dǎo)電部件與電平臺(tái)之間的電阻應(yīng)低于0.1 Ω。

1.3 分析結(jié)果

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》（GB 20072）的工況進(jìn)行設(shè)定，碰撞速度為50 km/h的條件進(jìn)行后碰仿真分析，結(jié)果不能滿足要求（如圖2所示）。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在以下問題：①后大梁焊合件出現(xiàn)較大折彎，碰撞后，后端空間僅剩約180 mm，沒有足夠的空間布置選裝電池。②汽車后輪前移位移量較大，后懸掛整體移動(dòng)，后懸安裝支座撞擊到動(dòng)力電池包，電池包出現(xiàn)較大變形，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。③動(dòng)力電池固定安裝支架最大塑性應(yīng)變?yōu)?.172，存在一定的撕裂風(fēng)險(xiǎn)。④碰撞過程中，動(dòng)力電池包安裝螺栓受到最大應(yīng)力為21.4 kN的軸向拉力、25.5 kN的剪切力，存在電池包安裝螺栓失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2 原因分析

碰撞區(qū)域主要分成吸能變形、抵抗變形區(qū)域。在高速碰撞中，通過合理的壓潰變形來充分吸收碰撞能量，減少碰撞能量向后傳遞到乘員倉，減小成員倉的變形，保護(hù)車內(nèi)成員的安全。同時(shí)，在動(dòng)力電池安裝位置、副車架安裝位置抵抗變形，以保護(hù)動(dòng)力電池安全。在通過對(duì)CAE分析結(jié)果進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)模擬數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)深入分析，我們認(rèn)為后車架碰撞性能不滿足的原因有以下幾點(diǎn)：①該后車架結(jié)構(gòu)具體為左、右門檻內(nèi)板后加強(qiáng)板側(cè)面與大梁點(diǎn)焊連接，橫梁焊于大梁側(cè)面，搭接處大梁與橫梁均為簡(jiǎn)單的單層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度嚴(yán)重不足。②車架結(jié)構(gòu)布置不合理，受力傳遞路徑和碰撞吸能區(qū)域都不是很理想，后大梁焊合件吸能變形區(qū)域過于靠前且變形不完全，副車架支座位置應(yīng)屬于不能變形區(qū)域，而設(shè)計(jì)上強(qiáng)度不足，碰撞產(chǎn)生了應(yīng)力變形，導(dǎo)致了副車架與動(dòng)力電池的撞擊。③電池支架為簡(jiǎn)單的“幾”字形支架，零件剛度不足，產(chǎn)生應(yīng)力變形。④電池安裝固定點(diǎn)作為碰撞受力敏感點(diǎn)，固定螺栓數(shù)量卻偏少，導(dǎo)致碰撞時(shí)應(yīng)力集中，螺栓損壞。

3 改進(jìn)方案

由之前的仿真分析可知，電動(dòng)汽車在受到后面碰撞時(shí)，由于吸能件不能把所有的碰撞能量全部吸收，所以導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)變形，還會(huì)將能量傳遞至周圍的連接部件。通過側(cè)面碰撞分析結(jié)果，應(yīng)以減少后大梁動(dòng)力電池安裝座位置變形、減少動(dòng)力電池安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)形變、降低后大梁尾端的侵入量和侵入速度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)整車結(jié)構(gòu)提出合理可行的優(yōu)化方案，再對(duì)優(yōu)化版的后車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，通過仿真分析結(jié)果，驗(yàn)證改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)是否能對(duì)乘員、動(dòng)力電池起到保護(hù)作用，滿足碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)，我們考慮到該車架所需滿足的沖壓工藝、焊接工藝及裝配工藝，以及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)所需的零件增加，重量增加引起的成本變更，本著以低成本、高效益的原則，最終制訂了以下方案：{1}為了優(yōu)化后車架整體碰撞應(yīng)力傳遞路徑，增加對(duì)于動(dòng)力電池的保護(hù)，增加末端大梁的能力變形吸收，加長(zhǎng)后大梁前端長(zhǎng)度和型面，調(diào)整大梁彎曲，將橫梁端頭改為喇叭狀，使車架形成兩圓弧相對(duì)的形式（虛線所示），前后開口比例約1.5∶1（如圖3所示）。{2}為了加強(qiáng)動(dòng)力電池包安裝點(diǎn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少大梁與橫梁搭接處受力變形，增加“Y”形接頭，將搭接處大梁與橫梁由單層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為成雙層結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以將后車架上動(dòng)力電池的安裝螺栓數(shù)量由4顆增加至8顆，降低電池的螺栓斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)（如圖4所示）。{3}為了讓后大梁末端更好地壓潰吸能，保護(hù)中部的動(dòng)力電池，將后大梁Z向截面設(shè)計(jì)為兩端小、中間大的漸變結(jié)構(gòu)，中間高度與兩端比值約2.5∶1（如圖5所示）。

4 方案分析驗(yàn)證

將優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)替換到初版設(shè)計(jì)模型中進(jìn)行計(jì)算，顯示優(yōu)化后的后車架結(jié)構(gòu)不僅給予電池提供足夠的安裝空間及避蕩空間，而且保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。此結(jié)構(gòu)經(jīng)過CAE分析，碰撞過程中鈑金最大塑性應(yīng)變?yōu)?.108，無風(fēng)險(xiǎn)，且動(dòng)力電池包沒有受到擠壓，整體沒有明顯變形，之后也通過了實(shí)車碰撞測(cè)試驗(yàn)證。

5 結(jié)論

此次對(duì)于后車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)變形、車身關(guān)鍵位置的變形速度、侵入量曲線及應(yīng)力傳遞路徑、能力吸收管理、車身結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，找出了初版結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的地方，對(duì)不滿足目標(biāo)項(xiàng)的結(jié)構(gòu)提出了更改意見，最終得到了滿足試驗(yàn)和性能要求的新結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)者來說，充分借助CAE分析軟件進(jìn)行理論分析，是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要手段。理論與實(shí)際相結(jié)合，有效地解決了設(shè)計(jì)中的問題，找到了結(jié)構(gòu)與成本的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而輸出更高質(zhì)量的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]林炳華.最新汽車使用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005.

[2]黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和流程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]何耀華.汽車試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]