電動汽車電機懸置框架的安全性能和輕量化研究

張霖 吳磊 韋文杰 李武泉

摘要：針對電動汽車電機懸置及其框架結構，從懸置的布置、框架的結構、框架裝載的電器件等方面研究了懸置框架的設計方法;對框架結構進行整車碰撞分析，評估懸置框架的安全性能。為了實現輕量化的目的，將懸置框架的材料改為鋁合金，并對結構進行優化;碰撞分析結果表明：鋁合金材料框架滿足碰撞要求，重量可減輕2.8kg。

關鍵詞：懸置框架;電動汽車安全;鋁合金;輕量化

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0024-02

0? 引言

電動汽車電驅動系統的尺寸邊界和重量比內燃機動力總成要小。兩種汽車類型的懸置，在布置和結構形式上，與燃油車存在明顯的差異。某SUV電動車采用非全框式副車架，其驅動電機與前縱梁的空間間隙較大，無法將左、右懸置直接安裝在左右側前縱梁上。因此，需要設計懸置框架來裝載電機和電器設備。懸置框架作為關鍵的承載部件，在機艙中占據重要的位置，因此有必要對其安全性能進行研究。

本文研究了電動汽車懸置框架的布置和結構設計方法，對懸置框架進行建模，開展整車碰撞仿真分析評估安全性能，并對上掛式懸置框架結構開展輕量化設計，優化鋁合金框架的性能。

1? 電機懸置框架的設計

1.1 懸置布置形式

電動汽車電驅動系統總成采用三點式懸置。圖1所示的是下托式和上掛式兩種懸置布置方式。下托式的懸置橫梁在電機前方，與前縱梁下端面通過螺栓連接。前方兩個懸置通過懸置支架安裝在懸置橫梁上;后懸置通過懸置支架安裝在副車架上方。下托式的三個懸置點都承受Z向力。由于懸置橫梁在實際道路工況中受力較大，因此對懸置橫梁的左右側安裝點的強度要求比較高。

上掛式將電機通過左、右懸置掛載到一個懸置框架上，懸置框架再安裝到前縱梁的上端面。上掛式的左、右側懸置主要起到承載作用;后懸置采用嵌入方式安裝在前副車架的上、下蓋板中間，起到Y向抗扭作用。由于上掛式通過懸置框架裝配在前縱梁上方，承載效果優于下托式。

1.2 框架結構設計

上掛式懸置框架由兩根橫梁和5根小縱梁相互焊接構成。框架橫梁的厚度為2.0mm，材料為45#型鋼，框架整體重量為7kg。在橫梁上焊接有一排小套筒，電器件可通過安裝支架和套筒裝配在框架上方。

懸置框架前、后橫梁的跨度設計應控制在300～350mm范圍內。通常在縱梁后段需要設計碰撞折彎點。因此，懸置框架后橫梁的布置位置必須在折彎點之前，避免影響縱梁后段的正常變形模式。

1.3 電器和線束布置

懸置框架上裝載的電器件主要有：三合一控制器、蓄電池、PTC、冷凝器等。電器件的相對位置如圖2所示。懸置框架、電器件及線束對碰撞安全和熱防護有重要影響，在前期開發過程中應重點校核其空間布置，確保足夠的安全間隙。

根據某SUV電動車的安全性研究，可參考以下設計方法進行電器件的布置。

①電機、框架及電器件的前端與風扇之間的最小間隙（X向）≥250mm。

②框架上電器件的整體質量分配應盡可能均勻，避免左右側重量差異過大。

③散熱量大的部件盡可能布置在前端迎風位置;剛性和體積較大的部件，盡可能布置在框架的前端或右側，避免與電動助力泵在相同的XZ平面上;電器部件之間的最小間隙≥15mm。

④線束之間走向應整齊有序，避免相互交叉、纏繞;水路、高壓線束和蓄電池線束必須避免在碰撞擠壓區內，防止碰撞過程出現起火現象。

2? 安全性能仿真分析

2.1 碰撞安全性能

電動車的碰撞安全性能包括兩個方面：一是車身耐撞性，考察加速度波形、侵入量和變形模式;二是電安全，考察高壓線束、蓄電池、動力電池等受擠壓后的短路起火風險。

根據2021版C-NCAP評價規程的MPDB碰撞試驗工況進行CAE仿真分析，兩車以50%的重疊率和50km/h的速度相對運動并發生碰撞。

2.2 方案結果及討論

2.2.1 上掛式和下托式懸置方案

上掛式電機懸置框架結構的碰撞性能有兩方面優勢。一是增大了縱梁壓潰吸能空間，可以有效降低加速度峰值和改善碰撞波形;二是前縱梁和機艙的結構硬點往后移，有利于降低車輛對壁障的攻擊性，壁障相容性罰分得到明顯改善。高壓線束的擠壓變形結果如圖3所示。下托式方案的高壓線束被后懸置擠壓嚴重;上掛式方案的后懸置內嵌入副車架中，可以避免擠壓電機后方的高壓線束，提升了電安全性。上掛式方案的副車架后連接點受力和變形相對小，可以避免副車架后端沖擊動力電池。

2.2.2 框架橫梁跨度的影響

橫梁跨距420mm和300mm方案的縱梁壓潰效果如圖4所示。跨度420方案的縱梁前段壓潰不夠充分。通過調整懸置框架橫梁的跨距，可以使前縱梁獲得更多的壓潰空間，從而減小縱梁上翹，同時縱梁變形壓潰更充分。

綜合以上結果可知，上掛式的框架方案和300mm的橫梁跨度方案是較優的設計。

3? 輕量化設計

3.1 鋁合金框架設計

基于輕量化的考慮，將框架的材料由型鋼材料改成鋁合金材料。由于框架橫梁的截面尺寸小，并且中間鑲嵌的套管起到加強作用，因此橫梁采用簡單的口字型截面。框架的材料使用6系6082牌號，橫梁與小縱梁采用MIG縫焊連接。為了達到與型鋼材料等效的安全性能，需要進行多輪迭代計算來優化橫梁和小縱梁的厚度組合，以及對截面結構進行微調整。

3.2 碰撞安全性

在鋁合金材料擠壓成形的實際應用中，小截面橫梁的厚度常用范圍為2.0mm至3.5mm之間。因此，結合碰撞和強度方面的需求，設計了四組常用的厚度組合方案。通過MPDB工況的前圍板侵入量、CCB橫梁侵入量、B柱加速度等整車級結果，評價鋁合金框架的碰撞性能。厚度組合方案的分析結果如表1所示。

從分析結果來看，方案四（前、后橫梁厚度3.4mm，小縱梁厚度3.2mm）的侵入量和壁障罰分是最優的組合。方案四的整車加速度為34.1g;發動機艙變形如圖5所示，吸能盒正常潰縮;左前縱梁前段壓潰良好，后段在折彎點處折彎變形;框架上的電器件與周邊無明顯擠壓，蓄電池和線束無起火風險。經過優化后的鋁合金框架整體重量為4.2kg，重量較鋼質材料減輕了2.8kg。

4? 結論

本文研究了某SUV電動汽車電機懸置框架的結構和布置設計，并通過CAE分析進行設計優化，提高安全性和實現輕量化。①上掛式的左右懸置和嵌入式后懸置的布置方式對MPDB的電安全性改善明顯;框架橫梁的跨度建議在300mm左右，減小跨度可增加縱梁的壓潰吸能空間，有利于縱梁壓潰變形。②鋁合金材料框架的MPDB碰撞性能優于型鋼材料框架，并且鋁合金框架的整體重量減輕了2.8kg，輕量化效果顯著。

參考文獻：

[1]王德平，張天強.電動汽車安全性設計[M].北京：機械工業出版社，2020.

[2]《電動汽車工程手冊》編委會.第一卷，純電動汽車整車設計[M].北京：機械工業出版社，2019.

[3]胡敬豪.電動汽車懸置系統的設計方法與試驗研究[D].華南理工大學，2020.