某新能源純電動汽車前艙設計概述

范健 和麗梅 謝貴山 許冰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】新能源電動汽車目前正蓬勃發(fā)展，各汽車廠家競相開發(fā)款式多樣、定位不一、功能各異的電動汽車，以滿足需求日益多樣化的消費市場。文章以一款新能源純電動汽車前艙的設計過程為例，著重介紹純電動汽車前艙的功能組成、設計流程、設計要點、四大工藝檢查、仿真分析及驗證過程，舉一反三，旨在使設計人員體會汽車相關部件設計的精髓，掌握設計要領，理清設計思路，對新的設計者尤其具有指導意義，對資深工程師亦有一定的參考意義。

【關鍵詞】新能源；純電動汽車；前艙；性能

【中圖分類號】U469.72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0041-04

1 純電動汽車的特點及發(fā)展前景

純電動汽車動力系統(tǒng)主要由動力蓄電池、驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)組成，全部采用電力驅(qū)動，不消耗燃油，具有零排放、噪聲小、結構簡單、維護較少的特點。在日益關注節(jié)能環(huán)保的今天，包括電動汽車在內(nèi)的新能源汽車正受到消費者越來越多的青睞，國家為支持電動汽車等新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展出臺了財政補貼等多項政策，大力推動電動汽車的發(fā)展。近幾年，電動汽車以遠高于常規(guī)能源汽車的速度增長，各車企紛紛加入其中，推動了電動汽車向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虬l(fā)展，大大提高了該領域技術的成熟度。電動汽車正逐步進入人們的日常生活，成為方便人們出行、改變?nèi)藗兩罘绞降囊环N便捷的交通工具。

純電動汽車目前多以輕巧為主，續(xù)航里程一般在100～250 km，結構緊湊，外形富于動感，大量采用新工藝、新結構、新材料，非常迎合消費者個性化的需求。本文以上汽通用五菱汽車股份有限公司自主開發(fā)的一款小型純電動汽車前艙的開發(fā)過程為例，介紹一些設計心得，總結經(jīng)驗，以期提高設計人員的技術水平。

2 前艙的功能及組成

前艙，也叫發(fā)動機艙，位于汽車前部，其功能是為整車的動力系統(tǒng)及其相關子系統(tǒng)提供安裝空間，同時具有吸收和傳遞碰撞能量的功能。前艙系統(tǒng)最基本的功能是實現(xiàn)整車的布置功能和保障整車的性能要求。布置功能是指為汽車主要總成或分總成提供定位和安裝空間（如發(fā)動機、變速箱、水箱和電瓶等），整車性能要求是指前艙系統(tǒng)與車身結構的其他系統(tǒng)共同組成完整的籠形車身骨架，為實現(xiàn)整車的碰撞要求、結構剛度和為模態(tài)提供結構支撐。前艙系統(tǒng)是車身結構最重要的組成部分，一個好的前艙架構應是在滿足安全、結構性能的前提下盡可能地通用不同發(fā)動機的安裝點并保持良好的安裝和拆卸空間。

前艙系統(tǒng)由主大梁系統(tǒng)、前輪罩系統(tǒng)、水箱框架系統(tǒng)、前圍板總成、上安裝板（或前延伸板）總成等組成（如圖1所示）。本電動車中，由于沒有發(fā)動機，前艙布置與傳統(tǒng)車有所區(qū)別，增加前橫梁總成、車載充電機支架合件2個總成。本車前艙主要用于安裝布置電動機及其變速器、DC/DC、車載充電機、高壓配電箱、電機控制器、蓄電池、真空泵、水壺、碳罐、充電座、冷凝器、真空助力器、前大燈、喇叭、行人報警裝置等。這些部件布置在不同的位置，設計側重點不同，設計人員必須充分注意。

主大梁系統(tǒng)：它是最主要的受力部件，首要設計問題就是要滿足正碰法規(guī)要求。一般由主大梁內(nèi)板、外板、副車架支撐加強板、電瓶托盤、副車架連接板、大梁斜撐、大梁延伸板和橫梁等組成。

前輪罩系統(tǒng)：作為前懸的固定點，其設計關鍵點是滿足動剛度要求，保持與前懸、輪胎包絡合理的間隙，輪罩外板與外板加強板須注意碰撞力的傳遞路徑，滿足碰撞要求。主要由輪罩板、輪罩支撐板、輪罩前延伸板、前橫梁支架合件、水壺支架合件和其他相關支架等組成。

水箱框架系統(tǒng)：它是各部件的集大成安裝者，冷凝器、發(fā)罩、前格柵、前大燈、喇叭、行人報警裝置、前保、翼子板、車載充電機、高壓配電箱、電機控制器等都裝在它的上面，因此對它的強度、剛度要求比較高。主要由水箱下橫梁、水箱上橫梁、水箱左右立柱和發(fā)動機罩鎖支架、充電座支架、前格柵支架等組成。

前圍板總成：用于分隔乘員艙和前艙（發(fā)動機艙），安裝零件眾多，要求具有良好的隔音、密封性能，是重要的車身部件。前圍板結構分為整體式和分塊式，本電動車采用的是整體式結構。

上安裝板總成：一般與下安裝板組合，最主要的功能是起到流水槽的作用，也為前擋玻璃、雨刮、外飾、發(fā)罩、前大燈等部件提供安裝面或點。本車由于零件選配上的考慮，所以沒有設置下安裝板結構。

前橫梁總成、車載充電機支架合件：因本電動車無發(fā)動機，所以它為布置車載充電機、高壓配電箱、電機控制器而額外增加的結構，起支撐固定作用。

3 前艙設計流程

按照各區(qū)域輸入進行零件的設計工作流程簡單描述如圖2所示。

開發(fā)前，需要充分收集以往各車型曾經(jīng)出現(xiàn)過的失效模式，吸取教訓，以免重犯。開發(fā)過程中，必須要求上游接口區(qū)域提供ICD等文件，ICD應盡可能地詳盡，最好把位置、公差、間隙大小及性能要求（如剛度、模態(tài)等）寫清楚。

4 前艙各系統(tǒng)開發(fā)設計的關鍵性能指標

主大梁系統(tǒng)：前縱梁的設計有其設計規(guī)范，在此不做具體介紹。除滿足正面碰撞要求外，主大梁還安裝有副車架、蓄電池、DC/DC、碳罐等。副車架安裝電動機與變速箱、擺臂。電動機安裝點動剛度要求大于1 000 N/mm，擺臂接附點動剛度要求大于4 000 N/mm。蓄電池局部模態(tài)要求大于30 Hz，且盡可能地向后布置，有利于碰撞時前縱梁變形充分和增大前縱梁所吸收的碰撞能量，以免蓄電池受到撞擊引起爆炸。DC/DC、碳罐要求與蓄電池類似，位置可稍為靈活。

前輪罩系統(tǒng)：前懸安裝點動剛度要求大于4 000 N/mm，靜剛度一般不校核，與前懸包絡的最小間隙不小于15 mm，與輪胎包絡不小于10 mm，尖銳處不小于15 mm。輪罩支撐板的材料選用高強度鋼，且材料厚度要比較厚。根據(jù)以往經(jīng)驗，輪罩與主大梁搭接處較容易開裂，設計時要注意，必要時需增加加強板等結構。

水箱框架系統(tǒng)：正如前述，水箱框架系統(tǒng)安裝部件較多，但各部件性能要求卻不盡相同，為滿足性能要求，常增加加強板甚至整個上彎梁形成腔體結構。關鍵設計點如下：{1}發(fā)罩固定點，靜剛度要求大于600 N/mm；{2}安裝在其上的零件模態(tài)要求大于30 Hz。

前圍板總成：前圍板是整車的迎風面，對整車的NVH貢獻較大。設計中除要注意滿足整車的扭轉剛度外，還要滿足局部模態(tài)，這個局部模態(tài)不能太小，具體看性能要求或?qū)藬?shù)據(jù)。前圍板安裝了兩大重要部件：真空助力器（包括三踏）與空調(diào)。真空助力器安裝處加強板區(qū)域重點是剛度好，一般沒有明確定義，以對標車值為參考，按優(yōu)于對標車數(shù)據(jù)或與其相當設計。其他各個零件的模態(tài)至少要求大于30 Hz，通常在40 Hz以上。

上安裝板總成：密封要好，流水要盡可能地順暢，前大燈、雨刮安裝點的剛度要足，靜剛度要求大于300 N/mm。注意工人或用戶日常維護空間，前大燈調(diào)焦口、助力器制動液加注口滿足相關設備操作空間要求。本上安裝板還設計有一個重要功能，即打碼面，要求如下：{1}圖紙標注打碼面尺寸，打碼面最小平面要求為140 mm×38 mm；{2}VIN碼面要求無拉痕、拉傷、沖擊線、起皺等零件表面質(zhì)量缺陷。

前橫梁總成、車載充電機支架合件：安裝在其上的車載充電機、高壓配電箱、電機控制器的模態(tài)要求大于30 Hz。由于這些零件較重，且懸在空中，模態(tài)不易滿足，本車采取前后橫梁、上彎梁、充電機支架加厚板材板厚，并在連接處增加加強板等措施。

以上所有零件都必須進行強度校核，其最大應力一般要求小于屈服強度的80%，以留有足夠的安全裕度。

除零件設計外，還要注重焊點設計、涂膠設計、密封設計。

對焊點設計，可參考以下一般規(guī)則：前車架前部焊點間距為40～50 mm，安碰區(qū)域；前后地板搭接處為60～70 mm；車架與橫梁搭接處為60～70 mm；下車體散件（護板、門檻等）與地板搭接處為60 mm左右；頂蓋與側圍總成搭接處為50～60 mm，A＼B＼C＼D柱關鍵接頭搭接處焊點適當加密；門框圓角處焊點為30～40 mm，尤其是B＼C柱上下角易開裂處，直線段為50～60 mm；上車體與下車體搭接處為50～60 mm。

涂膠：輪罩周圍與大梁底部涂UBC防石擊膠，連接邊參考其他車型涂白膠或焊縫密封膠。

5 CAE分析及四大工藝檢查

本項目設計過程中，采用聯(lián)合開發(fā)的模式進行設計，即各部門包括ME等相關人員集中在一起，打破部門藩籬，共同討論快速解決問題。聯(lián)合開發(fā)小組中，也可以邀請供應商的人員參與。

檢查主要有以下5項。

計算機仿真CAE分析：采用仿真軟件分析各零件是否符合對應的性能要求，對不符合的，需要改進結構甚至采取增加加強板等措施優(yōu)化設計，直至滿足為止。動剛度分析如圖3所示。

分析結論及建議：電機懸置安裝點個別頻率下的動剛度稍低于目標值1 000 N/mm；前懸左、右擺臂前安裝點在125 Hz、160 Hz處動剛度低于目標值4 000 N/mm。

根據(jù)分析結果，優(yōu)化設計，直至滿足性能指標。

汽車有四大工藝：沖壓、焊接、涂裝、總裝。四大工藝提供各自的工藝要求，設計必須滿足。設計當中，四大工藝工程師會不間斷地從各自的專業(yè)領域?qū)?shù)模進行檢查，并反饋給工程師。

沖壓檢查：指采用沖壓分析軟件模擬沖壓成型過程，對零件因沖壓開裂、起皺、減薄等具有較為準確的參考結果，再結合工程師的豐富經(jīng)驗判斷，沖壓問題絕大多數(shù)可以在設計階段得到解決。

焊接檢查：模擬焊接設備操作過程，從人機工程角度分析焊接通道、焊接空間、焊接邊尺寸等是否能夠滿足工藝要求。

涂裝檢查：著重是檢查涂膠邊、排氣孔、漏液孔，從人機工程角度分析涂膠操作方便性。需要注意型面在最低點開漏液孔，腔體在最高處開排氣孔，周圍物體要遠離涂膠邊一定距離，以便人工操作及防止膠污染。孔最后需要堵塞密封。

裝配檢查：要求各部件拆卸方便、維修快捷，同樣需要裝配工程師進行模擬裝配。

6 驗證

理論設計完成以后，最終需要通過實踐來檢驗，理論設計不可能完全杜絕所有問題，仿真分析也不可能達到100%的準確度。

造車驗證：一般需要提供全工裝零件按照批量生產(chǎn)工藝造車，驗證生產(chǎn)線及零件裝配搭接問題，在實際生產(chǎn)制造中驗證白車身的工藝。由于進度節(jié)點問題，零件也可以由軟?；虬牍ぱb生產(chǎn)出來，零件狀態(tài)稍差。

碰撞、拉力試驗：涉及公告法規(guī)問題，在國家專門的車輛實驗室進行，而且必須通過。

可靠性道路試：一般認為整車完成4萬km（含2.6萬km壞路）可靠性道路試驗后，白車身沒有明顯開裂失效現(xiàn)象，即認為白車身結構強度滿足疲勞耐久要求。純電動車路試有所降低，整車只需完成1.8萬km（含1.0萬km壞路）試驗。

實踐證明，本車前艙經(jīng)以上驗證，也出現(xiàn)了一些問題，如焊接邊過小容易產(chǎn)生邊緣焊、工裝定位不好等，經(jīng)解決后都符合預期目標，達到量產(chǎn)條件，為新能源汽車的上市鋪平了道路。

7 新能源電動汽車前艙設計體會

作為上汽通用五菱汽車股份公司的第一款純電動汽車，事前大家都沒有這方面的設計經(jīng)驗，主要依靠的是傳統(tǒng)車的設計經(jīng)驗，以及對對標車的分析。對大量出現(xiàn)的四新（新材料、新結構、新工藝、新供應商）零件，我們牢牢抓住性能這一底線，不放松設計要求，大膽創(chuàng)新，不管其結構如何改變，但性能要求是不變的。

撰寫本文的目的，就是通過介紹一款純電動車的前艙設計過程，讓讀者了解汽車前艙設計流程、設計要點、設計檢查與驗證。當然，設計當中還涉及很多的專業(yè)知識，在這里不能一一說明?？傊?，希望提高技術人員車身開發(fā)能力，為中國汽車的發(fā)展貢獻微薄之力。

參 考 文 獻

[1]王文偉，畢榮華.電動汽車技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]謝貴山.乘用車前隔板總成零件設計開發(fā)概述[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012（7）：39-41.

[3]高鍵鎰，查三妹.某乘用車前地板的結構設計改進[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012（15）：78-80.

[責任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】范健，男，廣西玉林人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：車身下車體相關產(chǎn)品的結構；和麗梅，女，云南麗江人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司主任工程師，研究方向：車身下車體相關產(chǎn)品的結構；謝貴山，男，廣西賓陽人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司車體執(zhí)行經(jīng)理，研究方向：車身相關產(chǎn)品的結構；許冰，男，廣西賓陽人，研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司車體工程經(jīng)理，研究方向：車身相關產(chǎn)品的結構。