基于側(cè)碰安全性的純電動(dòng)轎車地板構(gòu)架設(shè)計(jì)的研究

李仲奎

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢　430058）

基于側(cè)碰安全性的純電動(dòng)轎車地板構(gòu)架設(shè)計(jì)的研究

李仲奎

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430058）

為提升純電動(dòng)轎車在側(cè)面碰撞過程中對動(dòng)力電池和駕駛員的保護(hù)性能，對電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過對側(cè)碰過程中電動(dòng)汽車車身變形模式的分析，提出了對電動(dòng)汽車B柱結(jié)構(gòu)和地板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，根據(jù)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)了車身地板構(gòu)架結(jié)構(gòu)。通過仿真和試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的車身地板對電池和駕駛員都有較好的保護(hù)性能。

主題詞：純電動(dòng)轎車側(cè)面碰撞地板構(gòu)架性能

1　前言

目前，轎車基本上都采用不帶有車架的承載式車身［1］，車身底板主要由門檻梁、內(nèi)縱梁、座椅梁、地板橫梁和中通道連接形成地板構(gòu)架實(shí)現(xiàn)承載。純電動(dòng)轎車的動(dòng)力電池因體積大、互聯(lián)性要求高，多集中布置在車身底板下部位置，且由于動(dòng)力電池自身質(zhì)量大、易發(fā)生火災(zāi)事故等原因，在純電動(dòng)轎車開發(fā)過程中如何重新構(gòu)建地板構(gòu)架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對電池的可靠固定和對電池、駕駛員、乘員的有效保護(hù)成為車身設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［2］。為此，本文針對純電動(dòng)轎車的車身地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

2　純電動(dòng)轎車電池安全性分析

2.1動(dòng)力電池布置

目前，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池布置方式主要有3種方案，一是采用一個(gè)電池包，布置于前地板與中地板下方；二是分成兩個(gè)電池包，分別位于中通道和中地板下方；三是采用一個(gè)電池包，位于后懸架后方、行李箱底部?？紤]到電池的容量、箱體結(jié)構(gòu)、密封及裝載空間和整車的軸荷分配［3］，第1種方案更受車企推崇，其布置方式如圖1所示。

圖1　電池系統(tǒng)布置位置

第1種方案的優(yōu)點(diǎn)是電池單體集中在一個(gè)電池包內(nèi)，互聯(lián)性好，電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及密封都相對簡單；缺點(diǎn)是后排乘客腳踏位置偏高，前排座椅升降功能被取消。此方案對車身地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，除要考慮車輛碰撞過程中對乘員的保護(hù)，更要關(guān)注碰撞過程中動(dòng)力電池能否受到較好保護(hù)，以及電池固定點(diǎn)是否可靠。由于動(dòng)力電池安裝位置對正面碰撞吸能空間無影響，因此研究電動(dòng)轎車的碰撞性能主要關(guān)注側(cè)面碰撞。

2.2傳統(tǒng)車側(cè)碰過程中車身變形模式分析

傳統(tǒng)車在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，通常情況下車身橫斷面變形狀態(tài)如圖2所示，門檻梁的變形如圖3所示。由圖2可看出，B柱下段向內(nèi)側(cè)傾斜移位較大，左前地板受到擠壓折彎或潰縮變形，變形量較大。由圖3可看出，門檻梁侵入量較大，最大侵入量達(dá)225.6 mm。若電動(dòng)汽車在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)也出現(xiàn)類似的車身變形，就會(huì)造成門檻梁擠壓電池，使電池受到損傷。

圖2　傳統(tǒng)車側(cè)碰變形示意

圖3　傳統(tǒng)車側(cè)碰后門檻梁侵入量

2.3電動(dòng)轎車側(cè)碰過程中車身變形模式分析

電動(dòng)轎車地板斷面如圖4所示，電池箱體邊緣距門檻梁僅170 mm左右，如果發(fā)生側(cè)面碰撞，則電池系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重?cái)D壓。故此在電動(dòng)轎車地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上首先需要加強(qiáng)地板的橫向強(qiáng)度設(shè)計(jì)［4］，以避免側(cè)面碰撞過程中門檻梁向車身內(nèi)側(cè)彎曲過多而擠壓電池。

圖4　電動(dòng)轎車地板斷面

當(dāng)?shù)匕鍣M向強(qiáng)度增加之后，側(cè)碰時(shí)地板變形將減小，碰撞能量因在地板處得不到有效釋放而轉(zhuǎn)移到B柱或其它部位，這樣又會(huì)造成B柱變形量過大，以致傷害到駕駛員。因此，還需要改變B柱的變形模式，以提高駕駛員生存空間。

圖5是車輛發(fā)生側(cè)面碰撞前、后B柱變形模式對比。由圖5可以看出，側(cè)碰前B柱斷面狀態(tài)為中下段向車身外側(cè)微凸；傳統(tǒng)車側(cè)碰過程中，B柱斷面狀態(tài)為下段向車身內(nèi)側(cè)傾斜，整體仍呈向車身外側(cè)凸起的弧形，能為駕駛員提供較大的生存空間；電動(dòng)轎車發(fā)生側(cè)碰時(shí)，期望的B柱變形狀態(tài)為中上段呈向車身外側(cè)凸起的弧形，B柱底端向車身內(nèi)側(cè)僅有少許移位，可避免門檻梁擠壓電池?？紤]到碰撞能量的轉(zhuǎn)化，允許B柱的下段向內(nèi)側(cè)彎曲，以便于吸能。

圖5　車輛B柱變形模式對比

由上述分析可知，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)轎車在側(cè)碰過程中既能保護(hù)駕駛員和乘員安全，又能保護(hù)車身底板下方的動(dòng)力電池免受擠壓損毀，需要對B柱強(qiáng)度和地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。B柱強(qiáng)度可通過改變B柱的截面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而車身底板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，更改較困難。為此，將針對電動(dòng)轎車的車身地板構(gòu)架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3　電動(dòng)轎車地板構(gòu)架設(shè)計(jì)

3.1地板構(gòu)架改進(jìn)方案

電動(dòng)轎車地板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)凸凹不平狀，如圖6所示。為增強(qiáng)車輛碰撞過程中對電池的保護(hù)，提升電池系統(tǒng)的固定點(diǎn)強(qiáng)度，以及增強(qiáng)車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，最終設(shè)計(jì)的地板構(gòu)架方案如圖7所示。由圖7可看出，改進(jìn)后車身地板上各梁構(gòu)成縱向貫通、橫向貫通的相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

圖6　電動(dòng)轎車地板結(jié)構(gòu)

3.2地板構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地板構(gòu)架方案設(shè)計(jì)的地板結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可看出，改進(jìn)后的地板結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車的區(qū)別是，座椅橫梁貼合在地板凸起形狀的上方，內(nèi)外端仍然連接中通道和門檻梁，對于前地板中部高、邊部低的現(xiàn)狀，在邊部上方座椅橫梁采用懸空狀態(tài)，似橋梁跨越，另外增加前地板下橫梁以提升橫向強(qiáng)度。為提升車身的縱向強(qiáng)度，緊鄰電池箱兩側(cè)設(shè)計(jì)前地板內(nèi)縱梁，內(nèi)縱梁前端通過平滑過渡連接車身前縱梁，后端連接后地板邊縱梁，同時(shí)在內(nèi)縱梁設(shè)置電池箱的固定點(diǎn)。

圖7　電動(dòng)轎車地板構(gòu)架方案

圖8　改進(jìn)后地板結(jié)構(gòu)形式

座椅橫梁處的地板橫斷面如圖9所示，座椅橫梁外端連接門檻梁，內(nèi)端連接中通道。前地板下橫梁處的地板橫斷面如圖10所示，下橫梁連接左右門檻梁，同時(shí)連接中通道底部。

圖9　座椅橫梁處橫斷面

該構(gòu)架結(jié)構(gòu)匹配的地板總成和安裝電池后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖11所示。

圖10　前地板下橫梁處橫斷面

圖11　電池在地板下方安裝狀態(tài)

4　性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1性能分析

4.1.1白車身靜剛度

針對按構(gòu)架方案設(shè)計(jì)的電動(dòng)轎車白車身進(jìn)行了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度分析，結(jié)果見表1。與同平臺(tái)的傳統(tǒng)車車身相比，電動(dòng)轎車白車身靜剛度明顯提高。

表1　電動(dòng)轎車白車身靜剛度與傳統(tǒng)車對比結(jié)果

4.1.2電池固定點(diǎn)強(qiáng)度

對該電動(dòng)轎車動(dòng)力電池箱固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了垂直沖擊、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)3種工況分析，結(jié)果見表2。由表2可知，存在風(fēng)險(xiǎn)的零件最大應(yīng)力值都小于零件自身材料的屈服極限值，滿足強(qiáng)度要求。

表2　某電動(dòng)轎車動(dòng)力電池固定點(diǎn)強(qiáng)度

4.1.3側(cè)面碰撞分析

通過仿真模擬［5］移動(dòng)變形壁障以50 km/h的速度撞擊電動(dòng)轎車側(cè)面，碰撞后B柱侵入量如圖12所示，最大值位于B柱的下段，即P3點(diǎn)處，為106.3 mm。B柱的底端侵入量較小，僅有28.6 mm。B柱中上段仍保持向車身外側(cè)外彎曲的趨勢。整體變形模式符合預(yù)期。

仿真過程中門檻梁的侵入量如圖13所示，在P3～P7位置處侵入量較大，變形趨勢與傳統(tǒng)車類似，總體上侵入量比傳統(tǒng)車小很多，最大侵入量僅為69.3 mm。

圖12　電動(dòng)轎車側(cè)碰后B柱侵入量

圖13　電動(dòng)轎車側(cè)碰后門檻梁侵入量

仿真過程中電池箱體的侵入量如圖14所示，電池箱體側(cè)邊最大侵入量為2.64 mm。由于電池組位于箱體內(nèi)部，與箱體之間還有約10 mm的間隙，因此電池箱體的少許變形不會(huì)對電池組造成擠壓，電池處于安全狀態(tài)。

圖14　電動(dòng)轎車側(cè)碰后電池箱體侵入量

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1耐久試驗(yàn)

對按前文構(gòu)架方案開發(fā)的電動(dòng)轎車進(jìn)行了道路耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛行駛8.6萬km后未發(fā)現(xiàn)電池固定點(diǎn)處車身有開裂現(xiàn)象，整個(gè)車身底板下方完好無損壞。

4.2.2側(cè)碰試驗(yàn)

對該電動(dòng)轎車進(jìn)行了移動(dòng)變形壁障側(cè)面撞擊試驗(yàn)，車身變形情況符合要求，B柱中上段呈現(xiàn)向車身外側(cè)凸起的弧形，底端略微內(nèi)凹，假人的頭部、胸部、骨盆、腹部都受到較好的保護(hù)。車身門檻梁變形量較小，動(dòng)力電池箱體狀態(tài)良好，幾乎未受到擠壓變形。車身碰撞后狀態(tài)如圖15所示。

圖15　側(cè)碰試驗(yàn)后的車輛

5　結(jié)束語

為提升電動(dòng)轎車側(cè)面碰撞過程中對動(dòng)力電池和駕駛員的保護(hù)性能，對電動(dòng)轎車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過對側(cè)碰過程中電動(dòng)汽車車身變形模式進(jìn)行分析，提出改進(jìn)B柱結(jié)構(gòu)和地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了電動(dòng)轎車車身底板構(gòu)架結(jié)構(gòu)。經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)測試表明，所設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)對電池和駕駛員都有較好的保護(hù)性能。

1高云凱，邵力行，張海華.微型電動(dòng)車非承載式車身輕量化研究.汽車工程，2008，30（9）：808～810.

2高云凱，姜欣，張榮榮.電動(dòng)改裝轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析.汽車工程，2005，27（1）：115～117.

3劉寧，王家雁，吳明瞭，等.動(dòng)力電池包系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用.北京汽車，2014（6）：30～34.

4吳東琴.前地板橫梁對車身及側(cè)碰性能的影響.2013中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)，北京，2013.

5蘭鳳崇，莊良飄，鐘陽，等.乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)踐.汽車工程，2010，32（9）：763～768.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年6月28日。

Research on Design of the Underbody Framework for Pure Electric Car Based on Side Impact Crashworthiness

Li Zhongkui
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058）

In order to improve the protection performance of electric car，especially，the safety capability for battery and driver in course of lateral collision，the body structure of electric car is researched.After analyzing body deformation mode during lateral collision，an improvement plan for B-pillar structure and floor structure of electric car is proposed，based on this plan，car underbody framework is designed.Both simulation and test indicate that the improved underbody and battery can provide fairly good protection to the battery and driver.

Pure electric car,Lateral collision,Underbody framework,Performance

U463.83

A

1000-3703（2016）09-0043-04