白車身平臺(tái)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧川海

麥格納斯太爾汽車技術(shù)(上海)有限公司 上海市 200000

1 引言

白車身平臺(tái)化設(shè)計(jì)成為世界各大主流汽車廠家的共同選擇。隨著新能源汽車普及浪潮的來(lái)臨，白車身平臺(tái)對(duì)純電動(dòng)、油電混合動(dòng)力等動(dòng)力系統(tǒng)的兼容，是白車身平臺(tái)的發(fā)展方向。

另一方面，由于各種動(dòng)力系統(tǒng)幾何包絡(luò)差異較大，而各種動(dòng)力系統(tǒng)幾何包絡(luò)累加后幾何包絡(luò)巨大布置空間問(wèn)題顯的更加突出。由于布置空間問(wèn)題導(dǎo)致該平臺(tái)的純電動(dòng)車型的白車身剛度要明顯弱于燃油車型，為此需要對(duì)該款純電動(dòng)白車身剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 純電動(dòng)汽車白車身介紹

現(xiàn)代化純電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，是在燃油車的基礎(chǔ)上改變了其能源方式，將燃油改為了電池，以此為核心對(duì)汽車進(jìn)行改造。在設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車時(shí)，要盡量沿用基礎(chǔ)車型，以使設(shè)計(jì)成本得到降低。由于純電動(dòng)汽車在地板下方安裝和布置電池，所以純電動(dòng)汽車在白車身上發(fā)生的變動(dòng)也主要在地板位置，也就是變動(dòng)了下車體。所以，對(duì)純電動(dòng)汽車白車身的介紹主要就是介紹其下車體結(jié)構(gòu)。本文以某型號(hào)的純電動(dòng)汽車為例進(jìn)行介紹。

某型號(hào)純電動(dòng)汽車采用的電力電池是磷酸鐵鋰（18.66kW/h），電池的長(zhǎng)為1160mm，寬為986mm，高為300mm，總重量是240千克，能夠達(dá)到某型號(hào)純電動(dòng)汽車的最高車速（100km/h）和續(xù)駛里程150千米的要求[1]。在該型號(hào)的純電動(dòng)汽車中，將電池安裝在地板下方前后排的座椅中間。

如圖1所示，為該平臺(tái)燃油車的下車體骨架和電池的匹配狀態(tài)。序號(hào)1代表在前座椅的前面安裝橫梁，序號(hào)2代表在前座椅的后面安裝橫梁，序號(hào)3代表后地板骨架橫梁，序號(hào)4/5代表中央通道。在純電動(dòng)汽車中因?yàn)橐贾秒姵?，?duì)基礎(chǔ)燃油車的下車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如圖2所示，就是某型號(hào)純電動(dòng)汽車的下車體骨架結(jié)構(gòu)。

圖1 基礎(chǔ)燃油車下車體骨架結(jié)構(gòu)和電池匹配

圖2 某型號(hào)BEV下車體骨架結(jié)構(gòu)

3 純電動(dòng)汽車白車身剛度情況

純電動(dòng)汽車由于要布置電池，會(huì)對(duì)燃油車下車體的骨架結(jié)構(gòu)造成破壞，而變動(dòng)下車體的骨架結(jié)構(gòu)會(huì)影響到純電動(dòng)汽車白車身剛度。通過(guò)分析某型號(hào)純電動(dòng)汽車的扭轉(zhuǎn)工況、扭轉(zhuǎn)角度和彎曲工況、彎曲位移，得出純電動(dòng)汽車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度。

扭轉(zhuǎn)剛度Kt的計(jì)算公式是M/θ。在計(jì)算公式中，M代表轉(zhuǎn)矩，其值為2000N·m；而θ等于0.221度，代表的是前減震器的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)所扭轉(zhuǎn)的角度與后約束點(diǎn)在前方100毫米位置對(duì)應(yīng)縱梁測(cè)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角度之差[2]。通過(guò)計(jì)算，可以得出扭轉(zhuǎn)剛度為2000÷0.221=9049.8N·m/（o）。彎曲剛度Kb的計(jì)算公式是F/S。F代表彎曲載荷為6665N；S代表最大變形為0.413mm。通過(guò)計(jì)算，可以得出彎曲剛度為6665÷0.413=16138N/mm。從表一中可以發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)純電動(dòng)汽車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度都沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)要求，明顯小于燃油車的水平。

4 純電動(dòng)汽車白車身剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 純電動(dòng)車白車身剛度弱化的原因

純電動(dòng)車將燃油車作為變形基礎(chǔ)，將某型號(hào)純電動(dòng)汽車作為例子對(duì)比分析其變動(dòng)的結(jié)構(gòu)，從而找到剛度性能出現(xiàn)弱化的原因。在圖1a圖中，展示了某型號(hào)基礎(chǔ)燃油車的下車體骨架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力電池的匹配狀態(tài)，電池就被布置在圖中長(zhǎng)方形的線框中。從圖1、圖2中可以看出來(lái)某型號(hào)基礎(chǔ)燃油車的下車體結(jié)構(gòu)主要在四個(gè)位置上和純電動(dòng)車的下車體結(jié)構(gòu)有差別，即前座椅前橫梁、前座椅后橫梁、后地板骨架橫梁和中央通道。

表1 純電動(dòng)車和燃油車的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度

通過(guò)對(duì)比燃油車前座椅前橫梁的截面尺寸和純電動(dòng)汽車前座椅前橫梁的截面尺寸，發(fā)現(xiàn)前座椅前橫梁和地板之間的閉合腔體截面積，某型號(hào)的純電動(dòng)汽車要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)燃油車。而前座椅后橫梁斷面與后地板骨架橫梁斷面也是如此，純電動(dòng)汽車都要小于基礎(chǔ)燃油車。而圖1中的4、5中央通道，由于布置了電池，由原本的1062mm降低到了391mm。

某型號(hào)純電動(dòng)車在下車體的電池位置沒(méi)有縱梁結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殡姵貐^(qū)域?qū)χ醒胪ǖ喇a(chǎn)生了階段。而純電動(dòng)車的橫梁都要比傳統(tǒng)的燃油車弱，這主要是因?yàn)榍白吻昂蟮臋M梁和后地板骨架的橫梁斷面面積都大幅度縮小，導(dǎo)致強(qiáng)度變?nèi)?，電池所在的位置出現(xiàn)整體偏軟狀態(tài)。純電動(dòng)車由于布置了電池而使下車體結(jié)構(gòu)性能被大幅度削弱，而電池所在位置的整體偏軟則造成純電動(dòng)車白車身的剛度性能出現(xiàn)明顯降低。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的白車身剛度

4.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)電池布置區(qū)域下車體結(jié)構(gòu)的可能性

要想使純電動(dòng)車的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度有顯著提高，首先要優(yōu)化純電動(dòng)車布置電池位置的下車體結(jié)構(gòu)。比如某型號(hào)的純電動(dòng)汽車，純電動(dòng)汽車為達(dá)到續(xù)駛里程的要求，無(wú)法縮小電池的空間尺寸。如圖3中的示意圖，是某型號(hào)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池和下車體的匹配狀態(tài)。在圖3中的示意圖中可以看出，前座椅前橫梁、前座椅后橫梁和后地板骨架橫梁的截面無(wú)法在縱向方向朝下增大，同時(shí)前座椅安裝在橫梁上表面，所以前座椅前橫梁和前座椅后橫梁沒(méi)有優(yōu)化的空間。而后地板骨架橫梁是后排所坐假人的大腿區(qū)域，如果在縱向往上增大，會(huì)減薄后排座椅的坐墊，影響人機(jī)。所以，純電動(dòng)汽車由于在空間上受限，在布置電池的區(qū)域中，沒(méi)有加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)的空間，優(yōu)化設(shè)計(jì)只能考慮其他方面。

圖3 某型號(hào)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池和下車體的匹配狀態(tài)

4.2.2 優(yōu)化前減震器塔和后減震彈簧位置的可能性

為了對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行分析，要研究CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）對(duì)剛度進(jìn)行分析的工況。在對(duì)扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析時(shí)，前減震器塔位置通過(guò)MPC對(duì)Z方向的自由度進(jìn)行約束；而后減震彈簧的位置左右分別對(duì)X、Z方向和X、Y、Z向進(jìn)行約束；前減震器塔位置施加上一個(gè)轉(zhuǎn)矩，其大小大概是2000N·m[3]。在對(duì)彎曲工況進(jìn)行分析時(shí)，從X、Z向，XYZ向，Y、Z向和Z向約束固定前減震器塔和后減震彈簧位置。而在前懸中心位置和后懸中心位置都施加上1500N彎曲載荷。依據(jù)CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）對(duì)工況的分析，純電動(dòng)汽車白車身支撐點(diǎn)是后減震彈簧和前減震器塔，在左右四個(gè)位置上。這四個(gè)位置都是直接的受力點(diǎn)，同時(shí)也是最大受力位置，并且也沒(méi)有位于布置電池的區(qū)域，所以可以先從者四個(gè)位置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

4.2.3 具體優(yōu)化措施

分析某型號(hào)的純電動(dòng)汽車，優(yōu)化車體右側(cè)兩個(gè)支撐點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)，在圖4中展示了某型號(hào)電動(dòng)汽車右側(cè)兩個(gè)支撐點(diǎn)位置的局部結(jié)構(gòu)。在圖4中，圖a是前側(cè)支撐點(diǎn)，圖b是后側(cè)支撐點(diǎn)。1代表前減震器安裝板，2代表前輪罩，3代表后減震彈簧安裝底座，4代表后地板骨架縱梁。在某型號(hào)純電動(dòng)汽車中，前減震器序號(hào)為1的安裝板，其材質(zhì)是B340LA，其材質(zhì)厚度大概是2.1毫米；序號(hào)2前輪罩的材質(zhì)是DC03，其材質(zhì)厚度大概是0.81毫米。在后減震彈簧中序號(hào)為3的安裝座其材質(zhì)是DC03，其材質(zhì)厚度大概是1.3毫米；序號(hào)為4的后地板骨架縱梁的材質(zhì)是B210P1，其材質(zhì)厚度大概是1.59毫米[4]。

圖4 某型號(hào)純電動(dòng)汽車右側(cè)前后兩個(gè)支撐點(diǎn)位置的局部結(jié)構(gòu)

由于對(duì)純電動(dòng)汽車白車身剛度造成影響的因素主要是材質(zhì)厚度，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，分別把前減震器序號(hào)1的安裝板材質(zhì)厚度改成2.5毫米，序號(hào)2的前輪罩材質(zhì)厚度改成2.5毫米，后減震彈簧序號(hào)3的底座材質(zhì)厚度改成1.8毫米，后地板骨架序號(hào)4的縱梁在內(nèi)部加裝一個(gè)加強(qiáng)板。加裝的加強(qiáng)板選用的材質(zhì)是B250P1，材質(zhì)的厚度大概是2毫米。

表2 純電動(dòng)車扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度優(yōu)化前后對(duì)比

4.2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果

某型號(hào)的純電動(dòng)汽車在優(yōu)化之后，改變了扭轉(zhuǎn)工況、扭轉(zhuǎn)角度和彎曲工況、彎曲位移，對(duì)扭轉(zhuǎn)后的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度進(jìn)行計(jì)算，得出扭轉(zhuǎn)剛度是12146N·m/（o），其彎曲剛度是20094N·m/（o）。如表二的純電動(dòng)車扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度優(yōu)化前后對(duì)比，在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，已經(jīng)能夠達(dá)到目標(biāo)值。

5 結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)汽車的下車體由于要布置電池，導(dǎo)致整體出現(xiàn)偏軟，造成純電動(dòng)汽車白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度都要比燃油車小。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)法在電池布置區(qū)域的下車體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行優(yōu)化，而對(duì)前減震器塔與后減震彈簧位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，加強(qiáng)了純電動(dòng)汽車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，使其達(dá)到了目標(biāo)值。因此，對(duì)純電動(dòng)汽車白車身剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要還是從前減震器塔與后減震彈簧著手，提高純電動(dòng)汽車白車身的剛度，在實(shí)際生活中得到更加廣泛的應(yīng)用。