純電動物流車機艙三電托架的輕量化設(shè)計

張延京，徒高橋，李俊英，魏宇

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純電動物流車機艙三電托架的輕量化設(shè)計

張延京，徒高橋，李俊英，魏宇

（陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

文章以我公司現(xiàn)役的純電動物流車的機艙三電托架為研究對象，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用輕量化材料的方式達到輕量化目的。采用有限元軟件hypermesh進行機艙三電托架的模態(tài)、強度分析，結(jié)果表明，在滿足車型性能目標的前提下，輕量化的機艙三電托架相較于現(xiàn)役托架減重率達到55.6%。

機艙三電托架；輕量化；有限元

1 引言

綜合續(xù)航里程是純電動汽車用戶們最關(guān)心的指標，而提高續(xù)航里程的方式主要為降低整車自重和提高動力電池電量，在提高動力電池續(xù)航能力需要較大成本投入的情況下，通過對整車進行輕量化設(shè)計，可以有效減少車身自身承載載荷[1]，是提高整車綜合續(xù)航里程較有效的途徑。

機艙三電托架是純電動汽車機艙內(nèi)部承載電器、電控、空調(diào)壓縮機等零部件的重要結(jié)構(gòu)部件，在其設(shè)計階段除了需滿足強度、模態(tài)等性能，還需考慮到輕量化要求。目前機艙三電托架的基本結(jié)構(gòu)為：在前機艙處（轎車、SUV）或駕駛室前排座椅下方（面包車）平行于整車Y方向處布置2根橫梁，再根據(jù)電機控制器、充電機、蓄電池、DCDC、三合一等零部件的整車布置位置，在兩根橫梁上設(shè)計安裝點或增加小支架[2]。機艙三電托架在滿足強度模態(tài)的設(shè)計性能要求下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和更換強度較高的材料，可以實現(xiàn)較理想的輕量化效果。

2 現(xiàn)役托架與輕量化托架設(shè)計方案

我司在產(chǎn)某車型的現(xiàn)役機艙三電托架材料為寶鋼DC01材料（Q/BQB408-2014），托架結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 機艙三電托架結(jié)構(gòu)

輕量化機艙三電托架方案中，托架材料采用與我司合作的某高校自主研制的高強度鋁合金材料，經(jīng)過第三方檢測機構(gòu)出具的檢測證明，該材料屈服強度515MPA，抗拉強度562MPA，延伸率11.5%；輕量化托架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役托架基本保持一致，更改之處為：現(xiàn)役托架的兩根托架橫梁厚度為1.5mm，鋁合金輕量化托架的兩根托架橫梁厚度為2.0mm，同時優(yōu)化了部分圓角，由于鋁合金焊接性能較差[3-5]，現(xiàn)將現(xiàn)役托架上采用的點焊連接部位改為鉚接結(jié)構(gòu)，鉚釘型號選用Q4400410-開口型扁圓頭抽芯鉚釘，用拉鉚螺母代替現(xiàn)役托架上的凸焊螺母。

機艙三電托架上主要安裝的電器件有VCU、三合一、12V蓄電池和空調(diào)壓縮機，其中前三個電器件在工作中自身無振動，對托架只產(chǎn)生靜應(yīng)力；而空調(diào)壓縮機在工作中會產(chǎn)生高頻振動，對整車的NVH性能影響較大。

3 現(xiàn)役托架與輕量化托架模態(tài)和強度性能對比分析

圖2為我司現(xiàn)役機艙三電托架與輕量化托架的CAE模態(tài)分析結(jié)果（除空調(diào)壓縮機外，其他電器件設(shè)定為質(zhì)量點），表2為兩種托架的一階橫擺模態(tài)值與目標要求值對比。

圖2 兩種托架一階橫擺模態(tài)分析對比

圖2和表2中的結(jié)果顯示，托架的一階二階橫擺模態(tài)的目標要求值均為50，輕量化托架的一階橫擺模態(tài)相較于現(xiàn)役托架較低，與設(shè)定的目標要求值相同，兩種托架的二階模態(tài)值均高于設(shè)定的目標要求值。說明輕量化托架滿足空調(diào)壓縮機工作時不會引起共振的風(fēng)險，滿足相關(guān)性能指標。

表2 兩種托架橫擺模態(tài)值與目標值對比

圖3和表3為我司現(xiàn)役機艙三電托架與輕量化托架施加的3種模擬工況載荷時的CAE強度分析結(jié)果。

圖3和表3中可以看出，現(xiàn)役托架和輕量化托架在施加的load1和load2兩種模擬工況載荷時，兩種托架承受的應(yīng)力值無明顯差異，均小于兩種托架所用材料的屈服極限；施加load3模擬工況時，由于輕量化托架的兩根橫梁厚度大于現(xiàn)役托架的橫梁，故其在load3模擬工況時受到的Z方向載荷較小，僅為143.3MPa，遠小于輕量化托架材料515MPa的屈服極限，而現(xiàn)役托架受到的Z方向載荷較大，為240.2MPa，高于現(xiàn)役托架材料220MP的屈服極限，所以輕量化托架強度方面的性能優(yōu)于現(xiàn)役機艙托架。

表3 不同載荷工況下的兩種托架強度值與托架材料強度值對比

以上通過對兩種托架的模態(tài)值和剛度值的模擬對比分析，證明輕量化托架的剛度模態(tài)均滿足相關(guān)性能指標，且輕量化托架的強度明顯優(yōu)于現(xiàn)役托架；現(xiàn)役托架總質(zhì)量為5.487kg，輕量化托架總質(zhì)量為2.432kg，相較于現(xiàn)役托架減重3.055kg，減重率達到55.6%。

4 結(jié)論

輕量化機艙三電托架的強度優(yōu)于現(xiàn)役機艙三點托架，一階二階橫擺模態(tài)略低于現(xiàn)役機艙三電托架，總體滿足設(shè)計性能目標要求，同時減重率達到55.6%，具有較好的輕量化效果。

[1] 劉衛(wèi)斌,郝琪,肖琪,等.基于相對靈敏度的純電動汽車白車身輕量化設(shè)計[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2016, 30(4):9-13.

[2] 華西娟,徒高橋.機艙三電托架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù), 2018(15):80-83.

[3] 陳玉勝.鋁合金車身及連接技術(shù)[J].汽車工藝師, 2018(3):49-53.

[4] 劉達工,吳江峰.鋁合金弧焊工藝在輕量化車身上的應(yīng)用[J].汽車工藝師, 2017(6):12-13.

[5] 高菁菁,李釗文,范林,等.汽車車身上鋁點焊的研究及應(yīng)用[J].汽車工程師, 2018(4):15-17.

Desigh of light weight of three electric bracket of the cabin of the pure electric cargo van

Zhang Yanjing, Tu Gaoqiao, Li Junying, Wei Yu

( Shaanxi Tongjia Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper research on active service's three electric bracket of the cabin of the pure electric cargo van of our company, Through the way of structural optimization and application of light weight materials to achieve the goal of lightweight. Finite element software hypermesh was used to analyze the mode and strength of the three-electric bracket of the cabin, The results show that, on the premise of satisfying the vehicle's performance requirement, the weight loss rate of light weight's three electric bracket of the cabin was 55.6% compared with the active service's bracket.

three electric bracket of the cabin; light weight; finite element

A

1671-7988(2018)18-04-02

U465.9

A

1671-7988(2018)18-04-02

CLC NO.: U465.9

張延京，碩士，車身設(shè)計工程師，就職于陜西通家汽車股份有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.002