車身剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

張立強(qiáng)

（阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司，北京 100076）

0 引言

近年來，隨著空氣污染越來越嚴(yán)重，PM2.5越來越高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，國家出臺(tái)一系列政策鼓勵(lì)發(fā)展新能源汽車，新能源的開發(fā)越來越多。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車型，電動(dòng)車因?yàn)閯?dòng)力電池的布置要求，改變了傳統(tǒng)車型車身的梁架結(jié)構(gòu)，使得車身的剛度低于基礎(chǔ)燃油車的水平，車身的剛度是汽車性能的關(guān)鍵指標(biāo)，需要對(duì)車身進(jìn)行優(yōu)化保證剛度達(dá)到目標(biāo)值的要求。

1 車身剛度的計(jì)算方法

1.1 車身的彎曲剛度計(jì)算方法

用車身在鉛錘載荷下產(chǎn)生的撓度大小來描述，通過固定車身的前后懸的安裝位置，然后在車身的H點(diǎn)位置加載鉛錘載荷，計(jì)算車身邊梁位置的變形量，車身彎曲剛度表示為車身載荷和邊梁的變形量的比值，如圖1所示。

車身的彎曲剛度EI計(jì)算公式為：EI=F/D（N/mm）

F=1668×4=6672N，其中：D—邊梁位置的位移變形量。

圖1 車身彎曲剛度計(jì)算示意圖Fig.1 Calculation diagram of body Flexural stiffness

1.2 車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算方法

用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述。通過固定車身的后懸安裝位置，在前懸安裝位置施加2000NM的扭矩，查看在前懸架位置的車身縱梁角度的變形量。車身的扭轉(zhuǎn)剛度GJ表示為扭矩和縱梁變形量的比值，如圖2所示。

車身的扭轉(zhuǎn)剛度：GJ=T/φ（N·m/deg）

圖2 車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算示意圖Fig.2 Calculation diagram of body torsion stiffness

T=2000N·m，其中φ—縱梁在前懸架位置的角度變形量。

2 車身剛度的提升方案

2.1 車身剛度的主要影響因素

車身剛度的主要影響因素：①關(guān)鍵區(qū)域的截面尺寸大小，提高斷面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；②各個(gè)斷面接頭位置的接頭剛度；③車身增加新的環(huán)狀加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；④提高對(duì)剛度比較靈敏零件的料厚。

為了提高車身的剛度，主要優(yōu)化的方向是以上四個(gè)方面。本文主要是描述的是提高關(guān)鍵截面的斷面系數(shù)，提高接頭位置的接頭剛度，車身增加新的環(huán)狀加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來提高車身的剛度。車身剛度的靈敏度分析是通過CAE軟件得出車身對(duì)剛度貢獻(xiàn)的靈敏度排序，通過適當(dāng)加厚靈敏零件起到提高剛度的目的。零件的料厚增加會(huì)增加重量，影響其車身輕量化。提高零件的厚度需要合理考慮增加的剛度和增加質(zhì)量的比值的最優(yōu)性。

2.2 提高關(guān)鍵區(qū)域零件的斷面尺寸，提高斷面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

現(xiàn)代的車身結(jié)構(gòu)主要采用的籠式結(jié)構(gòu)。車身的各個(gè)截面大小直接影響了車身的性能。需要合理的設(shè)計(jì)車身的各個(gè)位置的斷面，使車身的性能能夠滿足要求。車身關(guān)鍵截面增大能夠提高截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，能夠提高車身的剛度。在本項(xiàng)目中，受布置及車身結(jié)構(gòu)的限制，主要是增大門檻位置的截面和后座椅前橫梁位置的截面。

在側(cè)門檻的位置斷面，在門檻的內(nèi)部受動(dòng)力電池的影響，不能加寬，只能通過Z向下加高30mm來增大該位置的斷面系數(shù)。改變后截面的軸1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由2.13×106mm4增大到 3.51×106mm4，軸 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由 1.75×106mm4增大到 2.12×106mm4，如圖3所示。

圖3 側(cè)門檻斷面對(duì)比Fig.3 Contrast of side doorsill section

在第二排座椅前橫梁位置，第二排座椅前橫梁向上增加15mm，向前增加13mm，后地板第一橫梁向下增加15mm。改變后截面軸1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由4.18×105mm4增大到9.83×105mm4，軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由3.18×105mm4增大到6.13×105mm4，如圖4所示。

2.3 提高接頭位置的接頭剛度

在車身的橫梁和縱梁的交接的部位，會(huì)形成一個(gè)類似于三通的接頭形式，如圖5所示。在接頭位置，一般受力比較大，容易形成應(yīng)力集中。接頭的剛度大小直接影響到車身的剛度值。在接頭位置的截面建議大于中間位置的截面，在接頭位置，減小焊點(diǎn)之間的距離。在空間允許的情況下盡量使用下圖結(jié)構(gòu)。

圖5 車身縱梁與橫梁搭接結(jié)構(gòu)Fig.5 Joint structure of body longitudinal beam and beam

在門檻邊梁后部與后輪罩的搭接位置是前后縱梁的交接位置，同時(shí)連接后座椅橫梁和側(cè)圍，此位置的剛度對(duì)整車的剛度影響比較大。在本項(xiàng)目中，通過在門檻內(nèi)板上增加門檻內(nèi)板支撐板，如圖6所示，加強(qiáng)該區(qū)域的接頭剛度從而提高整車的剛度。

圖6 門檻內(nèi)板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Strengthening structure of Doorsill inner panel

2.4 增加車身后端的環(huán)狀加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的車身乘員艙結(jié)構(gòu)一般都是籠式的結(jié)構(gòu)。這種車身結(jié)構(gòu)有著良好的車身強(qiáng)度和剛度。車身中有多個(gè)環(huán)狀的傳力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的車身剛度較高。在本項(xiàng)目中，通過增加后地板上橫梁和后地板上橫梁連接梁，增加的這些零件與輪罩上加強(qiáng)梁，C柱加強(qiáng)板，頂蓋橫梁形成了一個(gè)封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖7所示，這種結(jié)構(gòu)能夠相互連接，分散車身載荷，該結(jié)構(gòu)能夠很好的提高車身的剛度。

圖7 車身環(huán)狀加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Body ring strengthening structure

3 CAE的分析驗(yàn)證

通過上面的幾種方式更改的車身結(jié)構(gòu)，經(jīng)過CAE的分析驗(yàn)證，車身的彎曲剛度由19117N/mm增大到23876N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度由17634Nm/deg增大到22046Nm/deg，能夠有效提高車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

4 結(jié)束語

車身的剛度在車身是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，車身的剛度是否達(dá)到目標(biāo)值是判斷車身設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在本項(xiàng)目中，結(jié)合CAE的分析驗(yàn)證，找出影響車身剛度的關(guān)鍵因素，通過更改部分車身結(jié)構(gòu)，能夠顯著的提高車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，滿足了設(shè)定的目標(biāo)值。