某車型塑料蓄電池框的優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮立軍 張鐵 周雅 彭權(quán)意 孫浩然

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對汽車舒適性、動(dòng)力性、操控性、燃油經(jīng)濟(jì)性等性能的要求越來越高，汽車輕量化設(shè)計(jì)也被提到了前所未有的高度。目前乘用車車身結(jié)構(gòu)多為金屬件，為保證其各項(xiàng)性能要求，使用零件較多且比較復(fù)雜，直接導(dǎo)致整車質(zhì)量以及成本的增加。其中，蓄電池固定結(jié)構(gòu)多為金屬件，采用上壓固定的方式，零件數(shù)量多，同時(shí)也會(huì)影響到其他環(huán)境件的布置，對機(jī)艙布置起到一定的限制。文章主要介紹下壓式塑料蓄電池框，在大大減少零件數(shù)量的同時(shí)達(dá)到了減重降成本的目的。

1 塑料蓄電池框的材料選擇

塑料蓄電池框在材料選擇方面應(yīng)該重點(diǎn)考慮零件自身的功能及性能要求，如：強(qiáng)度、剛度、外觀質(zhì)量、尺寸精度、耐沖擊性、抗老化性、阻燃性等，同時(shí)還要兼顧成本及質(zhì)量要求。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：

1）目前塑料蓄電池框一般采用PA-GF 材料和PP-LGF 材料2 種方案。其中PP-LGF 材料具有吸水率低、尺寸翹曲小、成本低、體積質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，并且PP-LGF 材料在高溫和長期承受應(yīng)力的條件下蠕變小，耐低溫沖擊性能較好；由于長玻纖的使用，同時(shí)保證了材料自身的剛性和韌性[1-2]。

2）國內(nèi)外材料供應(yīng)商均已開發(fā)出成熟的PP-LGF材料，材料自身性能可以得到有效保證，且成本具備一定的優(yōu)勢。

3）車型定位、成本、質(zhì)量要求以及環(huán)境件的數(shù)量對材料型號的選擇具有一定的指導(dǎo)作用。

綜合以上3 點(diǎn)，在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下，最終選擇PP-LGF30 材料作為蓄電池框的應(yīng)用材料。

2 塑料蓄電池框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境件匹配設(shè)計(jì)

蓄電池框周邊的環(huán)境件主要包括蓄電池、電器線束、空調(diào)除氣室水壺、ECU 及保險(xiǎn)絲盒等。

2.1.1 蓄電池的安裝固定

蓄電池自身質(zhì)量較重，為整車弱電系統(tǒng)進(jìn)行供電，法規(guī)《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》中也明確要求：在碰撞過程中和碰撞試驗(yàn)后，蓄電池應(yīng)由保護(hù)裝置保持自己的位置。由于蓄電池下部四周設(shè)計(jì)有一定寬度的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，利用這一特征，文章中所述蓄電池主要通過蓄電池下壓固定板和蓄電池框自身翻邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，如圖2 所示。

圖1 汽車蓄電池示意圖

圖2 汽車蓄電池裝配總成示意圖

考慮到蓄電池、蓄電池框以及蓄電池下壓固定板具有一定的制造誤差，在裝配設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定的間隙，防止出現(xiàn)無法裝配到位或者裝配不牢的情況，具體的間隙值（a，b，c）通過競品以及零件供應(yīng)商的工藝水平綜合得出，如圖3 所示。蓄電池框自身翻邊一側(cè)與蓄電池側(cè)壁貼合，另一側(cè)壓板對蓄電池施加一定的預(yù)緊力，通過螺栓與蓄電池框連接。

圖3 汽車蓄電池安裝固定示意圖

為避免蓄電池在汽車起步、減速、過彎等加速度較大的工況中晃動(dòng)，需對蓄電池進(jìn)行限位。其限位主要通過在蓄電池框內(nèi)壁增加加強(qiáng)筋實(shí)現(xiàn)。蓄電池框在此方向的尺寸要大于蓄電池本體的尺寸，否則會(huì)極大影響工人的安裝操作和生產(chǎn)節(jié)拍，但是尺寸過大將無法起到限位作用，所以間隙d 和e 值大小的確定非常關(guān)鍵，如圖4 所示。某車型間隙大小的確定主要是通過綜合考慮零件自身的制造誤差和競品分析數(shù)值，并對工人的裝配操作方式進(jìn)行指導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。

圖4 汽車蓄電池限位示意圖

2.1.2 空調(diào)除氣室總成的安裝固定

由于空調(diào)除氣室總成布置在車頭方向，距離水箱上橫梁較近，無安裝操作空間，故需進(jìn)行線下分裝；另外由于空調(diào)除氣室總成安裝面距離蓄電池較近，故采用預(yù)埋螺栓、螺母打緊的方式將其安裝在蓄電池框上，如圖5 和圖6 所示。

圖5 汽車蓄電池框總成示意圖

圖6 汽車空調(diào)除氣室總成裝配示意圖

2.1.3 電器線束的安裝固定

電器線束一般是通過卡扣安裝固定，孔位大小根據(jù)電器相關(guān)專業(yè)要求設(shè)計(jì)，為保證安裝便捷，開孔不允許出現(xiàn)飛邊、毛刺等影響安裝及產(chǎn)品外觀感知質(zhì)量的缺陷。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意保安防災(zāi)問題，從蓄電池正負(fù)極引出的線束及線束分支非常多，為減少零件數(shù)量及整車質(zhì)量，應(yīng)盡可能將線束安裝固定點(diǎn)集成到蓄電池框上，線束布置位置盡量避免出現(xiàn)銳邊，在銳邊附近要增加卡扣安裝點(diǎn)，防止線束晃動(dòng)與銳邊摩擦導(dǎo)致線束磨損，同時(shí)需對銳邊進(jìn)行倒角處理，由于塑料材質(zhì)的本身特性，其在保安防災(zāi)問題上相比于金屬件也會(huì)更加有優(yōu)勢。

2.2 性能設(shè)計(jì)

蓄電池框主要布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，周邊環(huán)境件較多且空間比較緊湊，所以對其的限制條件也相對較多，蓄電池框結(jié)構(gòu)在滿足周邊環(huán)境件安裝需求的同時(shí)也要考慮性能要求。文章主要介紹了蓄電池框結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和局部模態(tài)性能的優(yōu)化。

2.2.1 加強(qiáng)筋布置原則

加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)是塑料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要包括加強(qiáng)筋的厚度、形狀、角度等。圖7 示出不同受力情況下的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)布置。若部件受彎曲力，可采用背面平行的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高彎曲強(qiáng)度，如圖7a 所示；若部件受扭轉(zhuǎn)力，可采用對角線的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提升扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，如圖7b 所示；若部件在高負(fù)載下受撓曲力，可采用垂直的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高高負(fù)載下的撓曲強(qiáng)度，如圖7c所示；若部件關(guān)鍵安裝點(diǎn)受高負(fù)載力，可采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高局部受力點(diǎn)的強(qiáng)度，如圖7d 所示。

圖7 不同受力情況下的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)布置

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)筋的受力狀況，在保證性能的基礎(chǔ)上，以質(zhì)量最輕為目標(biāo)，優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置和厚度，優(yōu)化3D 數(shù)據(jù)。

加強(qiáng)筋與加強(qiáng)筋之間要求設(shè)計(jì)有連接點(diǎn)，避免產(chǎn)生薄弱區(qū)。加強(qiáng)筋的連接設(shè)計(jì)要求，如圖8 所示。必要時(shí)可考慮選用十字交錯(cuò)的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)（如圖8c 所示），以提供更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖8 加強(qiáng)筋的連接設(shè)計(jì)要求

2.2.2 蓄電池框強(qiáng)度及局部模態(tài)優(yōu)化[3]

由于空調(diào)除氣室總成Z 向安裝高度的要求，蓄電池框前部設(shè)計(jì)成Z 向高度差較大的立面，同時(shí)預(yù)埋螺栓進(jìn)行安裝。雖然滿足了安裝需求，但局部模態(tài)無法滿足大于30 Hz 的要求。主要可通過2 種方案予以解決：1）蓄電池框另外三邊同時(shí)設(shè)計(jì)立面結(jié)構(gòu)，形成盒體以提升局部模態(tài)；2）優(yōu)化立面結(jié)構(gòu)，增加加強(qiáng)筋。方案1雖然滿足了模態(tài)要求，但是無形中大大增加了蓄電池框的質(zhì)量，有違輕量化設(shè)計(jì)的初衷，同時(shí)無法滿足蓄電池的安裝要求，所以改善方案主要集中在立面結(jié)構(gòu)的改善。

圖9 示出蓄電池框立面加強(qiáng)筋顯示界面。遵循以上加強(qiáng)筋布置原則，在立面內(nèi)側(cè)布置Z 向貫通加強(qiáng)筋，外側(cè)布置十字交錯(cuò)加強(qiáng)筋，同時(shí)在立面與兩側(cè)連接過渡處盡量做到過渡平緩，且局部進(jìn)行加強(qiáng)。根據(jù)軟件拓?fù)鋬?yōu)化得出加強(qiáng)筋厚度的最佳方案，最終使局部模態(tài)達(dá)到目標(biāo)要求，如圖10 所示。

圖9 蓄電池框立面加強(qiáng)筋布置示意圖

圖10 蓄電池框局部模態(tài)優(yōu)化前后對比顯示界面

同樣，在蓄電池框底部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖11所示，在底部內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)連續(xù)十字加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，十字加強(qiáng)筋交于一點(diǎn)、中間無斷開，且中間用加強(qiáng)筋連接形成三角形結(jié)構(gòu)以增加結(jié)構(gòu)剛性，有效避免應(yīng)力集中；在底部外側(cè)，尤其是安裝點(diǎn)位置，料厚由厚到薄均勻過渡，以安裝點(diǎn)孔心為交點(diǎn)布置米字形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并且加強(qiáng)筋交于一點(diǎn)。

圖11 蓄電池框底部加強(qiáng)筋布置示意圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蓄電池框在上跳、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)工況下應(yīng)力得到極大提升，如圖12 所示。具體數(shù)據(jù)，如表1 所示。

圖12 汽車蓄電池框結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后強(qiáng)度分析對比顯示界面

表1 蓄電池框結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各工況下的最大應(yīng)力對比 MPa

3 成型工藝的可行性分析

塑料蓄電池框在滿足集成度、結(jié)構(gòu)、性能的同時(shí)還要滿足制造工藝的可行性及方便性。為此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)充分考慮采用合理的結(jié)構(gòu)方案以保證良好的工藝性，避免后期出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。塑料蓄電池框是注塑成型，往往容易出現(xiàn)外觀不良及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度缺陷等，如排氣不足，會(huì)形成明顯的熔接線，影響塑料蓄電池框的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是在安裝點(diǎn)附近，這些都是不允許的。通過模流分析（如圖13 所示），可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)外觀缺陷出現(xiàn)的位置及嚴(yán)重程度，并據(jù)此著手解決。首先是改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如加強(qiáng)排氣、優(yōu)化注塑壓力；若工藝上無法改善，則要通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。圖13a 示出制品頂出時(shí)的體積收縮情況，制品整體收縮較為均勻；圖13b～圖13d 示出制品變形趨勢，為放大1 倍的效果，變形值僅供參考。

圖13 汽車蓄電池框模流分析顯示界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

蓄電池框工裝件在車型量產(chǎn)之前需經(jīng)過一系列試驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證，其中需整車搭載的試驗(yàn)包括8 萬km耐久試驗(yàn)和后碰試驗(yàn)，其他臺(tái)架試驗(yàn)包括耐候性、耐老化、耐低溫等?？傊?，蓄電池框需根據(jù)產(chǎn)品認(rèn)可計(jì)劃進(jìn)行全方位的性能試驗(yàn)驗(yàn)證，確保零件的可靠性。

5 輕量化效果

圖14 示出2 種蓄電池框的質(zhì)量對比。

圖14 汽車蓄電池框質(zhì)量對比

在滿足蓄電池框功能及性能要求的前提下，相比于上壓式金屬蓄電池框，塑料蓄電池框取消了拉桿、上壓板、蓄電池墊；新增下壓板，且蓄電池框本體由金屬材質(zhì)更改為塑料材質(zhì)，整體質(zhì)量減輕0.71 kg，減重效果達(dá)49.3%，如圖14 所示。

6 結(jié)論

為達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的，文章將蓄電池框由金屬件更改為塑料件，同時(shí)將蓄電池固定方式由上壓式更改為下壓式，不但優(yōu)化了機(jī)艙的空間布置，而且大大減少了零件數(shù)量，在減重的同時(shí)，利于零件的管控和生產(chǎn)節(jié)拍的提高。蓄電池框本體為注塑件，避免了因結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致成型困難的問題，可以滿足各種安裝需求，且質(zhì)量較輕，相比于傳統(tǒng)金屬蓄電池框，下壓式塑料蓄電池框也會(huì)相應(yīng)減少工裝成本。

塑料蓄電池框的設(shè)計(jì)主要從材料的選擇、環(huán)境件的安裝固定、加強(qiáng)筋布置、性能達(dá)成、成型工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面出發(fā)，尤其是加強(qiáng)筋布置對蓄電池框模態(tài)影響較大，若安裝點(diǎn)位置相對蓄電池框主體結(jié)構(gòu)距離較遠(yuǎn)，在設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)筋應(yīng)盡量保持均勻連續(xù)，拐角位置避免突變，適當(dāng)增加加強(qiáng)筋厚度；要充分考慮蓄電池與蓄電池框、蓄電池下壓固定板之間的間隙值，因其大小會(huì)直接影響壓邊寬度，進(jìn)而影響蓄電池的安裝固定。

塑料蓄電池框的整體減重效果達(dá)到49.3%，滿足目標(biāo)要求，輕量化效果十分可觀，在后續(xù)車型開發(fā)過程中可以考慮對后防撞梁、備胎槽、翼子板、背門等零件采用以塑代鋼的方式實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。