蓄電池安裝支架設(shè)計(jì)優(yōu)化及開發(fā)建議

關(guān)鍵詞：蓄電池安裝支架;強(qiáng)度;平臺化;成本

0 引言

蓄電池安裝支架一般位于整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，主要作用是承載蓄電池總成，為其提供足夠支撐剛度，不出現(xiàn)開裂失穩(wěn)。同時(shí)，GB 20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》中5.4 條規(guī)定，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[1]。這就要求蓄電池安裝支架要能承受一定的沖擊，不產(chǎn)生受迫脫離。所以蓄電池安裝支架是非常重要的功能性及與被動(dòng)安全相關(guān)的車身類零件。

1 某車型蓄電池安裝支架

某車型蓄電池安裝支架的結(jié)構(gòu)及固定方式如圖1。支架底部共3 個(gè)固定點(diǎn)，其中2 個(gè)點(diǎn)與車身前大梁通過螺栓緊固連接，第3 個(gè)點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架螺栓緊固連接。該支架需承載的蓄電池質(zhì)量為11.90 kg，側(cè)面承載的ECU 約0.37 kg。

2 開發(fā)中的典型問題

2.1 疲勞開裂

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該車型蓄電池安裝支架的3 個(gè)螺栓固定點(diǎn)處均出現(xiàn)不同頻次開裂，各故障車開裂模式相似，裂紋長度10.0 ～ 20.0 mm（圖2）。

為節(jié)約開發(fā)時(shí)間，主機(jī)廠通常會(huì)進(jìn)行幾個(gè)月的強(qiáng)化路試來完成等效于普通路面十幾萬公里的耐久性試驗(yàn)。王力按照零件連接特點(diǎn)和附件形式[2]，把車身附件支架分為了4 類，并指出了仿真分析內(nèi)容和各工況加載載荷，將耐久問題轉(zhuǎn)化為以靜強(qiáng)度與材料屈服對比，簡化了交變載荷下疲勞開裂的分析模式，有較高的吻合度。在本公司產(chǎn)品開發(fā)中，也一直采用相同的驗(yàn)證和仿真方法，與文獻(xiàn)[2] 不同之處在于，由于具體試驗(yàn)環(huán)境不同，各路面強(qiáng)化系數(shù)不同，采集分析的加速度也不相同。

取10 大工況中緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向和過深坑工況3 種極限的工況進(jìn)行對比，讀取仿真分析結(jié)果?？梢钥闯?，過深坑工況的應(yīng)力值明顯高出其他兩種工況（圖3）。

支架材料為BLD（材料屈服強(qiáng)度130 MPa），厚度1.4 mm，開裂發(fā)生在等效于常規(guī)里程幾萬公里的階段，是典型的分析應(yīng)力值低于材料屈服強(qiáng)度的疲勞開裂。同時(shí)，3 個(gè)固定點(diǎn)布置在不同的零件上，制造中各點(diǎn)Z 向高度不一致，實(shí)際確認(rèn)存在> 1.0 mm 的高度差，也導(dǎo)致螺栓墊片的壓緊不平衡，受力狀態(tài)更加惡劣，增大了開裂風(fēng)險(xiǎn)。

由于產(chǎn)品上市的緊迫性和總布置邊界已鎖定，最終選定增加厚度1.4 mm、材料為B280VK 的加強(qiáng)板方案實(shí)施。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證滿足可靠性要求。

2.2 平臺化問題

按照規(guī)劃，本平臺兼容了CAR、SUV 和MPV 幾種不同類型的車，各車型整備重量、售價(jià)依次增加。圖4 以時(shí)間順序表示了在邊界條件變化時(shí)，為滿足整車需求，蓄電池安裝支架的對應(yīng)解決方式，以及該零件種類從1 種增至4 種的過程。支架變化的影響因素共有6 個(gè)，分別為A、B、C、D、E、F，每個(gè)因素2 種水平（D3 可以與D1 統(tǒng)一），理論上平臺內(nèi)可以做到僅用2 個(gè)支架覆蓋所有車型，且基礎(chǔ)件相同，僅在有無附屬支架、開孔多少上進(jìn)行區(qū)分。實(shí)際由于首款車型以最小的邊界（含承載的蓄電池質(zhì)量）進(jìn)行布置，導(dǎo)致后續(xù)車型的任何變動(dòng)都無法兼容，重復(fù)性地在具體結(jié)構(gòu)上全新開發(fā)，耗費(fèi)很多的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證成本，平臺化的整體協(xié)調(diào)性待提升[3] 。

2.3 其他問題

蓄電池與蓄電池安裝支架通過壓桿連接，壓緊面積小。行駛過程中蓄電池會(huì)與蓄電池安裝支架相對滑動(dòng)，支架承載面的電泳保護(hù)層在長時(shí)間摩擦后脫落，隨后金屬板在潮濕環(huán)境中產(chǎn)生銹痕（圖5）。該問題通過在兩者間增加塑料固定支架進(jìn)行了優(yōu)化，但受限于金屬類零件的特點(diǎn)，支架其余各切邊處無法完全避免該問題。

以上的開發(fā)過程典型問題，最終解決方案均滿足產(chǎn)品可靠性等要求，但增加了額外的質(zhì)量和成本。

3 開發(fā)建議

輕量化和低成本是車身設(shè)計(jì)的重要原則。結(jié)合車身支架類零件設(shè)計(jì)需求，在進(jìn)行蓄電池安裝支架等附件類零件開發(fā)時(shí)，從以下幾點(diǎn)兼顧考慮。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，強(qiáng)度失穩(wěn)多數(shù)是零件局部或整體抵抗變形能力差，可以歸結(jié)為零件設(shè)計(jì)的剛度問題[4]。蓄電池安裝支架的剛度主要是底部安裝面剛度，薄板類零件剛度提升要有好的截面形狀，以達(dá)到彎扭要求。要求在蓄電池安裝面周邊增加高度為15.0 ～ 20.0 mm 的連續(xù)翻邊，拐角處為避免成型疊料，翻邊高度也做到5.0 ～ 7.0 mm。同時(shí)，充分利用安裝面的筋條，交叉布置，筋條深度至少大于安裝的螺栓頭厚度3.0 mm，總深度在11.0 ～ 12.0 mm 左右;筋條和翻邊平滑過渡，不出現(xiàn)應(yīng)力集中和剛度突變。安裝ECU 的垂直面，要與支架底部形成“U”型半包圍焊接結(jié)構(gòu)，并要求同一個(gè)面至少有2 個(gè)焊點(diǎn)。

3.2 固定點(diǎn)布置

統(tǒng)計(jì)另8 款蓄電池安裝支架，支架的固定點(diǎn)數(shù)量均為4 個(gè)，固定點(diǎn)分布如圖6 所示。

本文實(shí)施的3 個(gè)固定點(diǎn)支架厚度為2.8 mm，8 款對標(biāo)車支架平均厚度為1.6 mm，不考慮本零件因驗(yàn)證時(shí)間緊張引起的設(shè)計(jì)保守性，該零件厚度為常規(guī)設(shè)計(jì)的2.4 倍，是可改善的點(diǎn)。

后續(xù)開發(fā)應(yīng)使支架的固定點(diǎn)為4 個(gè)，盡可能使固定點(diǎn)的幾何中心與蓄電池重心接近，減小蓄電池振動(dòng)時(shí)對安裝支架固定點(diǎn)處施加的力矩。固定點(diǎn)的位置，應(yīng)避免安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置上，規(guī)避發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)振動(dòng)引起的失效風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，固定點(diǎn)都布置在車身側(cè)，制造上也使各安裝面的Z 向偏差可控，對壓緊螺栓受力均衡有利。

3.3 平臺化

本平臺如能控制蓄電池安裝支架種類為2 種，單從模具投入上至少節(jié)省40 萬元，是非常有效的降低開發(fā)投入的措施。推動(dòng)新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)應(yīng)從平臺內(nèi)各車型的平衡出發(fā)，在配置梯度上實(shí)現(xiàn)共享，即高端配置上做到接口完備，低端配置上根據(jù)需要逐漸梯度取消。例如，質(zhì)量和尺寸上以最大的邊界狀態(tài)開發(fā)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);附屬零件（ECU、TCU 和線束等）布置、連接及性能要求一致，在整車中位置相對固定;推動(dòng)供應(yīng)商的接口平臺化，服務(wù)于整車，保持接口穩(wěn)定性。共同使平臺內(nèi)綜合的制造、驗(yàn)證和分?jǐn)偝杀咀顑?yōu)化。

3.4 材料趨勢

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙等可見度相對高的區(qū)域，除增加隔板、更換鍍鋅板等提升金屬類零件防腐性能的措施外，在工程塑料和復(fù)合材料上也有較多方案。本平臺的大改迭代項(xiàng)目上，新開發(fā)的PP 材質(zhì)蓄電池安裝支架，同比金屬材質(zhì)減重48% 左右，且無成本增加，效果良好（圖7）。車身零件可進(jìn)一步推廣相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程塑料優(yōu)良的力學(xué)性能、防腐性和可加工性等，來應(yīng)對輕量化要求更高的電動(dòng)化趨勢。