某商用車底盤后背動(dòng)力電池框與車架連接方式分析

摘 ?要：動(dòng)力電池安全性是新能源車型開發(fā)過程中關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)某款純電動(dòng)商用車底盤后背動(dòng)力電池框與車架連接結(jié)構(gòu)，依據(jù)螺栓緊固原理，結(jié)合該車在生產(chǎn)線上的裝配流程，本文提出了優(yōu)化純電動(dòng)車型后背動(dòng)力電池框與車架連接結(jié)構(gòu)的方案，并通過仿真分析、實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)商用車;底盤;動(dòng)力電池框;連接方式

中圖分類號(hào)：U467 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0135-05

Analysis of the Connection Mode Between the Back Power Battery Box and Frame of a Commercial Vehicle Chassis

PAN Xue-yu

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： The safety of power battery is the focus in the development of new energy vehicle.Aiming at the connection structure between the back power battery box and frame of a battery electric commercial vehicle， according to the principle of bolt fastening and the assembly process of the battery electric commercial vehicle on the production line， this paper puts forward a scheme to optimize the connection structure between the back power battery fox and frame of battery electric commercial vehicle， which is verified by simulation analysis and trial vehicle test.

Key Words： Battery Electric Commercial Vehicle; Chassis; Power Battery Box; Connection Mode

潘學(xué)玉

畢業(yè)于重慶大學(xué)，起重運(yùn)輸與工程機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車技術(shù)中心，任高級(jí)工程師、東風(fēng)公司一級(jí)人才庫專家。長(zhǎng)期從事商用車底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，主研起草空氣懸架國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)三項(xiàng)（863計(jì)劃項(xiàng)目2006AA 110117子項(xiàng)），獲湖北省質(zhì)監(jiān)局重點(diǎn)項(xiàng)目資助獎(jiǎng)一項(xiàng)，東風(fēng)公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)九項(xiàng)，東風(fēng)公司標(biāo)準(zhǔn)制訂獎(jiǎng)三項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利四項(xiàng)，東風(fēng)公司優(yōu)秀論文獎(jiǎng)三項(xiàng)。

前 ? ?言

隨著我國(guó)節(jié)能減排要求的不斷提高，新能源汽車的發(fā)展被國(guó)家列為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，純電動(dòng)車型開發(fā)獲得了快速發(fā)展。然而，隨著前期市場(chǎng)暴露出的動(dòng)力電池安全性問題，各主機(jī)廠都把純電動(dòng)車型動(dòng)力電池安全防護(hù)放在重中之重的位置。

由于離地高，防水、防塵效果好，動(dòng)力電池置于車架之上、駕駛室之后的布置方式受到越來越多設(shè)計(jì)者的青睞。

針對(duì)動(dòng)力電池自重大、防振性能要求高，某新能源車型在開發(fā)初期采用4點(diǎn)連接提高動(dòng)力電池框與車架單側(cè)連接的可靠性。通過分析這4點(diǎn)連接的緊固方式，找出了結(jié)構(gòu)中存在的約束干涉問題、前上、下支架接觸面貼合設(shè)計(jì)不當(dāng)問題及其動(dòng)力電池框在車輛Y方向存在間隙難以打緊問題。針對(duì)上述原因，結(jié)合車型開發(fā)中的裝配工藝流程，采用取消中間連接點(diǎn)，同時(shí)取消前上、下支架接觸面貼合的方案，經(jīng)過仿真分析、實(shí)車驗(yàn)證可以提高該處連接可靠性。

1 ? ?問題描述

某車型為4X2中型環(huán)衛(wèi)純電動(dòng)車型，開發(fā)初期動(dòng)力電池框和車架連接方式如圖1所示，1-前上支架，2-前下支架，3-車架，4-前立板，5-U形螺栓，6-動(dòng)力電池框支架，7-后立板，8-動(dòng)力電池框動(dòng)力電池框8的底座和車架3的上翼面貼合，車輛單側(cè)二者存在4點(diǎn)緊固連接。前上支架1固定在動(dòng)力電池框8的底板上，前下支架2和車架3的腹面連接。前上支架1和前下支架2通過螺栓連接。前立板4、后立板7的上端均通過螺栓和動(dòng)力電池框8的底板連接，它們的下端均與車架3的腹面連接。動(dòng)力電池框8的后端有焊接支架6，倒穿的U形螺栓把車架3的縱梁和動(dòng)力電池框8的后端緊固在一起。

為了確保新能源車型動(dòng)力電池的安全，在新車走合試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員把3輛新能源車型的動(dòng)力電池框和車架連接處的緊固螺栓力矩納入重點(diǎn)管控，每200km復(fù)緊檢測(cè)一次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以上4點(diǎn)連接處的螺栓松脫、擰緊力矩衰減問題突出，直接影響電池框連接可靠性。

2 ? ?原因分析

2.1 ? 結(jié)構(gòu)上存在約束干涉

如圖1所示， 動(dòng)力電池框8和車架3單側(cè)有4處約束，分析如下：

（1）前立板4、后立板7上半部分通過螺栓和電池框8的底座相連，其下半部分通過螺栓和車架3相連。螺栓在整車的Y方向打緊后，在Z方向，電池框8的底座和車架3之間不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

（2）欲使U型螺栓、前上支架1和下支架2的連接螺栓連接產(chǎn)生軸向夾緊力，則需要車架3和電池框8的底座在Z方向能夠相對(duì)移動(dòng)，解除約束。

因此，前立板4、后立板7兩點(diǎn)的約束和兩端的約束互相干涉，直接影響連接可靠性。取消部分約束，減少零部件數(shù)量，消除干涉，實(shí)現(xiàn)降低重量、降低成本本，并且提高了連接質(zhì)量。

2.2 ? 前端支架貼合設(shè)計(jì)不當(dāng)

前端上支架1和下支架2貼合，通過螺栓打緊。由于實(shí)際存在的加工誤差，當(dāng)動(dòng)力電池框8的底座和車架3的上翼面貼合時(shí)，很難保證前端上支架1和下支架2同步貼合。如果支架1和支架2提前貼合，動(dòng)力電池框8的底座和車架3上翼面就會(huì)有間隙，則動(dòng)力電池和電池框前端的重量就會(huì)通過支架1和支架2之間的貼合面?zhèn)鬟f，容易造成前上、下支架承載損壞。并且，由于縫隙的存在，造成U形螺栓打緊力矩為虛，容易松動(dòng)。

2.3 ? 沒有考慮裝配工藝

如圖2所示，在生產(chǎn)線上，前下支架2、前立板4和后立板7與車架3先裝配好，然后車架3翻轉(zhuǎn)正立后再裝動(dòng)力電池框8。為了使動(dòng)力電池框8落裝車架3上翼面時(shí)方便，立板4、立板7與動(dòng)力電池框8的外表面在Y方向必然存在間隙。間隙致使立板4、立板7與動(dòng)力電池框8在Y方向的緊固螺栓難以打緊。

3 ? ?解決方案

（1）取消前上、下支架接觸面貼合，加大前上、下支架之間的距離，使動(dòng)力電池框8的底座和車架3的上翼面始終貼合，保證動(dòng)力電池及電池框的重量主要由車架上翼面承擔(dān)。

（2）取消前立板4及緊固螺栓、同時(shí)取消將后立板7與動(dòng)力電池框8相連的螺栓，解除電池框8的底座和車架3在Z方向移動(dòng)的約束，使前上、下支架之間的緊固螺和U形螺栓的擰緊力矩最大程度的轉(zhuǎn)化為Z方向（軸向）的夾緊力，使動(dòng)力電池框8和車架3更容易打緊。

4 ? ?方案驗(yàn)證

4.1 ? 仿真分析驗(yàn)證

4.1.1仿真分析載荷與邊界條件

（1） 仿真模型盡量模擬實(shí)車，計(jì)算時(shí)對(duì)模型總成施加Z向3g，X向0.8g，Y向0.5g加速度沖擊。

（2）重量與U形螺栓擰緊力矩：動(dòng)力電池重2.1t，電池框620kg，U型螺栓擰緊450Nm～550Nm。

4.1.2強(qiáng)度分析結(jié)果

對(duì)三種連接方案分別進(jìn)行仿真計(jì)算，分析對(duì)象應(yīng)力分布只是數(shù)值不同，分布部位相同，三種連接方案強(qiáng)度分析的應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)見表1，應(yīng)力分布如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

前上支架、前下支架、立板、動(dòng)力電池框底板支架的材料均為DL510，表中最大應(yīng)力值均在安全范圍之內(nèi);U形螺栓極限為785 Mpa，應(yīng)力值也在安全范圍之內(nèi)。連接方式3取消了前立板4及其緊固螺栓、取消后立板7與動(dòng)力電池框8之間的連接螺栓，與連接方式1相比，各關(guān)注部位的應(yīng)力均有一定程度的減低。

4.2 ? 實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)理論分析，結(jié)合CAE仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)連接方式1（原結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用連接方案3，即在原來4點(diǎn)連接的基礎(chǔ)上取消前立板4，取消后立板7與動(dòng)力電池框8底座之間的4顆連接螺栓。為了實(shí)車驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，在車輛滿載23t狀態(tài)下，在國(guó)道進(jìn)行走合試驗(yàn)時(shí)，每隔200km對(duì)管控螺栓的擰緊力矩檢測(cè)一次，同一部位連續(xù)測(cè)量3次。中間如有松動(dòng)，及時(shí)復(fù)緊后繼續(xù)試驗(yàn)。

納入力矩管控的螺栓如圖8所示。實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果和理論分析、CAE仿真結(jié)果一致。改進(jìn)前、后螺栓擰緊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

5 ? ?結(jié)果分析與建議

在取消前上、下支架貼合設(shè)計(jì)，使車架上翼面和電池框底座始終保持接觸承載的基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)力電池框與車架三種連接方式進(jìn)行理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)車驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1、當(dāng)去掉前立板4及其緊固螺栓、后立板7與動(dòng)力電池框8之間的連接螺栓后，連接方式3前上、下支架及其U形螺栓處的應(yīng)力值較連接方式1的應(yīng)力值還略有降低，說明前立板4和后立板7與動(dòng)力電池框的連接屬于過約束，使此結(jié)構(gòu)中存在干涉問題，降低了連接可靠性。

2、比較實(shí)車改進(jìn)前后關(guān)注部位管控螺栓擰緊力矩保持情況，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方案連接方式3的前上、下支架緊固螺栓擰緊力矩、U形螺栓擰緊力矩均在控制目標(biāo)范圍之內(nèi)，力矩保持能力較結(jié)構(gòu)改進(jìn)前有較大改善。

綜上，取消前上、下支架貼合設(shè)計(jì)，同時(shí)取消前立板4及緊固螺栓、取消后立板7與電池框8底座之間的連接螺栓，解除動(dòng)力電池框與車架在整車Z方向的約束，有利于前上、下支架連接螺栓和U形螺栓打緊，提高動(dòng)力電池框和車架連接強(qiáng)度，進(jìn)而提高動(dòng)力電池的安全性。并且，取消前立板4及其緊固螺栓，取消后立板7的緊固螺栓，減少了零部件數(shù)量、重量和成本。

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