純電動汽車尾碰性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉小會

（安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心車身電子院，合肥 230601）

0 引言

汽車尾碰雖然不像正碰和側(cè)碰那樣容易對車內(nèi)乘員造成直接的嚴(yán)重傷害，但是在碰撞過程中及碰撞后容易引起純電動汽車動力電池的短路甚至爆炸。因此如何做好車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以確保后碰事故中的人身和財(cái)產(chǎn)安全，備受汽車行業(yè)車身設(shè)計(jì)師的關(guān)注。本文以某型純電動汽車為例，講述如何通過做好車身后部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到提升車身后碰性能的目的。

1 尾碰傳力路徑及可能出現(xiàn)的主要問題

碰撞分低速和高速碰撞，本文主要講述50 km/h的高速碰撞中如何做好車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

高速碰撞發(fā)生時，約有60%~70%的碰撞能量通過潰縮吸能元件（塑料保險(xiǎn)杠、后防撞梁及吸能盒等變形元件）吸收，剩余30%~40%的能量通過縱梁及底盤懸架等向車身前端及地面?zhèn)鬟f衰減。后碰傳力路徑及能力分布如圖1所示。

圖1 后碰傳力路徑及能量分布圖

后碰可能出現(xiàn)3種較為嚴(yán)重的后果：1）車身后部區(qū)域嚴(yán)重變形，擠壓電池造成電池內(nèi)部短路，引發(fā)火災(zāi)及爆炸；2）車身后部縱梁及吸能區(qū)域未充分壓潰之前即出現(xiàn)折彎和扭曲，巨大的沖擊能量通過車身框架傳遞至乘員艙，造成對乘客的傷害；3）后門彈開，乘客被甩出車外，造成重大傷害。

為避免3種嚴(yán)重后果的發(fā)生，需做好主動安全和被動安全雙重防范工作；1)乘客自身需加強(qiáng)被動安全意識，系好安全帶，遵守交通規(guī)則；2）合理布置車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到弱強(qiáng)吸能區(qū)域明確區(qū)分，最大限度減少對乘員及動力電池的傷害及破壞。

2 純電動汽車車身后部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車身后部結(jié)構(gòu)在碰撞變形階段根據(jù)其變形的嚴(yán)重程度被分為3個區(qū)域，如圖2所示，其中潰縮吸能區(qū)是碰撞吸能的主要區(qū)域，占整個碰撞能量的60%~70%，此區(qū)域的理想變形模式為手風(fēng)琴式折疊變形；變形過渡區(qū)主要包括底盤后懸架及輪胎等一些底盤部件，主要起能量傳遞的橋梁作用，應(yīng)具有一定的剛性，避免因較大變形而造成對乘客的傷害，電池周圍區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一定的剛度要求，確保碰撞發(fā)生后該區(qū)域的完整性，且避免周圍有尖銳突出物，以免尖銳物與電池發(fā)生二次碰撞，造成爆炸。

圖2 車身后部變形區(qū)域劃分示意圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為保證乘客和電池在碰撞過程中不受到傷害，設(shè)定的目標(biāo)值為：碰撞后車身鈑金需與電池保證最小距離大于10 mm，且后排R點(diǎn)的位移小于75 mm。

圖3 某型純電動汽車碰撞后車身后部結(jié)構(gòu)變形圖

2.1 車身后部結(jié)構(gòu)變形模式分析

現(xiàn)以某型純電動汽車為例分析車身后部變形模式。

如圖3所示，該車型車身后部結(jié)構(gòu)在CAE模擬分析時，左右側(cè)后縱梁在不同的位置出現(xiàn)折彎，左右側(cè)變形不一致，潰縮吸能區(qū)并未潰縮變形,變形過渡區(qū)剛性不足。車身備胎池在碰撞過程中撞擊電池，且后排R點(diǎn)最大侵入量達(dá)到97mm，不滿足目標(biāo)要求，乘客和電池均有可能受到傷害，因此必須對車身后部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 某型純電動汽車車身后部結(jié)構(gòu)

2.2 車身后部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對車身后部結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)狀，采用“從后向前”的方法，即先對電池周圍區(qū)及變形過渡區(qū)進(jìn)行加強(qiáng),提高后部的剛性。另考慮純電動汽車的特殊性，動力電池離備胎池距離較近。現(xiàn)以某型純電動汽車為例介紹優(yōu)化方案。

1）通過后縱梁加強(qiáng)板的優(yōu)化，對圖4所示區(qū)域（變形過渡區(qū)）進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。如圖5所示，優(yōu)化加強(qiáng)板的型面，使其從“L”型變?yōu)椤癠 型”。

圖5 后縱梁加強(qiáng)板示意圖

2）通過本文2.1節(jié)可知，碰撞過程中主要是備胎池撞擊電池。取消備胎池結(jié)構(gòu)，如圖6所示，同時增加橫梁結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 備胎池取消示意圖

3 CAE分析驗(yàn)證

現(xiàn)以某型純電動汽車為例進(jìn)行優(yōu)化方案的驗(yàn)證。

圖8為某型純電動汽車優(yōu)化后CAE尾碰分析車身后部結(jié)構(gòu)變形圖。變形過渡區(qū)的剛性增強(qiáng)，碰撞過程中無變形。電池與車體無接觸，最小距離23 mm，滿足目標(biāo)要求；后碰R點(diǎn)的侵入量降低至25 mm，滿足目標(biāo)要求。

圖7 新增橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 某型純電動汽車碰撞后車身后部結(jié)構(gòu)變形圖

該方案經(jīng)過實(shí)車模擬碰撞驗(yàn)證，與CAE分析結(jié)果基本吻合，乘客及電池未受到較大損傷，一次性通過法規(guī)要求。

通過以上案例分析，總結(jié)后碰中車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及原則如下：1）變形過渡區(qū)內(nèi)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)相對較強(qiáng)，防止電池受到撞擊而發(fā)生短路及爆炸；2）電池布置區(qū)域內(nèi)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免尖銳物的出現(xiàn)，防止碰撞發(fā)生后尖銳物飛出與電池發(fā)生二次碰撞；3）純電動汽車車身備胎池結(jié)構(gòu)需與電池保持較大距離，否則取消備胎池結(jié)構(gòu)，若取消備胎池結(jié)構(gòu)，需增加橫梁結(jié)構(gòu)。

表1 優(yōu)化前后CAE分析結(jié)果及目標(biāo)值mm

4 結(jié)語

文章針對國家法規(guī)對后碰的評價方法及要求，以某型純電動汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，總結(jié)了純電動汽車尾碰性能提升的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法。該設(shè)計(jì)方法可以對其他新車型的開發(fā)起到一定的參考與借鑒作用。

［1］ 汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊（設(shè)計(jì)篇）［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 王愛國，楊桃.基于提高后碰性能的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽車工程師，2013（12）：27-30.

［3］ 何樂新，張湘衡.從汽車車身結(jié)構(gòu)談后碰撞［J］.汽車維修和保養(yǎng)，2013（1）：77-79.