基于強(qiáng)化路測試的后置蓄電池裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

常開慧，楊東風(fēng)，馬雷剛，伍祥龍，楊兆飛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

蓄電池作為兩大整車電源之一，是汽車能穩(wěn)定啟動的保證，具有非常重要的作用，因此必須確保它的可靠性和安全性。近年來，因重卡油箱容積提升的需求，部分重卡車型的蓄電池裝置開始考慮布置在車架尾部的內(nèi)側(cè)以節(jié)省總布置空間。因車架尾部工況較差，故我們在重卡后置蓄電池裝置的設(shè)計(jì)中，會增加減振結(jié)構(gòu)，蓄電池固定在蓄電池支架中，蓄電池支架與車架通過減振結(jié)構(gòu)連接。本文以整車在強(qiáng)化路上的載荷譜測試為切入點(diǎn)，系統(tǒng)的介紹后置蓄電池裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 工況獲取（載荷譜測試）

對于一輛重型卡車而言，尾部工況更為惡劣。在車輛行駛的過程中，車架尾部會產(chǎn)生更大的振動加速度和破壞力更強(qiáng)的振動頻率，而這些振動和沖擊最終會傳遞到安裝在車架尾部的蓄電池裝置上，導(dǎo)致蓄電池裝置發(fā)生蓄電池支架開裂、變形，蓄電池開裂、磨損、漏液、饋電，線束磨損等失效。大量的強(qiáng)化路驗(yàn)證也完全表明了我們猜想的正確性。

為避免后置蓄電池裝置的失效，從根本上解決問題，就必須有效遏制重型卡車尾部的惡劣工況。首先初步選定一個減振結(jié)構(gòu)（要求Z向有較大剛度，避免蓄電池裝置因減振結(jié)構(gòu)的剛度不足在 Z向產(chǎn)生較大位移的彈跳），然后對車架與蓄電池裝置進(jìn)行載荷譜測試，獲得精準(zhǔn)工況，并在此測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化蓄電池裝置的設(shè)計(jì)方案。

測試在強(qiáng)化路上進(jìn)行，強(qiáng)化路6.7km/周，包含卵石路、魚鱗坑、搓板路、石塊路等多種典型惡劣路況。在試驗(yàn)樣車上搭載GPS傳感器，在蓄電池與車架（蓄電池支架安裝點(diǎn)附近）上安裝加速度傳感器。圖1為載荷譜測試樣車行駛軌跡，測試持續(xù)時間約420s。

圖1 載荷譜測試

在車架與蓄電池的測試數(shù)據(jù)中各取一組進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)化蓄電池裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中所取的兩組數(shù)據(jù)必須在同一時段內(nèi)獲得。

1.1 加速度譜

加速度是動載荷產(chǎn)生作用的最直接的量化表現(xiàn)，因此在測試獲得的數(shù)據(jù)中，需要提取出車架和蓄電池的加速度譜。以各測試對象的加速度譜中的最大加速度作為研究依據(jù)，獲得減振結(jié)構(gòu)的隔振率，隔振率能夠直觀的反應(yīng)出減振結(jié)構(gòu)的減振效果。

車架行駛在不同路況的強(qiáng)化路上，跟隨時間變化的X，Y，Z三個方向的加速度如圖2：

圖2 車架加速度時域信號

根據(jù)加速度譜可獲得：車架在X方向的最大加速度約為2.99g，在Y方向的最大加速度約為4.89g，在Z方向的最大加速度約為9.72g。

圖3 蓄電池加速度時域信號

蓄電池跟隨時間變化的 X，Y，Z三個方向的加速度如圖3。

根據(jù)加速度譜可獲得：蓄電池在X方向的最大加速度約為9.00g，在Y方向的最大加速度約為4.40g，在Z方向的最大加速度約為5.32g。

1.2 功率譜密度

蓄電池裝置的振動來源于車架，車架是激振源。通過測試數(shù)據(jù)提取得到車架的功率譜密度，功率密度譜在一定程度上顯示車架的振動頻率集中區(qū)域。激振源在 X，Y，Z三個方向的功率譜密度如圖4-6所示：

圖4 X向功率譜密度

圖5 Y向功率譜密度

圖6 Z向功率譜密度

根據(jù)測試數(shù)據(jù)獲得：車架的在 X，Y，Z三個方向的激振頻率均集中在f=22.5HZ。

2 設(shè)計(jì)減振結(jié)構(gòu)的必要性（蓄電池耐振動分析）

在路試的過程中，蓄電池裝置未增加減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)前，蓄電池發(fā)生開裂、漏液等失效。失效可能的主要因素如下：

（1）車架尾部振動大，蓄電池裝置工作的工況差；

（2）蓄電池耐振動性能差。

為了確定蓄電池失效具體原因，特對蓄電池進(jìn)行耐振動分析，以進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 蓄電池耐振動試驗(yàn)

在測試中獲得車架的激振頻率主要集中在f=22HZ。根據(jù)GB-5008可知，蓄電池的耐振動試驗(yàn)在f=30HZ，Z向加速度為5g的工況下進(jìn)行。

因頻率越小，對蓄電池?fù)p害越大，加速度越大，對蓄電池?fù)p害越大。因此滿足國標(biāo)耐振動試驗(yàn)要求的蓄電池并不一定能適應(yīng)強(qiáng)化路工況，需對蓄電池重新進(jìn)行耐振動試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為：f=22HZ，Z向加速度10g。

耐振動試驗(yàn)完畢后，視檢蓄電池外觀，無裂痕、無邊形則蓄電池外觀通過耐振動試驗(yàn)。

然后以整車啟動電流放電 30s，并對蓄電池多個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行電壓測量，放電后電壓不低于7.2V（針對12V蓄電池），則蓄電池通過耐振動試驗(yàn)。

本文中蓄電池在經(jīng)耐振動試驗(yàn)8h后，檢驗(yàn)合格，蓄電池通過耐振動試驗(yàn)（若試驗(yàn)不通過，則需對蓄電池進(jìn)行重新選型，或者要求蓄電池供應(yīng)商優(yōu)化蓄電池內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)）。

通過蓄電池的耐振動試驗(yàn)，我們可以知道蓄電池失效的主要原因是（1）車架尾部振動大，蓄電池裝置工作的工況差。因此必須在蓄電池裝置與車架之間增加減振結(jié)構(gòu)。

3 減振結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 分析計(jì)算

對比車架和蓄電池裝置的加速度譜，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過減振結(jié)構(gòu)減振以后，蓄電池裝置在Y向和Z向上的加速度都得到較大程度的弱化，極大的減小了后置蓄電池工作工況的惡劣性。但蓄電池裝置在X向的加速度反而增加。

由隔振率T=lg20（代指車架加速度，代指蓄電池加速度）可得，減振結(jié)構(gòu) X向的隔振率 TX=-9.571, Y向隔振率TY=0.917, Z向隔振率TZ=5.235。

當(dāng) T＞0時，表示減振結(jié)構(gòu)具有減振作用。即，減振結(jié)構(gòu)在Y，Z方向上具有隔振作用，在X方向上不具備減振作用。

當(dāng)ω/f＞，0＜K＜時，減振結(jié)構(gòu)的隔振率隨著其剛度的增加而增加。其中m為系統(tǒng)質(zhì)量（本文指蓄電池裝置的質(zhì)量，110kg），ω為激振頻率（本文即為車架的振動頻率，22.5HZ），c為減振結(jié)構(gòu)的阻尼（本文選定的減振結(jié)構(gòu)阻尼為0.35），K為減振結(jié)構(gòu)的剛度（本文選定減振結(jié)構(gòu)的剛度為 X向30N/mm, Y向30N/mm, Z向260N/mm）,f為蓄電池裝置固有頻率(目前未知)。

當(dāng)1＜ω/f＜時，減振結(jié)構(gòu)對振動無減振作用。

當(dāng)ω/f＜1時，減振結(jié)構(gòu)對振動不僅無衰減作用，反而有放大作用。

當(dāng)ω/f=1時，減振結(jié)構(gòu)的激勵端（車架）與被動端（蓄電池裝置）發(fā)生共振。

通過計(jì)算得到：當(dāng)0＜K＜278.4N/mm時，若ω/f＞，則減振結(jié)構(gòu)的隔振率隨著其剛度的增加而增加。因減振結(jié)構(gòu)在X向剛度為30N/mm，即其在X向有減振作用，但蓄電池裝置在X向加速度反而比車架大，即證明蓄電池裝置在X向與車架發(fā)生了共振。

3.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

要解決蓄電池裝置在X向加速度過大的問題，可以參照下面兩個方案：

（1）取消X向減振，使車架和蓄電池裝置在X向?yàn)閯傂赃B接。

（2）改變蓄電池支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其固有頻率改變。避免蓄電池裝置和車架發(fā)生共振。

4 蓄電池支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蓄電池支架的失效模式包括開裂、斷裂、變形等，失效原因主要是在動載作用下的強(qiáng)度不足，因此需要對蓄電池支架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。

4.1 疲勞強(qiáng)度分析

輸入測試獲得的蓄電池裝置與車架的強(qiáng)化路上的加速度譜，對蓄電池裝置進(jìn)行疲勞強(qiáng)度仿真分析（圖7）。

在未進(jìn)行測試的情況下，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，給定工況，進(jìn)行仿真分析。給定工況包括：蓄電池裝置總成的X，Y，Z三個方向的加速度，車架的X，Y，Z三個方向的加速度，蓄電池裝置總成的質(zhì)量，蓄電池裝置總成相對于車架的位置坐標(biāo)。

圖7 蓄電池裝置疲勞強(qiáng)度分析

4.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

分析結(jié)果顯示，蓄電池支架主要失效位置在安裝孔和加強(qiáng)筋處，失效尺寸較小。要解決此問題，則需在安裝孔處增加墊片，增加加強(qiáng)筋厚度。

5 結(jié)語

（1）采集的載荷譜是蓄電池裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，是蓄電池后裝置工況的量化體現(xiàn)，是蓄電池耐振動試驗(yàn)、減震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和蓄電池支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要輸入。

（2）在進(jìn)行蓄電池裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的時候，可先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定一個減振結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行載荷譜的采集和后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）減震結(jié)構(gòu)的引入是針對重卡車型后置蓄電池裝置的失效原因，優(yōu)化蓄電池裝置的工作工況，很好的解決了后置蓄電池裝置的失效問題，為重卡的總布置讓出了更多的空間，對油箱容積的提升有非常重要的意義。

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