某電動車型的后車架結構優化設計

蘇振　龐慶　唐春柳

【摘 要】隨著近年來燃油汽車保有量的持續增長，由此帶來的能源緊張與環境污染問題日益凸顯，向電動車轉型是全世界的趨勢，各傳統汽車廠家都在著手研究新能源汽車。新能源汽車對車身結構設計提出了新的要求。文章介紹了一種新的電動汽車的后車架結構，不僅能夠滿足動力電池的承載要求，還能給予電池提供組夠的安裝空間及避蕩空間，保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。

【關鍵詞】電動汽車;車架結構;電池保護

【中圖分類號】U463.32 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0051-02

0 引言

近年來，世界主要的汽車強國紛紛表示要將新能源汽車提升至國家戰略，更是提出了“禁止銷售燃油汽車時間表”，同時采取了一些限行措施。我國也在主動、積極、系統地推動新能源汽車的發展。基于新能源汽車結構的特點，對汽車車架的設計也提出了更高的要求。新能源汽車的碰撞性能需要滿足相關安全標準和法規，包括《汽車正面碰撞的乘員保護》《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》《電動汽車安全要求》《電動汽車碰撞后安全要求》等。車架是汽車的主要承載、受力部件，其功能類似于人體骨骼，如果人體沒有完整的骨骼系統，就不能完成正常的運動。汽車車架不僅是汽車各個部分連接的節點和基礎框架，更是承受載荷的基礎構件，其結構設計強度直接關系著汽車的被動安全保護裝置、電池部件保護位置、乘員的安全性保護等方面。

本文基于某車型為了解決現有技術中的不足而提供一種電動車后車架組件，通過將左后大梁和右后大梁延長設計，半包圍電池，這種設計給予電池提供足夠的安裝空間及避蕩空間，保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。

1 背景

目前電動汽車后車架通常由左后大梁焊合件、右后大梁焊合件、后地板橫梁焊合件、后端梁總成等零件構成。橫梁焊合件前面的空間用于布置動力電池，后面的空間為碰撞緩沖吸能區域，動力電池的安裝固定于后大梁焊合件上，一般左右各兩個安裝點（如圖1所示）。

1.1 CAE分析加載條件

整車碰撞有限元分析模型基于零部件網格的劃分、材料模型的選擇、各部件連接方式的定義及邊界條件等，同時參考《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》（GB 20072—2006）的工況進行設定，評估動力電池包碰撞后是否存在風險。電動汽車總質量設定為600 kg，碰撞速度設定為50 km/h。

1.2 評價標準

{1}碰撞結束30 min內，動力電池包不應發生爆炸、起火。②碰撞結束30 min內，不應有電解液從REESS（車載可充電儲能系統）中溢出到乘員倉，不應有超過5.0 L的電解液從REESS中溢出。{3}為了防止直接接觸高壓帶電部位，碰撞后的車輛應該有IPXXB級別的物理防護。此外，為了防止間接接觸的觸電傷害，用大于0.2 A的電流進行測量，所有外露的可導電部件與電平臺之間的電阻應低于0.1 Ω。

1.3 分析結果

按照國家標準《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》（GB 20072）的工況進行設定，碰撞速度為50 km/h的條件進行后碰仿真分析，結果不能滿足要求（如圖2所示）。設計結構存在以下問題：①后大梁焊合件出現較大折彎，碰撞后，后端空間僅剩約180 mm，沒有足夠的空間布置選裝電池。②汽車后輪前移位移量較大，后懸掛整體移動，后懸安裝支座撞擊到動力電池包，電池包出現較大變形，存在很大的風險。③動力電池固定安裝支架最大塑性應變為0.172，存在一定的撕裂風險。④碰撞過程中，動力電池包安裝螺栓受到最大應力為21.4 kN的軸向拉力、25.5 kN的剪切力，存在電池包安裝螺栓失效的風險。

2 原因分析

碰撞區域主要分成吸能變形、抵抗變形區域。在高速碰撞中，通過合理的壓潰變形來充分吸收碰撞能量，減少碰撞能量向后傳遞到乘員倉，減小成員倉的變形，保護車內成員的安全。同時，在動力電池安裝位置、副車架安裝位置抵抗變形，以保護動力電池安全。在通過對CAE分析結果進行研究，同時對模擬數據的結構深入分析，我們認為后車架碰撞性能不滿足的原因有以下幾點：①該后車架結構具體為左、右門檻內板后加強板側面與大梁點焊連接，橫梁焊于大梁側面，搭接處大梁與橫梁均為簡單的單層結構，強度嚴重不足。②車架結構布置不合理，受力傳遞路徑和碰撞吸能區域都不是很理想，后大梁焊合件吸能變形區域過于靠前且變形不完全，副車架支座位置應屬于不能變形區域，而設計上強度不足，碰撞產生了應力變形，導致了副車架與動力電池的撞擊。③電池支架為簡單的“幾”字形支架，零件剛度不足，產生應力變形。④電池安裝固定點作為碰撞受力敏感點，固定螺栓數量卻偏少，導致碰撞時應力集中，螺栓損壞。

3 改進方案

由之前的仿真分析可知，電動汽車在受到后面碰撞時，由于吸能件不能把所有的碰撞能量全部吸收，所以導致車身結構變形，還會將能量傳遞至周圍的連接部件。通過側面碰撞分析結果，應以減少后大梁動力電池安裝座位置變形、減少動力電池安裝點結構形變、降低后大梁尾端的侵入量和侵入速度為目標進行優化改進，對整車結構提出合理可行的優化方案，再對優化版的后車架結構進行分析計算，通過仿真分析結果，驗證改進后的車身結構是否能對乘員、動力電池起到保護作用，滿足碰撞標準要求。

同時，我們考慮到該車架所需滿足的沖壓工藝、焊接工藝及裝配工藝，以及結構加強所需的零件增加，重量增加引起的成本變更，本著以低成本、高效益的原則，最終制訂了以下方案：{1}為了優化后車架整體碰撞應力傳遞路徑，增加對于動力電池的保護，增加末端大梁的能力變形吸收，加長后大梁前端長度和型面，調整大梁彎曲，將橫梁端頭改為喇叭狀，使車架形成兩圓弧相對的形式（虛線所示），前后開口比例約1.5∶1（如圖3所示）。{2}為了加強動力電池包安裝點區域的結構強度，減少大梁與橫梁搭接處受力變形，增加“Y”形接頭，將搭接處大梁與橫梁由單層結構加強為成雙層結構，同時可以將后車架上動力電池的安裝螺栓數量由4顆增加至8顆，降低電池的螺栓斷裂失效風險（如圖4所示）。{3}為了讓后大梁末端更好地壓潰吸能，保護中部的動力電池，將后大梁Z向截面設計為兩端小、中間大的漸變結構，中間高度與兩端比值約2.5∶1（如圖5所示）。

4 方案分析驗證

將優化后的車身結構替換到初版設計模型中進行計算，顯示優化后的后車架結構不僅給予電池提供足夠的安裝空間及避蕩空間，而且保證車身受后端碰撞后，電池免受后端碰撞的沖擊，提高了受低速后撞車輛的行駛安全性。此結構經過CAE分析，碰撞過程中鈑金最大塑性應變為0.108，無風險，且動力電池包沒有受到擠壓，整體沒有明顯變形，之后也通過了實車碰撞測試驗證。

5 結論

此次對于后車架結構進行了碰撞仿真分析，根據分析結果對汽車運動變形、車身關鍵位置的變形速度、侵入量曲線及應力傳遞路徑、能力吸收管理、車身結構變形進行分析，找出了初版結構設計不合理的地方，對不滿足目標項的結構提出了更改意見，最終得到了滿足試驗和性能要求的新結構。對設計者來說，充分借助CAE分析軟件進行理論分析，是設計中的一個重要手段。理論與實際相結合，有效地解決了設計中的問題，找到了結構與成本的最佳結合點，從而輸出更高質量的車身結構設計。

參 考 文 獻

[1]林炳華.最新汽車使用設計[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005.

[2]黃金陵.汽車車身設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進設計方法和流程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]何耀華.汽車試驗技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[責任編輯：鐘聲賢]