純電平臺鋼鋁混合車身機艙框架結構設計

陳宗明 李玄霜

摘 要：車身機艙框架結構是汽車發生正碰時吸能和傳遞載荷的重要總成，其耐撞性和輕量化設計影響到整車碰撞性能及輕量化水平;基于某款純電動車型，采用鋼鋁混合材料完成機艙的框架結構設計，保證50km/h全正碰試驗及64km/h偏置碰試驗過程中，機艙框架穩定壓潰變形，吸能模式合理，達到碰撞性能目標;同時保證機艙框架上重要安裝點的性質指標。

關鍵詞：車身機艙框架;鋼鋁混合材料;輕量化;耐撞性

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-50-04

Structural Design of Steel-Aluminum Hybrid Engine Room Frame

of Pure Electric Platform

Chen Zongming， Li Xuanshuang

（ GAC R&D Center， Guangdong Guangzhou 511434 ）

Abstract： The BIW engine room frame structure is one of the most important assemblys which absorb the impact energy and transfer load， Its crashworthiness and lightweight design affect the crash performance and lightweight level of the whole vehicle. Based on a pure electric vehicle，frame structure design of engine room with steel aluminum mixture， ensure the engine room frame is stable in collapse and deformation， the energy absorption mode is reasonable， and the collision performance target is achieved during 50km/h full frontal impact test and 64km / h offset impact test. At the same time， ensure the property index of the important installation points on the engine room frame.

Keywords： BIW engine room frame structure; Steel aluminum mixture; Lightweight; Crashworthiness

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-50-04

引言

隨著環保和節能要求日益嚴苛，純電汽車已經成為全球汽車行業的重要發展方向，與此同時，輕量化白車身設計仍舊是白車身開發的主要趨勢。

純電汽車相比常規能源，由于電池包的原因，整備重量相對較大，其白車身設計的輕量化需求更加凸顯;兼顧輕量化設計，同時需要滿足碰撞性能需求，對常規機艙結構對來一定挑戰。

通過新材料完成常規白車身機艙框架結構的輕量化設計是當前一種趨勢，鋁合金密度是鋼的1/3，是當前輕量化設計的一種主流車身材料。沈斌[1] 提出鋁合金前縱梁可以替代鋼質薄壁梁進行前縱梁設計;陳吉清[2]提出鋼鋁混合材料車身中的部分構件由高強度鋼板和鋁合金板組合而成，能夠發揮高強度鋼板在強度及價格方面的優勢，同時兼顧鋁合金材料減重吸能方面的特性，于成本提高不大的前提下實現輕質車身結構的耐撞性設計。金泉軍[3]提出了鋁合金防撞梁的輕量化及安全性能較高強度鋼均有明顯改善。

本文通過某款純電汽車機艙框架結構開發，闡述如何運用鋼鋁混合材料，通過截面設計，框架搭建，實現輕量化設計，并滿足碰撞試驗性能及重要安裝點性能要求，從而為純電汽車機艙框架結構的輕量化設計提供指導。

1 框架結構設計

在汽車白車身結構里面，車身機艙是應對碰撞性能的重要區域，在50km/h正碰及64km/h偏置碰試驗中，其作為主要直接接觸區域需要通過變形吸收大部分碰撞能量。

考慮目標車型為純電汽車，機艙區域的框架結構設計空間需要考慮避讓電機總成、左右輪胎包絡及前端模塊總成;如圖1所示，形成機艙框架中前縱梁框架的初步結構。

結合上縱梁及副車架框架設計，采用“品”字形機艙框架結構，形成三個封閉連接，橫梁縱梁相互呼應、結構緊湊，提高了機艙剛度、模態與機艙穩定性;如圖2所示，優化傳力路徑，將能量進行更充分吸收和分散。

橫向框架以前防撞梁為主，縱向通道以前縱梁為主通道，以上縱梁為輔助通道，并通過副車架安裝板將副車架框架連接一起，在下部增加一個縱梁通道，提高碰撞試驗過程中的穩定性。

為滿足機艙框架結構的碰撞吸能目標，需合理定義框架結構的吸能空間。吸能空間的設計及校核，需要考慮車型的整備重量及碰撞工況。目標車型為中大型純電SUV，整備質量高達2080KG;結合艙內附件布置及碰撞工況吸能需求（理論參考計算公式如下）。

①碰撞能量守恒公式：?MV?=FAVG ?

②平均壓潰力與最大壓潰力關系式：

FAVG ?=? FMax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

③力與加速度關系式：FMax=MaMax

吸能變形空間：?=V?/2 ?aMax

（V為測試速度;?為壓潰率;aMax為乘員艙最大減速度，與乘員傷害值相關，35g-40g）

完成前碰吸能空間定義，實際目標車型的前碰軸向吸能空間為417mm（為a、b、c值之和），如下圖3所示。

2 截面及材料設計

前縱梁作為機艙區域主要壓潰吸能部件，由于內外側輪胎包絡及電機總成的限制，其Y向尺寸定位80mm;通過對標車的截面對比分析及周邊附件的空間的安裝需求，完成前縱梁主截面“日”字型的尺寸設計，如表1所示。

碰撞試驗中，為保證機艙區域由前往后的穩定壓潰吸能，軸向梁截面的設計需要保持由前到后，由弱到強;軸向主梁由前到后包括吸能盒、前縱梁、前縱梁后端，根據前縱梁的主截面尺寸，完成前后端部件截面及尺寸設計，如表2所示。

材料的選擇定義，需要保證安裝點性能需求的同時，保持碰撞試驗過程中由前往后逐步壓潰穩定變形吸能。

得益于純電汽車機艙區域規整的布置空間，目標車型的機艙總成采用鋼鋁混合材料設計，主要框架結構部件均采用鋁合金材料，有效提升碰撞吸能效果及實現車身輕量化設計。主框架的材料定義如圖4所示，前防撞梁采用擠壓鋁合金GE7003-T7，吸能盒及前縱梁采用擠壓鋁合金GE6063- T6，前縱梁后端采用鑄造鋁合金SF36。

前防撞梁采用擠壓鋁合金GE7003-T7擁有較高的抗拉屈服強度及斷裂延伸率，有效保證碰撞變形過程中的橫向穩定性，采用T7獲取較高的斷裂延伸率，避免其過早斷裂，導致變形機艙框架結構變形失穩。吸能盒及前縱梁均采用GE6063-T6，屬于擠壓鋁合金里面壓潰吸能較為穩定的材料，也是前縱梁采用材料。前縱梁后端采用鑄造鋁合金SF36，雖然鑄造鋁合金抗拉屈服強度較低，但是鑄造結構可以通過復雜的加強筋型腔設計，提供足夠高的部件剛度，保證變形的穩定。而副車架安裝盒是此區域唯一采用的鋼板結構部件，由于副車架安裝點需要較高的動剛度及強度性能需求，由于鋼板較鋁板有著較高的彈性模量，結合成本和重量分析，此處采用常規鋼板材料GC420LA。

3 性能分析

此區域主要涉及碰撞試驗中的50km/h正碰及64km/h偏置碰試驗，另外也需要考量重要附件安裝點的性能需求，主要涉及到副車架的安裝點性能要求。

目標車應對50km/h正碰及64km/h偏置碰工況的CAE分析結果如下圖5所示。

在50km/h正碰工況時，艙內區域無明顯變形，吸能盒正常潰縮，縱梁前段沿軸向均勻壓潰，中后段變形較小，組合支架及電器系統與周邊無明顯擠壓;左/右側加速度分別為35.7g/40.4g，達到小于43的目標要求。在64km/h偏置碰工況時，艙內區域無明顯變形，吸能盒正常潰縮，左縱梁前段穩定軸向壓潰，后段出現折彎;左/右側加速度分別為44.1g/ 34.5g，達到小于45g的目標要求。

副車架的安裝點動剛度分析結果如表3所示，均達到目標要求。

4 結束語

本文基于某款純電乘用車的機艙結構總成，闡述了一種鋼鋁混合材料的純電汽車機艙結構框架設計思路，并完成相關性能分析。結果表明：

（1）結合白車身機艙框架結構及底盤副車架結構設計，采用“品”字型的車身前端框架結構，其應對碰撞試驗時有較為穩定的變形趨勢。

（2）通過碰撞能量守恒公式及經驗值，可以有效在開發前期定義及校核碰撞吸能空間需求。

（3）合理的材料定義對碰撞性能及安裝點性能的保證有較大影響;目標車型采用有較高強度的擠壓鋁合金（GE 7003-T7）設計前防撞梁，壓潰性能良好的普通強度擠壓鋁合金（GE 6063-T6）設計吸能盒及前縱梁，有效保證機艙框架在碰撞過程中的變形穩定性;而采用鋼板結構的副車架安裝盒，有效提供了副車架安裝點的性能要求。

（4）此鋼鋁混合材料的機艙框架結構，相比常規鋼制結構減重約30%;應對50km/h正碰及64km/h偏置碰試驗，加

速度目標均達標。

參考文獻

[1] 沈斌，任莎莎.鋁合金汽車前縱梁的碰撞性能仿真研究[J].機電一體化.2012（7）：16-19.

[2] 陳吉清，黃信宏，周云郊，et al.鋼鋁混合汽車前縱梁的耐撞性優化方法比較[J].華南理工大學學報（自然科學版），2012（07）：94-98.

[3] 金泉軍，陳偉，張然然，et al.汽車鋁質防撞梁的輕量化設計及分析%Lightweight design and analysis of automobile aluminum alloy anti-collision beam[J].汽車實用技術，2018， 044（007）：151-156.