蓄電池安裝支架設計優化及開發建議

關鍵詞：蓄電池安裝支架;強度;平臺化;成本

0 引言

蓄電池安裝支架一般位于整車發動機艙內，主要作用是承載蓄電池總成，為其提供足夠支撐剛度，不出現開裂失穩。同時，GB 20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》中5.4 條規定，在碰撞過程中和碰撞試驗后，蓄電池應由保護裝置保持自己的位置[1]。這就要求蓄電池安裝支架要能承受一定的沖擊，不產生受迫脫離。所以蓄電池安裝支架是非常重要的功能性及與被動安全相關的車身類零件。

1 某車型蓄電池安裝支架

某車型蓄電池安裝支架的結構及固定方式如圖1。支架底部共3 個固定點，其中2 個點與車身前大梁通過螺栓緊固連接，第3 個點與發動機懸置支架螺栓緊固連接。該支架需承載的蓄電池質量為11.90 kg，側面承載的ECU 約0.37 kg。

2 開發中的典型問題

2.1 疲勞開裂

經試驗發現，該車型蓄電池安裝支架的3 個螺栓固定點處均出現不同頻次開裂，各故障車開裂模式相似，裂紋長度10.0 ～ 20.0 mm（圖2）。

為節約開發時間，主機廠通常會進行幾個月的強化路試來完成等效于普通路面十幾萬公里的耐久性試驗。王力按照零件連接特點和附件形式[2]，把車身附件支架分為了4 類，并指出了仿真分析內容和各工況加載載荷，將耐久問題轉化為以靜強度與材料屈服對比，簡化了交變載荷下疲勞開裂的分析模式，有較高的吻合度。在本公司產品開發中，也一直采用相同的驗證和仿真方法，與文獻[2] 不同之處在于，由于具體試驗環境不同，各路面強化系數不同，采集分析的加速度也不相同。

取10 大工況中緊急制動、極限轉向和過深坑工況3 種極限的工況進行對比，讀取仿真分析結果。可以看出，過深坑工況的應力值明顯高出其他兩種工況（圖3）。

支架材料為BLD（材料屈服強度130 MPa），厚度1.4 mm，開裂發生在等效于常規里程幾萬公里的階段，是典型的分析應力值低于材料屈服強度的疲勞開裂。同時，3 個固定點布置在不同的零件上，制造中各點Z 向高度不一致，實際確認存在> 1.0 mm 的高度差，也導致螺栓墊片的壓緊不平衡，受力狀態更加惡劣，增大了開裂風險。

由于產品上市的緊迫性和總布置邊界已鎖定，最終選定增加厚度1.4 mm、材料為B280VK 的加強板方案實施。經實車驗證滿足可靠性要求。

2.2 平臺化問題

按照規劃，本平臺兼容了CAR、SUV 和MPV 幾種不同類型的車，各車型整備重量、售價依次增加。圖4 以時間順序表示了在邊界條件變化時，為滿足整車需求，蓄電池安裝支架的對應解決方式，以及該零件種類從1 種增至4 種的過程。支架變化的影響因素共有6 個，分別為A、B、C、D、E、F，每個因素2 種水平（D3 可以與D1 統一），理論上平臺內可以做到僅用2 個支架覆蓋所有車型，且基礎件相同，僅在有無附屬支架、開孔多少上進行區分。實際由于首款車型以最小的邊界（含承載的蓄電池質量）進行布置，導致后續車型的任何變動都無法兼容，重復性地在具體結構上全新開發，耗費很多的設計、制造和驗證成本，平臺化的整體協調性待提升[3] 。

2.3 其他問題

蓄電池與蓄電池安裝支架通過壓桿連接，壓緊面積小。行駛過程中蓄電池會與蓄電池安裝支架相對滑動，支架承載面的電泳保護層在長時間摩擦后脫落，隨后金屬板在潮濕環境中產生銹痕（圖5）。該問題通過在兩者間增加塑料固定支架進行了優化，但受限于金屬類零件的特點，支架其余各切邊處無法完全避免該問題。

以上的開發過程典型問題，最終解決方案均滿足產品可靠性等要求，但增加了額外的質量和成本。

3 開發建議

輕量化和低成本是車身設計的重要原則。結合車身支架類零件設計需求，在進行蓄電池安裝支架等附件類零件開發時，從以下幾點兼顧考慮。

3.1 結構設計

結構是基礎工作，強度失穩多數是零件局部或整體抵抗變形能力差，可以歸結為零件設計的剛度問題[4]。蓄電池安裝支架的剛度主要是底部安裝面剛度，薄板類零件剛度提升要有好的截面形狀，以達到彎扭要求。要求在蓄電池安裝面周邊增加高度為15.0 ～ 20.0 mm 的連續翻邊，拐角處為避免成型疊料，翻邊高度也做到5.0 ～ 7.0 mm。同時，充分利用安裝面的筋條，交叉布置，筋條深度至少大于安裝的螺栓頭厚度3.0 mm，總深度在11.0 ～ 12.0 mm 左右;筋條和翻邊平滑過渡，不出現應力集中和剛度突變。安裝ECU 的垂直面，要與支架底部形成“U”型半包圍焊接結構，并要求同一個面至少有2 個焊點。

3.2 固定點布置

統計另8 款蓄電池安裝支架，支架的固定點數量均為4 個，固定點分布如圖6 所示。

本文實施的3 個固定點支架厚度為2.8 mm，8 款對標車支架平均厚度為1.6 mm，不考慮本零件因驗證時間緊張引起的設計保守性，該零件厚度為常規設計的2.4 倍，是可改善的點。

后續開發應使支架的固定點為4 個，盡可能使固定點的幾何中心與蓄電池重心接近，減小蓄電池振動時對安裝支架固定點處施加的力矩。固定點的位置，應避免安裝在發動機懸置上，規避發動機持續振動引起的失效風險。同時，固定點都布置在車身側，制造上也使各安裝面的Z 向偏差可控，對壓緊螺栓受力均衡有利。

3.3 平臺化

本平臺如能控制蓄電池安裝支架種類為2 種，單從模具投入上至少節省40 萬元，是非常有效的降低開發投入的措施。推動新產品開發時應從平臺內各車型的平衡出發，在配置梯度上實現共享，即高端配置上做到接口完備，低端配置上根據需要逐漸梯度取消。例如，質量和尺寸上以最大的邊界狀態開發基礎結構;附屬零件（ECU、TCU 和線束等）布置、連接及性能要求一致，在整車中位置相對固定;推動供應商的接口平臺化，服務于整車，保持接口穩定性。共同使平臺內綜合的制造、驗證和分攤成本最優化。

3.4 材料趨勢

在發動機艙等可見度相對高的區域，除增加隔板、更換鍍鋅板等提升金屬類零件防腐性能的措施外，在工程塑料和復合材料上也有較多方案。本平臺的大改迭代項目上，新開發的PP 材質蓄電池安裝支架，同比金屬材質減重48% 左右，且無成本增加，效果良好（圖7）。車身零件可進一步推廣相關開發經驗，結合工程塑料優良的力學性能、防腐性和可加工性等，來應對輕量化要求更高的電動化趨勢。