某商用車底盤后背動力電池框與車架連接方式分析

摘 ?要：動力電池安全性是新能源車型開發過程中關注的焦點。針對某款純電動商用車底盤后背動力電池框與車架連接結構，依據螺栓緊固原理，結合該車在生產線上的裝配流程，本文提出了優化純電動車型后背動力電池框與車架連接結構的方案，并通過仿真分析、實車測試驗證。

關鍵詞：純電動商用車;底盤;動力電池框;連接方式

中圖分類號：U467 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0135-05

Analysis of the Connection Mode Between the Back Power Battery Box and Frame of a Commercial Vehicle Chassis

PAN Xue-yu

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： The safety of power battery is the focus in the development of new energy vehicle.Aiming at the connection structure between the back power battery box and frame of a battery electric commercial vehicle， according to the principle of bolt fastening and the assembly process of the battery electric commercial vehicle on the production line， this paper puts forward a scheme to optimize the connection structure between the back power battery fox and frame of battery electric commercial vehicle， which is verified by simulation analysis and trial vehicle test.

Key Words： Battery Electric Commercial Vehicle; Chassis; Power Battery Box; Connection Mode

潘學玉

畢業于重慶大學，起重運輸與工程機械專業，現就職于東風商用車技術中心，任高級工程師、東風公司一級人才庫專家。長期從事商用車底盤懸架系統設計工作，主研起草空氣懸架國家標準三項（863計劃項目2006AA 110117子項），獲湖北省質監局重點項目資助獎一項，東風公司科技進步獎九項，東風公司標準制訂獎三項，授權發明專利四項，東風公司優秀論文獎三項。

前 ? ?言

隨著我國節能減排要求的不斷提高，新能源汽車的發展被國家列為戰略新興產業之一，純電動車型開發獲得了快速發展。然而，隨著前期市場暴露出的動力電池安全性問題，各主機廠都把純電動車型動力電池安全防護放在重中之重的位置。

由于離地高，防水、防塵效果好，動力電池置于車架之上、駕駛室之后的布置方式受到越來越多設計者的青睞。

針對動力電池自重大、防振性能要求高，某新能源車型在開發初期采用4點連接提高動力電池框與車架單側連接的可靠性。通過分析這4點連接的緊固方式，找出了結構中存在的約束干涉問題、前上、下支架接觸面貼合設計不當問題及其動力電池框在車輛Y方向存在間隙難以打緊問題。針對上述原因，結合車型開發中的裝配工藝流程，采用取消中間連接點，同時取消前上、下支架接觸面貼合的方案，經過仿真分析、實車驗證可以提高該處連接可靠性。

1 ? ?問題描述

某車型為4X2中型環衛純電動車型，開發初期動力電池框和車架連接方式如圖1所示，1-前上支架，2-前下支架，3-車架，4-前立板，5-U形螺栓，6-動力電池框支架，7-后立板，8-動力電池框動力電池框8的底座和車架3的上翼面貼合，車輛單側二者存在4點緊固連接。前上支架1固定在動力電池框8的底板上，前下支架2和車架3的腹面連接。前上支架1和前下支架2通過螺栓連接。前立板4、后立板7的上端均通過螺栓和動力電池框8的底板連接，它們的下端均與車架3的腹面連接。動力電池框8的后端有焊接支架6，倒穿的U形螺栓把車架3的縱梁和動力電池框8的后端緊固在一起。

為了確保新能源車型動力電池的安全，在新車走合試驗中，試驗人員把3輛新能源車型的動力電池框和車架連接處的緊固螺栓力矩納入重點管控，每200km復緊檢測一次，結果發現以上4點連接處的螺栓松脫、擰緊力矩衰減問題突出，直接影響電池框連接可靠性。

2 ? ?原因分析

2.1 ? 結構上存在約束干涉

如圖1所示， 動力電池框8和車架3單側有4處約束，分析如下：

（1）前立板4、后立板7上半部分通過螺栓和電池框8的底座相連，其下半部分通過螺栓和車架3相連。螺栓在整車的Y方向打緊后，在Z方向，電池框8的底座和車架3之間不能相對運動。

（2）欲使U型螺栓、前上支架1和下支架2的連接螺栓連接產生軸向夾緊力，則需要車架3和電池框8的底座在Z方向能夠相對移動，解除約束。

因此，前立板4、后立板7兩點的約束和兩端的約束互相干涉，直接影響連接可靠性。取消部分約束，減少零部件數量，消除干涉，實現降低重量、降低成本本，并且提高了連接質量。

2.2 ? 前端支架貼合設計不當

前端上支架1和下支架2貼合，通過螺栓打緊。由于實際存在的加工誤差，當動力電池框8的底座和車架3的上翼面貼合時，很難保證前端上支架1和下支架2同步貼合。如果支架1和支架2提前貼合，動力電池框8的底座和車架3上翼面就會有間隙，則動力電池和電池框前端的重量就會通過支架1和支架2之間的貼合面傳遞，容易造成前上、下支架承載損壞。并且，由于縫隙的存在，造成U形螺栓打緊力矩為虛，容易松動。

2.3 ? 沒有考慮裝配工藝

如圖2所示，在生產線上，前下支架2、前立板4和后立板7與車架3先裝配好，然后車架3翻轉正立后再裝動力電池框8。為了使動力電池框8落裝車架3上翼面時方便，立板4、立板7與動力電池框8的外表面在Y方向必然存在間隙。間隙致使立板4、立板7與動力電池框8在Y方向的緊固螺栓難以打緊。

3 ? ?解決方案

（1）取消前上、下支架接觸面貼合，加大前上、下支架之間的距離，使動力電池框8的底座和車架3的上翼面始終貼合，保證動力電池及電池框的重量主要由車架上翼面承擔。

（2）取消前立板4及緊固螺栓、同時取消將后立板7與動力電池框8相連的螺栓，解除電池框8的底座和車架3在Z方向移動的約束，使前上、下支架之間的緊固螺和U形螺栓的擰緊力矩最大程度的轉化為Z方向（軸向）的夾緊力，使動力電池框8和車架3更容易打緊。

4 ? ?方案驗證

4.1 ? 仿真分析驗證

4.1.1仿真分析載荷與邊界條件

（1） 仿真模型盡量模擬實車，計算時對模型總成施加Z向3g，X向0.8g，Y向0.5g加速度沖擊。

（2）重量與U形螺栓擰緊力矩：動力電池重2.1t，電池框620kg，U型螺栓擰緊450Nm～550Nm。

4.1.2強度分析結果

對三種連接方案分別進行仿真計算，分析對象應力分布只是數值不同，分布部位相同，三種連接方案強度分析的應力值統計見表1，應力分布如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

前上支架、前下支架、立板、動力電池框底板支架的材料均為DL510，表中最大應力值均在安全范圍之內;U形螺栓極限為785 Mpa，應力值也在安全范圍之內。連接方式3取消了前立板4及其緊固螺栓、取消后立板7與動力電池框8之間的連接螺栓，與連接方式1相比，各關注部位的應力均有一定程度的減低。

4.2 ? 實車驗證

根據理論分析，結合CAE仿真計算結果，對連接方式1（原結構）進行了改進設計，采用連接方案3，即在原來4點連接的基礎上取消前立板4，取消后立板7與動力電池框8底座之間的4顆連接螺栓。為了實車驗證改進方案的有效性，在車輛滿載23t狀態下，在國道進行走合試驗時，每隔200km對管控螺栓的擰緊力矩檢測一次，同一部位連續測量3次。中間如有松動，及時復緊后繼續試驗。

納入力矩管控的螺栓如圖8所示。實車驗證結果和理論分析、CAE仿真結果一致。改進前、后螺栓擰緊統計數據如表2所示。

5 ? ?結果分析與建議

在取消前上、下支架貼合設計，使車架上翼面和電池框底座始終保持接觸承載的基礎上，對動力電池框與車架三種連接方式進行理論分析、仿真計算和實車驗證，得到如下結論：

1、當去掉前立板4及其緊固螺栓、后立板7與動力電池框8之間的連接螺栓后，連接方式3前上、下支架及其U形螺栓處的應力值較連接方式1的應力值還略有降低，說明前立板4和后立板7與動力電池框的連接屬于過約束，使此結構中存在干涉問題，降低了連接可靠性。

2、比較實車改進前后關注部位管控螺栓擰緊力矩保持情況，發現改進方案連接方式3的前上、下支架緊固螺栓擰緊力矩、U形螺栓擰緊力矩均在控制目標范圍之內，力矩保持能力較結構改進前有較大改善。

綜上，取消前上、下支架貼合設計，同時取消前立板4及緊固螺栓、取消后立板7與電池框8底座之間的連接螺栓，解除動力電池框與車架在整車Z方向的約束，有利于前上、下支架連接螺栓和U形螺栓打緊，提高動力電池框和車架連接強度，進而提高動力電池的安全性。并且，取消前立板4及其緊固螺栓，取消后立板7的緊固螺栓，減少了零部件數量、重量和成本。

參考文獻：

[1]濮良貴.機械設計[M].北京.高等教育出版社.2013.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京.化學工業出版社.2010.

[3]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].北京.高等教育出版社.2016.

[4]孫桓. 機械原理[M].北京.高等教育出版社.2006.

[5]胡驊. 電動汽車[M].北京.人民交通出版社.2012.