機艙三電托架結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

華西娟，徒高橋

（陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

引言

和傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車有更多涉及控制及電器方面的零件，如電機、電機控制器、高壓保險盒、DCDC、充電機、蓄電池等。前艙是電動汽車高壓零部件集中的地方，其在前艙中布置的各種高低壓零部件，均要求車身提供可靠的安裝固定結(jié)構(gòu)。

1 設計要點

1.1 機艙三電骨架基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在常見的結(jié)構(gòu)形式為，在左右縱梁上布置2根橫梁，根據(jù)電機控制器、充電機、蓄電池、DCDC、三合一等零部件的整車布置位置，在兩根橫梁上設計安裝點或增加小支架。

設計要求：

a）滿足汽車總布置的要求；

b）滿足三電系統(tǒng)等相關(guān)零件的安裝要求；

c）滿足四大工藝要求，具有較好的工藝可行性；

d）滿足輕量化的分解目標。

具體設計需結(jié)合CAE模態(tài)、剛度、強度等性能的分析結(jié)果及整車成本、整車輕量化的要求。

圖1

1.2 結(jié)構(gòu)布置說明

上圖結(jié)構(gòu)的機艙三電托架布置于為半承載式車身中地板處，即駕駛員及副駕駛座下部區(qū)域。有效利用座椅下部空間用于布置充電機、DCDC、蓄電池、高壓配電盒等電動車電器零部件。

1.3 設計選材

布置于左右縱梁之間的兩根主橫梁采用U型結(jié)構(gòu)，根據(jù)托架上布置零部件的重量、結(jié)構(gòu)，定義前后主橫梁材料為DC01/SPCC 1.5mm。

1.4 與車身骨架的固定方式

將上圖結(jié)構(gòu)的機艙托架焊接于車架左右縱梁處，有利于將力傳遞至縱梁。機艙三電托架采用焊接形式固定于車架上。

圖2

1.5 原結(jié)構(gòu)缺陷分析

在開發(fā)完成后進行試裝路試后進入批量裝車狀態(tài)。經(jīng)后續(xù)市場反饋及車型優(yōu)化需求，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)機艙托架因前后橫梁為開口結(jié)構(gòu)，剛性較差，同時因空調(diào)壓縮機為高頻振動件，NVH較差。

1.6 原三電托架總成CAE分析

對目前空調(diào)壓縮機在機艙托架總成上的裝配方式均進行CAE分析，模態(tài)和強度結(jié)果分別如下圖3和圖4所示：

圖3 模態(tài)分析結(jié)果

圖4 強度分析結(jié)果

表1 模態(tài)分析結(jié)果匯總表

表2 強度分析結(jié)果匯總表

壓縮機工作情況：

1）T室內(nèi)＞28℃時，轉(zhuǎn)速為3200rpm，PWM輸出電壓：9～10V；

2）26℃≤T室內(nèi)≤28℃時，轉(zhuǎn)速為2300 rpm，PWM輸出電壓：5～6V；

3）T室內(nèi)＜26℃時，轉(zhuǎn)速為1440rpm，PWM輸出電壓：1～2V。

分析結(jié)果：因機艙托架主橫梁結(jié)構(gòu)剛性較差，在空調(diào)壓縮機工作狀態(tài)下三電托架總成發(fā)生共振現(xiàn)象，NVH性能差；三電托架縱向和垂向工況最大應力均超過屈服強度，失效風險較高。

2 優(yōu)化設計步驟

2.1 結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化

機艙三電托架前后主橫梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由原來U型開口截面更改為封閉腔體結(jié)構(gòu)，有效提高托架總成剛度。

圖5 主橫梁截面

圖6 優(yōu)化后主橫梁截面

2.2 主橫梁上各部件固定點優(yōu)化

根據(jù)機艙三電托架上安裝零部件的升級換代及主橫梁剛度提升改善，最終優(yōu)化后的三電托架總成，將零部件安裝點盡可能布置于主橫梁上，再根據(jù)總布置需求將不能安裝于主橫梁上的零部件，設計過渡結(jié)構(gòu)間接固定于主橫梁上。

2.3 材料優(yōu)化

減薄原結(jié)構(gòu)前后橫梁材料厚度，通過結(jié)構(gòu)斷面有效提升機艙托架主體剛性，達到提升性能降重目標，同時有效節(jié)約原材料成本。

表3 橫梁材料及料厚

2.4 結(jié)構(gòu)后三電托架總成

圖7 三電托架總成

2.5 與車身的固定形式優(yōu)化

原結(jié)構(gòu)三電托架總成與車架進行焊接，因三電托架總成尺寸較大，批量操作困難。為改善機艙橫梁的工藝性，本次橫梁采用螺接的固定方式減少二氧化碳保護焊的人工操作，具體方式為在小工位上向縱梁上蓋板上設計安裝支座，保證機艙橫梁的有效固定，經(jīng)CAE工程師分析該小支座承受橫梁上所有的質(zhì)量，在一定載荷下該支座受力較大，最大應力超過材料的屈服強度，建議提高材料牌號，經(jīng)綜合分析得出該支座可選用T=2.0mm的340/590DP。

圖8 原固定形式

圖9 新固定形式

2.6 對優(yōu)化后三電托架總成進行CAE剛度模態(tài)分析

圖10 三電托架有限元模型

圖11 模態(tài)分析結(jié)果

表4 模態(tài)分析結(jié)果匯總

圖12 強度分析結(jié)果

表5 強度分析結(jié)果匯總

3 結(jié)論

結(jié)合CAE分析，對原結(jié)構(gòu)電動車三電托架進行材料、結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化后，空調(diào)壓縮機共振現(xiàn)象消除，同時強度風險有效降低，優(yōu)化后的托架采用螺接結(jié)構(gòu)固定于車身縱梁上，后續(xù)售后更換更方便。鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的機艙托架總成相比，鋁合金結(jié)構(gòu)的機艙托架總成較輕，滿足了車身輕量化的目標，零件可以整體沖壓成型，工藝性更好實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)已成為后續(xù)發(fā)展的趨勢。