純電動鋁合金車身地板抖動解決策略

姜葉潔，楊宏，邱志勇

純電動鋁合金車身地板抖動解決策略

姜葉潔，楊宏，邱志勇

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400）

造成純電動鋁合金車身地板抖動主要有三個原因，一是鋁合金材料的楊氏模量是傳統(tǒng)鋼材料的三分之一；二是純電動鋁合金車身的動力電池往往布置在地板下方，導(dǎo)致地板下方?jīng)]有足夠的空間設(shè)計鋁合金縱梁；三是鋁合金車身主要連接形式為FDS和鉚接加結(jié)構(gòu)膠。文章通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及對不同類型阻尼墊的測試研究，解決了鋁合金車身地板抖動問題。

純電動鋁合金車身；地板抖動；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；阻尼墊

前言

目前實現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)有以下三種方法：一是輕質(zhì)材料的使用；二是車身各個結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計和優(yōu)化。三是先進的新型汽車制造技術(shù)在汽車制造中的運用[1-3]。不同的材料有著其自身不同的特點，汽車零部件也根據(jù)其特有的工作特點選取不同的輕質(zhì)材料。鋁合金是目前汽車制造中應(yīng)用較廣泛的一種輕質(zhì)材料，其各項相關(guān)技術(shù)也相對比較成熟。鋁合金擁有較高的強度以及良好的吸能性。鋁合金材料對車身的減重效果非常明顯。理論上使用鋁合金作為材料的汽車能夠達到 40%左右的減重效果，輕量化效果明顯。有著各種優(yōu)點的同時，缺點也無法避免。但使用鋁合金最大的問題就是材料的焊接工藝性差，耗費金錢較高。如果能夠盡可能的發(fā)揮我國鋁貯存量豐富的優(yōu)勢，控制成本，這樣將加快我國汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展[4-5]。

本文通過分析造成純電動鋁合金車身地板抖動主要有三個原因，一是鋁合金材料的楊氏模量是傳統(tǒng)鋼材料的三分之一；二是純電動鋁合金車身的動力電池往往布置在地板下方，導(dǎo)致地板下方?jīng)]有足夠的空間設(shè)計鋁合金縱梁；三是鋁合金車身主要連接形式為FDS和鉚接加結(jié)構(gòu)膠。鋁合金和鋼的彎曲性能，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化對鋁合金地板提供了設(shè)計思路，同時配合不同阻尼膠片的研究，解決了鋁合金地板抖動的問題。

1 鋁合金地板及鋼地板對比分析

某車型在實際道路試驗的過程中，發(fā)現(xiàn)地板有明顯的抖動，分析研究主要從材料性能影響、結(jié)構(gòu)影響、不同阻尼片影響三個方面入手。

在材料方面物理性能，鋼和鋁的彈性模量分別是210000Mpa和7000Mpa，鋼的彈性模量是鋁合金的3倍，這就決定了材料抵抗變形能力方面，鋼的表現(xiàn)要優(yōu)于鋁合金。選取同等尺寸的鋼板和鋁板進行對比，其中鋼板的牌號為270C，厚度為0.7mm，鋁板的牌號為5182，厚度為1mm，如圖1所示。

圖1 鋼板鋁板示意圖

1.1 靜態(tài)剛度對比

根據(jù)材料力學(xué)理論，板的彎曲剛度是，其中

其中，是材料的彈性模量，和分別為金屬板的寬度厚度，I是板材截面的慣性矩。

通過公式可以看出，鋼的模量是鋁的3倍，鋼板慣性矩和鋁板慣性矩的比值分別為其厚度3次方的比值，即0.343:1，從公式可以看出，0.7mm的鋼板和1mm厚的鋁板是等靜彎曲剛度，項目開發(fā)在鋁地板選擇方面，選擇1.4mm的鋁板，靜彎曲剛度大于鋼車身0.7mm的鋼板。

1.2 動態(tài)NVH相關(guān)性能對比

鋼板和鋁板的動態(tài)剛度除了靜剛度外，還和其質(zhì)量有關(guān)，對應(yīng)頻率為：

其中為頻率，為剛度，為質(zhì)量。質(zhì)量是由密度和體積決定的，0.7mm的鋼板對應(yīng)的質(zhì)量和1mm對應(yīng)的鋁的質(zhì)量比為2.035:1，所以，1mm厚的鋁板的動剛度要優(yōu)于0.7mm厚的鋼板。試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。通過對鋼板和鋁板動剛度和振動傳遞函數(shù)對比，可以看出，鋁板一階頻率明顯大于鋼板，因為鋼板的質(zhì)量是鋁板的接近3倍。即使選取1.4mm的鋁板，NVH性能依然優(yōu)于鋼板。

圖3 鋼板和鋁板振動傳遞函數(shù)對比

2 鋁合金地板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

純電動鋁合金車身的動力電池主要固定在門檻梁下側(cè)，這就導(dǎo)致地板下方不能像傳統(tǒng)鋼車身一樣有兩根地板縱梁，如下圖4所示。地板下面沒有梁支撐，同時中通道截面明顯縮小，所以鋁合金地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計將直接影響地板的NVH性能。

圖4 鋼車身地板縱梁示意圖

地板方案一 地板方案二

選取兩種不同的地方方案進行對比，兩種方案的筋的設(shè)計形式、寬度、高度、數(shù)量均不一樣，如下圖5所示。為了搭載原車型同步驗證，因為實際地板方案需要修改模具，周期費用比較長，這里同時提出兩種替代方案，如圖6所示。

替代方案1和2 替代方案3

替代方案1：增加厚度為1mm的鋁板，材料牌號5182，寬度177.5mm；替代方案2：增加厚度為2mm的鋁板，寬度177.5mm；替代方案3：增加厚度為1mm的寬板，寬度477.5mm。通過對比分析駕駛員側(cè)腳和地板的接觸位置的動剛度以及模態(tài)，如圖7 -8所示。從圖7可以看出，腳位置的動剛度，方案2明顯優(yōu)于方案1，替代方案1、2、3均優(yōu)于方案1，但是沒有方案2好，尤其周期成本限制，可以先通過方案2進行試驗驗證。從圖8可以看出，方案2 以及替代方案，就能有效的消除地板局部模態(tài)，減少地板抖動。

圖7 幾種方案動剛度對比

圖8 幾種方案模態(tài)對比

3 不同阻尼膠片對地板的影響

除了材料的對比選擇，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化外，還對不同阻尼墊對鋁板的影響進行了測試研究，參與測試的阻尼墊有四種，包括固態(tài)阻尼墊、液態(tài)阻尼墊、丁基鋁箔以及丁基膠。不同阻尼墊貼在規(guī)格相同的鋁板上，通過觀測其原點動剛度，結(jié)合成本選擇減震效果最明顯的膠。

圖9 不同阻尼對原點動剛度的影響

通過測試分析對比可以看出，在減震效果方面，固態(tài)阻尼、液態(tài)阻尼、丁基水平相當(dāng)，可以根據(jù)成本選擇，這里推薦液態(tài)阻尼。

4 結(jié)論

通過以上分析對比，對純電動鋁合金車身抖動的原因進行了詳細(xì)的解析，從以下三個方面展開了對比分析：

（1）鋼板和鋁板對地板剛度和抖動的影響。

（2）鋁合金地板不同結(jié)構(gòu)形式對其抖動的影響。

（3）不同阻尼膠片對地板的影響。

最后，通過結(jié)合三個方面分析的結(jié)果，在量產(chǎn)項目上實施，從而達到解決地板抖動問題的目的。

[1] 朱宏敏.汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].應(yīng)用能源技術(shù), 2009(2):10-12.

[2] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2014, 5(1):1-16.

[3] 朱則剛.鋁合金復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)用[J].輕金屬, 2011(10):3-6.

[4] 范軍鋒,陳銘.中國汽車輕量化之路初探[J].鑄造,2006,55(10):995 -998.

[5] 康來明,韓云嶺.先進制造技術(shù)推動我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力[J].汽車與配件,2012(11):14-16.

Electric Aluminum Body Floor Dithering Solution Strategy

Jiang Yejie, Yang Hong, Qiu Zhiyong

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511400 )

There are three main reasons for the vibration of electric aluminum body floor. First, the Young's modulus of the aluminum alloy material is one-third of the traditional steel material; the second is that the power battery of the pure electric aluminum alloy body is often arranged under the floor, resulting in There is not enough space under the floor to design the aluminum-0 alloy longitudinal beam; the third is the main connection form of the aluminum alloy body is FDS and riveting plus structural adhesive. In this paper, the optimization of the structure and the test of different types of damping pads significantly determine the problem of aluminum alloy floor floor jitter.

Electric Aluminum Body;Floor Dithering;Structure optimization;Damping pads

U465

A

1671-7988(2019)14-37-03

U465

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1671-7988(2019)14-37-03

姜葉潔，碩士，中級工程師，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事白車身及內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.012