純電平臺(tái)鋼鋁混合車身機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳宗明 李玄霜

摘 要：車身機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)是汽車發(fā)生正碰時(shí)吸能和傳遞載荷的重要總成，其耐撞性和輕量化設(shè)計(jì)影響到整車碰撞性能及輕量化水平;基于某款純電動(dòng)車型，采用鋼鋁混合材料完成機(jī)艙的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證50km/h全正碰試驗(yàn)及64km/h偏置碰試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)艙框架穩(wěn)定壓潰變形，吸能模式合理，達(dá)到碰撞性能目標(biāo);同時(shí)保證機(jī)艙框架上重要安裝點(diǎn)的性質(zhì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：車身機(jī)艙框架;鋼鋁混合材料;輕量化;耐撞性

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(huán)保和節(jié)能要求日益嚴(yán)苛，純電汽車已經(jīng)成為全球汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向，與此同時(shí)，輕量化白車身設(shè)計(jì)仍舊是白車身開(kāi)發(fā)的主要趨勢(shì)。

純電汽車相比常規(guī)能源，由于電池包的原因，整備重量相對(duì)較大，其白車身設(shè)計(jì)的輕量化需求更加凸顯;兼顧輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)需要滿足碰撞性能需求，對(duì)常規(guī)機(jī)艙結(jié)構(gòu)對(duì)來(lái)一定挑戰(zhàn)。

通過(guò)新材料完成常規(guī)白車身機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是當(dāng)前一種趨勢(shì)，鋁合金密度是鋼的1/3，是當(dāng)前輕量化設(shè)計(jì)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(zhì)薄壁梁進(jìn)行前縱梁設(shè)計(jì);陳吉清[2]提出鋼鋁混合材料車身中的部分構(gòu)件由高強(qiáng)度鋼板和鋁合金板組合而成，能夠發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板在強(qiáng)度及價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)。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(qiáng)度鋼均有明顯改善。

本文通過(guò)某款純電汽車機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，闡述如何運(yùn)用鋼鋁混合材料，通過(guò)截面設(shè)計(jì)，框架搭建，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，并滿足碰撞試驗(yàn)性能及重要安裝點(diǎn)性能要求，從而為純電汽車機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在汽車白車身結(jié)構(gòu)里面，車身機(jī)艙是應(yīng)對(duì)碰撞性能的重要區(qū)域，在50km/h正碰及64km/h偏置碰試驗(yàn)中，其作為主要直接接觸區(qū)域需要通過(guò)變形吸收大部分碰撞能量。

考慮目標(biāo)車型為純電汽車，機(jī)艙區(qū)域的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間需要考慮避讓電機(jī)總成、左右輪胎包絡(luò)及前端模塊總成;如圖1所示，形成機(jī)艙框架中前縱梁框架的初步結(jié)構(gòu)。

結(jié)合上縱梁及副車架框架設(shè)計(jì)，采用“品”字形機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)，形成三個(gè)封閉連接，橫梁縱梁相互呼應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊，提高了機(jī)艙剛度、模態(tài)與機(jī)艙穩(wěn)定性;如圖2所示，優(yōu)化傳力路徑，將能量進(jìn)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(guò)副車架安裝板將副車架框架連接一起，在下部增加一個(gè)縱梁通道，提高碰撞試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

為滿足機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)的碰撞吸能目標(biāo)，需合理定義框架結(jié)構(gòu)的吸能空間。吸能空間的設(shè)計(jì)及校核，需要考慮車型的整備重量及碰撞工況。目標(biāo)車型為中大型純電SUV，整備質(zhì)量高達(dá)2080KG;結(jié)合艙內(nèi)附件布置及碰撞工況吸能需求（理論參考計(jì)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(guān)系式：

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

③力與加速度關(guān)系式：FMax=MaMax

吸能變形空間：?=V?/2 ?aMax

（V為測(cè)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(guān)，35g-40g）

完成前碰吸能空間定義，實(shí)際目標(biāo)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(shè)計(jì)

前縱梁作為機(jī)艙區(qū)域主要壓潰吸能部件，由于內(nèi)外側(cè)輪胎包絡(luò)及電機(jī)總成的限制，其Y向尺寸定位80mm;通過(guò)對(duì)標(biāo)車的截面對(duì)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(shè)計(jì)，如表1所示。

碰撞試驗(yàn)中，為保證機(jī)艙區(qū)域由前往后的穩(wěn)定壓潰吸能，軸向梁截面的設(shè)計(jì)需要保持由前到后，由弱到強(qiáng);軸向主梁由前到后包括吸能盒、前縱梁、前縱梁后端，根據(jù)前縱梁的主截面尺寸，完成前后端部件截面及尺寸設(shè)計(jì)，如表2所示。

材料的選擇定義，需要保證安裝點(diǎn)性能需求的同時(shí)，保持碰撞試驗(yàn)過(guò)程中由前往后逐步壓潰穩(wěn)定變形吸能。

得益于純電汽車機(jī)艙區(qū)域規(guī)整的布置空間，目標(biāo)車型的機(jī)艙總成采用鋼鋁混合材料設(shè)計(jì)，主要框架結(jié)構(gòu)部件均采用鋁合金材料，有效提升碰撞吸能效果及實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)。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(qiáng)度及斷裂延伸率，有效保證碰撞變形過(guò)程中的橫向穩(wěn)定性，采用T7獲取較高的斷裂延伸率，避免其過(guò)早斷裂，導(dǎo)致變形機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)。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(wěn)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(qiáng)度較低，但是鑄造結(jié)構(gòu)可以通過(guò)復(fù)雜的加強(qiáng)筋型腔設(shè)計(jì)，提供足夠高的部件剛度，保證變形的穩(wěn)定。而副車架安裝盒是此區(qū)域唯一采用的鋼板結(jié)構(gòu)部件，由于副車架安裝點(diǎn)需要較高的動(dòng)剛度及強(qiáng)度性能需求，由于鋼板較鋁板有著較高的彈性模量，結(jié)合成本和重量分析，此處采用常規(guī)鋼板材料GC420LA。

3 性能分析

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

目標(biāo)車應(yīng)對(duì)50km/h正碰及64km/h偏置碰工況的CAE分析結(jié)果如下圖5所示。

在50km/h正碰工況時(shí)，艙內(nèi)區(qū)域無(wú)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(tǒng)與周邊無(wú)明顯擠壓;左/右側(cè)加速度分別為35.7g/40.4g，達(dá)到小于43的目標(biāo)要求。在64km/h偏置碰工況時(shí)，艙內(nèi)區(qū)域無(wú)明顯變形，吸能盒正常潰縮，左縱梁前段穩(wěn)定軸向壓潰，后段出現(xiàn)折彎;左/右側(cè)加速度分別為44.1g/ 34.5g，達(dá)到小于45g的目標(biāo)要求。

副車架的安裝點(diǎn)動(dòng)剛度分析結(jié)果如表3所示，均達(dá)到目標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某款純電乘用車的機(jī)艙結(jié)構(gòu)總成，闡述了一種鋼鋁混合材料的純電汽車機(jī)艙結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)思路，并完成相關(guān)性能分析。結(jié)果表明：

（1）結(jié)合白車身機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)及底盤(pán)副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用“品”字型的車身前端框架結(jié)構(gòu)，其應(yīng)對(duì)碰撞試驗(yàn)時(shí)有較為穩(wěn)定的變形趨勢(shì)。

（2）通過(guò)碰撞能量守恒公式及經(jīng)驗(yàn)值，可以有效在開(kāi)發(fā)前期定義及校核碰撞吸能空間需求。

（3）合理的材料定義對(duì)碰撞性能及安裝點(diǎn)性能的保證有較大影響;目標(biāo)車型采用有較高強(qiáng)度的擠壓鋁合金（GE 7003-T7）設(shè)計(jì)前防撞梁，壓潰性能良好的普通強(qiáng)度擠壓鋁合金（GE 6063-T6）設(shè)計(jì)吸能盒及前縱梁，有效保證機(jī)艙框架在碰撞過(guò)程中的變形穩(wěn)定性;而采用鋼板結(jié)構(gòu)的副車架安裝盒，有效提供了副車架安裝點(diǎn)的性能要求。

（4）此鋼鋁混合材料的機(jī)艙框架結(jié)構(gòu)，相比常規(guī)鋼制結(jié)構(gòu)減重約30%;應(yīng)對(duì)50km/h正碰及64km/h偏置碰試驗(yàn)，加

速度目標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[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(jī)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(yōu)化方法比較[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（07）：94-98.

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