一種采用鋁合金型材的縱梁前段連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙冠淇

摘要：基于某電動(dòng)跑車平臺(tái)車身主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于型材結(jié)構(gòu)的縱梁前段連接件方案，進(jìn)行了碰撞性能仿真分析，結(jié)果表明型材結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，能夠滿足碰撞性能要求，且能夠?qū)崿F(xiàn)滿意的輕量化效果，證明型材結(jié)構(gòu)是一種可行的縱梁前段連接件方案。

Abstract： Based on the major body structure of certain electric sports car platform， a structure scheme using section bar for the front segment connection of the longitudinal beam is designed. Through the simulation analysis of collision performance， it is shown that the new structure scheme using section bar has many advantages， such as simple structure， meeting the collision performance requirements， realizable and satisfied lightweight effect. It is proved that the new structure scheme using section bar is realizable for the front segment connection of the longitudinal beam.

關(guān)鍵詞：縱梁前段連接件;碰撞性能仿真;型材結(jié)構(gòu)

Key words： the front segment connection of the longitudinal beam;simulation analysis of collision performance;profile structure

0 ?引言

縱梁連接件現(xiàn)狀：縱梁前段連接件的主要作用是連接機(jī)艙縱梁與下車體門檻梁，如圖1所示，是應(yīng)用于電動(dòng)車鋁合金車身平臺(tái)的重要連接結(jié)構(gòu)件。目前全鋁車身車型的縱梁前段連接件采用的兩種主流結(jié)構(gòu)是鋁合金型材結(jié)構(gòu)和鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)[1]，分別如圖2、圖3所示。上述兩種結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)工藝、制造成本、連接方式、裝配精度、性能表現(xiàn)以及輕量化效果等多個(gè)方面均有不同。本文基于全鋁合金車身平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求，提出一種采用了鋁合金型材的縱梁前段連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 ?縱梁連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

1.1 功能設(shè)計(jì)

如圖4所示，縱梁前段連接件起連接作用，前端與前縱梁連接，后部與門檻梁連接，側(cè)邊與前壁板總成、電池包安裝橫梁搭接，同時(shí)對(duì)A柱內(nèi)板起安裝支撐作用，對(duì)手零部件較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

1.2 空間布置

縱梁前段連接件的設(shè)計(jì)空間在電動(dòng)車平臺(tái)設(shè)計(jì)伊始就需要考慮，如圖5所示?，F(xiàn)代汽車車身平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)理論中，將前輪心與踏板之間的X向距離作為平臺(tái)設(shè)計(jì)要素，該空間涉及動(dòng)力、懸架、轉(zhuǎn)向、輪胎等多個(gè)系統(tǒng)，是平臺(tái)設(shè)計(jì)的重中之重。而縱梁前段連接件就剛好處于該空間內(nèi)并且承擔(dān)連接作用，同時(shí)也是機(jī)艙與成員艙的分界結(jié)構(gòu)：如圖6所示，在機(jī)艙部分，需要避讓轉(zhuǎn)向及輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò);如圖7所示，在成員艙內(nèi)需要避讓駕駛員歇腳板空間需求及踏板操作空間需求。由此可見，縱梁前段連接件的空間布置較為復(fù)雜，需要在平臺(tái)構(gòu)建時(shí)優(yōu)先考慮，以解決空間不足帶來的設(shè)計(jì)困難和結(jié)構(gòu)空間較小帶來的各方面性能問題。

1.3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)平臺(tái)定義的功能需求和布置空間要求，輸出設(shè)計(jì)邊界，并經(jīng)數(shù)據(jù)細(xì)化，確定了初版結(jié)構(gòu)方案，如圖8所示。該縱梁前段連接件型材結(jié)構(gòu)方案由四個(gè)零件組成，其中兩個(gè)為擠壓型材作為連接主體，另外兩個(gè)零件為鋁板沖壓件作為加強(qiáng)件使用。相關(guān)材料牌號(hào)見表1，該縱梁前段連接件總重量為7.26kg。

1.4 性能目標(biāo)

縱梁前段連接件性能目標(biāo)，即該零部件帶入到車身性能分析所呈現(xiàn)的性能表現(xiàn)，包含剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、NVH及碰撞安全等。為實(shí)現(xiàn)該件的性能目標(biāo)，在設(shè)計(jì)初始，可以適當(dāng)采用加強(qiáng)筋、傳力結(jié)構(gòu)等措施，后續(xù)則可以將其引入到整車性能開發(fā)中進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)需要考慮零件的成型工藝和連接工藝，縱梁前段連接件的連接工藝包括MIG焊和FDS。

2 ?設(shè)計(jì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)選擇與驗(yàn)證

作為車身平臺(tái)關(guān)鍵重要零部件的縱梁前段連接件，其設(shè)計(jì)的可行性需要在多方向、多維度上去論證。本文因篇幅原因，僅從對(duì)車身性能影響最大的碰撞安全領(lǐng)域進(jìn)行求證。眾所周知，全新電動(dòng)車平臺(tái)與傳統(tǒng)燃油車平臺(tái)在下車體結(jié)構(gòu)中有非常大的不同，如圖8、圖9所示，圖中深色代表車身主體承載梁結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋁合金底盤平臺(tái)的下車體取消了地板縱梁、加強(qiáng)橫梁等多條傳力路徑，碰撞力由縱梁經(jīng)鑄件直接傳遞給門檻梁。傳力路徑的變化使得縱梁前段連接件的作用被極大強(qiáng)化，因此該縱梁前段連接件的結(jié)構(gòu)方案是否可行，很大程度上取決于其在碰撞安全仿真分析中的表現(xiàn)。

以O(shè)DB（C-NACP（2018）版40%可變形壁障碰撞）仿真分析作為評(píng)判依據(jù)，將該種采用鋁合金型材的縱梁前段連接件結(jié)構(gòu)帶入到車身結(jié)構(gòu)中進(jìn)行ODB仿真分析。該結(jié)構(gòu)方案的分析結(jié)果與競(jìng)品車型相比較體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，表明該種采用鋁合金型材的縱梁前段連接件結(jié)構(gòu)滿足性能目標(biāo)要求。（表2）

3 ?結(jié)論

采用該種鋁合金型材縱梁前段連接件結(jié)構(gòu)的車身滿足正面C-NACP（2018）40%可變形壁障碰撞法規(guī)的要求，從該單一維度講，型材結(jié)構(gòu)是一種可行的縱梁前段連接件方案。同時(shí)，型材結(jié)構(gòu)方案總重量為7.261kg，相比競(jìng)品結(jié)構(gòu)的8.307kg，重量減輕1.046kg，實(shí)現(xiàn)12.6%減重目標(biāo)，且型材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開發(fā)成本相較鑄件方案低，在鋁合金車身輕量化設(shè)計(jì)中具備較強(qiáng)的工程化意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祝堂，熊慧.汽車用鋁材手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)初版社，2012：162-170.

[2]程麗，吳平，盧曉東，張偉，代春旭.壓緊釋放裝置記憶合金絲連接件設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（17）：3-5.

[3]黃蘭，杜敬.粉末冶金模具的連接件設(shè)計(jì)及其在彌補(bǔ)壓機(jī)動(dòng)作缺陷中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2016（12）：42-44.