純電動汽車白車身剛度優(yōu)化設計

純電動汽車白車身剛度優(yōu)化設計劉小會【摘要】首先以某型純電動汽車為例簡要介紹了電動車下車體骨架結(jié)構(gòu)，經(jīng)CAE分析確定其白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度均未滿足目標要求.通過與燃油車詳細對比分柝發(fā)現(xiàn)電動車下車體在電池布置區(qū)域整體偏軟，而車體設計時因為人機、電池空間等原因無法優(yōu)化.為滿足電動車的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度目標，對支撐點位置處的結(jié)構(gòu)進行加強.經(jīng)CAE分析確認，滿足目標要求.【期刊名稱】《機械工程師》【年(勤期】2016(000)001【總頁數(shù)】3頁(P157-159)【關(guān)鍵詞】燃油車;純電動汽車;動力電池;CAE分析;剛度【作者】劉小會【作者單位】安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心車身電子院，合肥230601【正文語種】中文【中圖分類】U463.82;TH122隨著空氣污染越來越嚴重，霧霾指數(shù)越來越高，環(huán)保意識已漸入人心，國家出臺了一系列的政策鼓勵新能源汽車的發(fā)展，純電動汽車也越來越多地出現(xiàn)在各類車展上。相比于燃油車，純電動汽車白車身設計時因為電池的布置，削弱了傳統(tǒng)的下車體結(jié)構(gòu)性能，使得其白車身靜剛度低于基礎燃油車的水平，而白車身剛度是衡量白車身性能的關(guān)鍵指標，因此需對電動車進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。純電動汽車是在基礎燃油車上基于電池等的輸入變形而來的，設計時考慮盡可能地沿用基礎車，以降低成本。而電池因為布置和安裝在地板下面，因此電動車白車身的變動主要集中在地板上，也就是下車體的變動?，F(xiàn)以某型純電動汽車為例簡要描述電動車下車體的結(jié)構(gòu)。圖1為某18.66kW-h磷酸鐵鋰動力電池，電池長寬高為1160mmx985mmx300mm,重量為230kg，可滿足某型純電動汽車100km/hx150km的最高車速及續(xù)駛里程需求。圖2為某型純電動汽車電池安裝位置示意圖，即地板下面前后排座椅之間。圖3為基礎燃油車下車體骨架結(jié)構(gòu)與電池匹配狀態(tài)?；陔姵氐牟贾茫诨A燃油車下車體結(jié)構(gòu)的基礎上，某型純電動汽車下車體骨架結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。純電動汽車因為電池的布置會破壞燃油車的下車體骨架結(jié)構(gòu)，而下車體骨架結(jié)構(gòu)的變動會對白車身的剛度產(chǎn)生影響。圖5和圖6為某型純電動汽車CAE分析扭轉(zhuǎn)及彎曲工況角度和位移變化曲線。扭轉(zhuǎn)剛度Kt=M/0。式中：M為轉(zhuǎn)矩2000N-m;0=前減振器塔對應測點扭轉(zhuǎn)角度-后約束點前100mm的對應縱梁測點扭轉(zhuǎn)角度=0.216°；扭轉(zhuǎn)剛度Kt=M/0=2000/0.216=9259N?m/（。）。彎曲剛度Kb=F/S。F表示彎曲載荷6664N;S為最大變形，S=0.4208mm;彎曲剛度Kb=6664/0.4208=15837N/mm。由表1可以看出，某純電動汽車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均未達到燃油車水平，不滿足目標要求。3.1原因分析電動車是在燃油車基礎上變形而來的，為找出剛度性能變?nèi)醯脑?，現(xiàn)以某型純電動汽車為例對其結(jié)構(gòu)變動部分做具體對比分析。圖3為某型基礎燃油車下車體骨架結(jié)構(gòu)與動力電池匹配狀態(tài)示意圖，圖中的長方形線框為電池的布置位置。由圖可以看出某型基礎燃油車下車體結(jié)構(gòu)與電動車下車體結(jié)構(gòu)主要差別即此4個件，現(xiàn)進行逐個分析。對于前座椅前橫梁，如圖7所示，左側(cè)為燃油車的前座椅前橫梁截面尺寸，右側(cè)為純電動汽車的前座椅前橫梁截面尺寸。對比左右視圖，前座椅前橫梁與地板形成的閉合腔體的截面積，燃油車明顯大于某型純電動汽車。同樣的，前座椅后橫梁和后地板骨架橫梁的斷面如圖8和圖9所示。另外，圖3中的中央通道4和5如圖10所示，因為電池的布置，中央通道長度由1051mm減短至387mm。通過圖5~圖8可知，某型電動車下車體電池所在區(qū)域無縱梁結(jié)構(gòu)（如圖8所示，中央通道在電池區(qū)域截斷），橫梁均弱于傳統(tǒng)燃油車（如圖5~圖7所示，前座椅前后橫梁，后地板骨架橫梁斷面面積減少，強度變?nèi)酰?，電池所在區(qū)域“整體偏軟"。電動車電池的布置削弱了下車體的結(jié)構(gòu)性能，電池所在區(qū)域“整體偏軟”導致電動車白車身剛度性能降低。3.2某型電動車剛度性能優(yōu)化為提高電動車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，首先考慮在電池布置區(qū)域?qū)﹄妱榆囅萝圀w結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。以某型純電動汽車為例，電動車為滿足其續(xù)駛里程需求，其電池空間尺寸不能縮小。如圖11所示，前座椅前后安裝橫梁及后地板骨架橫梁截面不能在Z向往下加大，而前座椅又裝在其上表面，因此前座椅前后橫梁無空間優(yōu)化。后地板骨架橫梁為后排假人大腿區(qū)域，Z向朝上加大會使后排座椅坐墊減薄，對人機產(chǎn)生影響。因此電動車因為空間限制，電池所在區(qū)域的梁結(jié)構(gòu)無加強空間，需從其他方面進行考慮。為分析優(yōu)化方案，現(xiàn)對CAE剛度分析工況進行研究。如圖12所示，分析扭轉(zhuǎn)工況時，在前減振器塔用MPC約束Z方向自由度，后減振彈簧處左右分別約束X、Y、Z與X、Z向；在前減振器塔施加一轉(zhuǎn)矩，大小為2000N-mo如圖13所示，分析彎曲工況時，前減振器塔、后減振彈簧位置采用如圖約束固定;在前、后懸中心位置施加1500N的彎曲載荷。根據(jù)CAE分析工況，白車身的支撐點為前減振器塔和后減振彈簧，左右共4個位置。此4個位置是直接受力點，也是受力最大位置，且不在電池布置區(qū)域，因此可優(yōu)先從此4個位置進行結(jié)構(gòu)加強。現(xiàn)以某型純電動汽車為例進行分析。取車體右側(cè)的2個支撐點位置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如圖14所示，圖14（a）為前側(cè)支撐點，圖14（b）為后側(cè)支撐點。其中前減振器安裝板1材質(zhì)為B340LA，料厚為2.0mm；前輪罩2材質(zhì)為DC03，料厚為0.8mm；后減振彈簧安裝座3材質(zhì)為DC03，料厚為1.2mm；后地板骨架縱梁4材質(zhì)為B210P1，料厚為1.6mm?？紤]剛度的主要影響因素為料厚，現(xiàn)分別將前減振器安裝板1的料厚改為2.5mm，前輪罩2的料厚改為2.5mm，后減振彈簧安裝座3料厚改為1.8mm，后地板骨架縱梁4在里面增加縱梁加強板，加強板如圖15所示，其材質(zhì)選為B250P1，料厚選為2.0mm?，F(xiàn)以某型純電動汽車為例進行優(yōu)化方案的驗證。圖16和圖17為某型純電動汽車優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)及彎曲工況角度和位移變化曲線，經(jīng)計算得出扭轉(zhuǎn)剛度為12135N?m/（。），彎曲剛度為20093N/mm，如表2所示，滿足目標。純電動汽車