某新能源纯电动汽车前舱设计概述

范健 和丽梅 谢贵山 许冰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】新能源电动汽车目前正蓬勃发展，各汽车厂家竞相开发款式多样、定位不一、功能各异的电动汽车，以满足需求日益多样化的消费市场。文章以一款新能源纯电动汽车前舱的设计过程为例，着重介绍纯电动汽车前舱的功能组成、设计流程、设计要点、四大工艺检查、仿真分析及验证过程，举一反三，旨在使设计人员体会汽车相关部件设计的精髓，掌握设计要领，理清设计思路，对新的设计者尤其具有指导意义，对资深工程师亦有一定的参考意义。

【关键词】新能源；纯电动汽车；前舱；性能

【中图分类号】U469.72 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）07-0041-04

1 纯电动汽车的特点及发展前景

纯电动汽车动力系统主要由动力蓄电池、驱动电机及其控制系统组成，全部采用电力驱动，不消耗燃油，具有零排放、噪声小、结构简单、维护较少的特点。在日益关注节能环保的今天，包括电动汽车在内的新能源汽车正受到消费者越来越多的青睐，国家为支持电动汽车等新能源汽车产业的发展出台了财政补贴等多项政策，大力推动电动汽车的发展。近几年，电动汽车以远高于常规能源汽车的速度增长，各车企纷纷加入其中，推动了电动汽车向产业化、规模化方向发展，大大提高了该领域技术的成熟度。电动汽车正逐步进入人们的日常生活，成为方便人们出行、改变人们生活方式的一种便捷的交通工具。

纯电动汽车目前多以轻巧为主，续航里程一般在100～250 km，结构紧凑，外形富于动感，大量采用新工艺、新结构、新材料，非常迎合消费者个性化的需求。本文以上汽通用五菱汽车股份有限公司自主开发的一款小型纯电动汽车前舱的开发过程为例，介绍一些设计心得，总结经验，以期提高设计人员的技术水平。

2 前舱的功能及组成

前舱，也叫发动机舱，位于汽车前部，其功能是为整车的动力系统及其相关子系统提供安装空间，同时具有吸收和传递碰撞能量的功能。前舱系统最基本的功能是实现整车的布置功能和保障整车的性能要求。布置功能是指为汽车主要总成或分总成提供定位和安装空间（如发动机、变速箱、水箱和电瓶等），整车性能要求是指前舱系统与车身结构的其他系统共同组成完整的笼形车身骨架，为实现整车的碰撞要求、结构刚度和为模态提供结构支撑。前舱系统是车身结构最重要的组成部分，一个好的前舱架构应是在满足安全、结构性能的前提下尽可能地通用不同发动机的安装点并保持良好的安装和拆卸空间。

前舱系统由主大梁系统、前轮罩系统、水箱框架系统、前围板总成、上安装板（或前延伸板）总成等组成（如图1所示）。本电动车中，由于没有发动机，前舱布置与传统车有所区别，增加前横梁总成、车载充电机支架合件2个总成。本车前舱主要用于安装布置电动机及其变速器、DC/DC、车载充电机、高压配电箱、电机控制器、蓄电池、真空泵、水壶、碳罐、充电座、冷凝器、真空助力器、前大灯、喇叭、行人报警装置等。这些部件布置在不同的位置，设计侧重点不同，设计人员必须充分注意。

主大梁系统：它是最主要的受力部件，首要设计问题就是要满足正碰法规要求。一般由主大梁内板、外板、副车架支撑加强板、电瓶托盘、副车架连接板、大梁斜撑、大梁延伸板和横梁等组成。

前轮罩系统：作为前悬的固定点，其设计关键点是满足动刚度要求，保持与前悬、轮胎包络合理的间隙，轮罩外板与外板加强板须注意碰撞力的传递路径，满足碰撞要求。主要由轮罩板、轮罩支撑板、轮罩前延伸板、前横梁支架合件、水壶支架合件和其他相关支架等组成。

水箱框架系统：它是各部件的集大成安装者，冷凝器、发罩、前格栅、前大灯、喇叭、行人报警装置、前保、翼子板、车载充电机、高压配电箱、电机控制器等都装在它的上面，因此对它的强度、刚度要求比较高。主要由水箱下横梁、水箱上横梁、水箱左右立柱和发动机罩锁支架、充电座支架、前格栅支架等组成。

前围板总成：用于分隔乘员舱和前舱（发动机舱），安装零件众多，要求具有良好的隔音、密封性能，是重要的车身部件。前围板结构分为整体式和分块式，本电动车采用的是整体式结构。

上安装板总成：一般与下安装板组合，最主要的功能是起到流水槽的作用，也为前挡玻璃、雨刮、外饰、发罩、前大灯等部件提供安装面或点。本车由于零件选配上的考虑，所以没有设置下安装板结构。

前横梁总成、车载充电机支架合件：因本电动车无发动机，所以它为布置车载充电机、高压配电箱、电机控制器而额外增加的结构，起支撑固定作用。

3 前舱设计流程

按照各区域输入进行零件的设计工作流程简单描述如图2所示。

开发前，需要充分收集以往各车型曾经出现过的失效模式，吸取教训，以免重犯。开发过程中，必须要求上游接口区域提供ICD等文件，ICD应尽可能地详尽，最好把位置、公差、间隙大小及性能要求（如刚度、模态等）写清楚。

4 前舱各系统开发设计的关键性能指标

主大梁系统：前纵梁的设计有其设计规范，在此不做具体介绍。除满足正面碰撞要求外，主大梁还安装有副车架、蓄电池、DC/DC、碳罐等。副车架安装电动机与变速箱、摆臂。电动机安装点动刚度要求大于1 000 N/mm，摆臂接附点动刚度要求大于4 000 N/mm。蓄电池局部模态要求大于30 Hz，且尽可能地向后布置，有利于碰撞时前纵梁变形充分和增大前纵梁所吸收的碰撞能量，以免蓄电池受到撞击引起爆炸。DC/DC、碳罐要求与蓄电池类似，位置可稍为灵活。

前轮罩系统：前悬安装点动刚度要求大于4 000 N/mm，静刚度一般不校核，与前悬包络的最小间隙不小于15 mm，与轮胎包络不小于10 mm，尖锐处不小于15 mm。轮罩支撑板的材料选用高强度钢，且材料厚度要比较厚。根据以往经验，轮罩與主大梁搭接处较容易开裂，设计时要注意，必要时需增加加强板等结构。

水箱框架系统：正如前述，水箱框架系统安装部件较多，但各部件性能要求却不尽相同，为满足性能要求，常增加加强板甚至整个上弯梁形成腔体结构。关键设计点如下：{1}发罩固定点，静刚度要求大于600 N/mm；{2}安装在其上的零件模态要求大于30 Hz。

前围板总成：前围板是整车的迎风面，对整车的NVH贡献较大。设计中除要注意满足整车的扭转刚度外，还要满足局部模态，这个局部模态不能太小，具体看性能要求或对标数据。前围板安装了两大重要部件：真空助力器（包括三踏）与空调。真空助力器安装处加强板区域重点是刚度好，一般没有明确定义，以对标车值为参考，按优于对标车数据或与其相当设计。其他各个零件的模态至少要求大于30 Hz，通常在40 Hz以上。

上安装板总成：密封要好，流水要尽可能地顺畅，前大灯、雨刮安装点的刚度要足，静刚度要求大于300 N/mm。注意工人或用户日常维护空间，前大灯调焦口、助力器制动液加注口满足相关设备操作空间要求。本上安装板还设计有一个重要功能，即打码面，要求如下：{1}图纸标注打码面尺寸，打码面最小平面要求为140 mm×38 mm；{2}VIN码面要求无拉痕、拉伤、冲击线、起皱等零件表面质量缺陷。

前横梁总成、车载充电机支架合件：安装在其上的车载充电机、高压配电箱、电机控制器的模态要求大于30 Hz。由于这些零件较重，且悬在空中，模态不易满足，本车采取前后横梁、上弯梁、充电机支架加厚板材板厚，并在连接处增加加强板等措施。

以上所有零件都必须进行强度校核，其最大应力一般要求小于屈服强度的80%，以留有足够的安全裕度。

除零件设计外，还要注重焊点设计、涂胶设计、密封设计。

对焊点设计，可参考以下一般规则：前车架前部焊点间距为40～50 mm，安碰区域；前后地板搭接处为60～70 mm；车架与横梁搭接处为60～70 mm；下车体散件（护板、门槛等）与地板搭接处为60 mm左右；顶盖与侧围总成搭接处为50～60 mm，A＼B＼C＼D柱关键接头搭接处焊点适当加密；门框圆角处焊点为30～40 mm，尤其是B＼C柱上下角易开裂处，直线段为50～60 mm；上车体与下车体搭接处为50～60 mm。

涂胶：轮罩周围与大梁底部涂UBC防石击胶，连接边参考其他车型涂白膠或焊缝密封胶。

5 CAE分析及四大工艺检查

本项目设计过程中，采用联合开发的模式进行设计，即各部门包括ME等相关人员集中在一起，打破部门藩篱，共同讨论快速解决问题。联合开发小组中，也可以邀请供应商的人员参与。

检查主要有以下5项。

计算机仿真CAE分析：采用仿真软件分析各零件是否符合对应的性能要求，对不符合的，需要改进结构甚至采取增加加强板等措施优化设计，直至满足为止。动刚度分析如图3所示。

分析结论及建议：电机悬置安装点个别频率下的动刚度稍低于目标值1 000 N/mm；前悬左、右摆臂前安装点在125 Hz、160 Hz处动刚度低于目标值4 000 N/mm。

根据分析结果，优化设计，直至满足性能指标。

汽车有四大工艺：冲压、焊接、涂装、总装。四大工艺提供各自的工艺要求，设计必须满足。设计当中，四大工艺工程师会不间断地从各自的专业领域对数模进行检查，并反馈给工程师。

冲压检查：指采用冲压分析软件模拟冲压成型过程，对零件因冲压开裂、起皱、减薄等具有较为准确的参考结果，再结合工程师的丰富经验判断，冲压问题绝大多数可以在设计阶段得到解决。

焊接检查：模拟焊接设备操作过程，从人机工程角度分析焊接通道、焊接空间、焊接边尺寸等是否能够满足工艺要求。

涂装检查：着重是检查涂胶边、排气孔、漏液孔，从人机工程角度分析涂胶操作方便性。需要注意型面在最低点开漏液孔，腔体在最高处开排气孔，周围物体要远离涂胶边一定距离，以便人工操作及防止胶污染。孔最后需要堵塞密封。

装配检查：要求各部件拆卸方便、维修快捷，同样需要装配工程师进行模拟装配。

6 验证

理论设计完成以后，最终需要通过实践来检验，理论设计不可能完全杜绝所有问题，仿真分析也不可能达到100%的准确度。

造车验证：一般需要提供全工装零件按照批量生产工艺造车，验证生产线及零件装配搭接问题，在实际生产制造中验证白车身的工艺。由于进度节点问题，零件也可以由软模或半工装生产出来，零件状态稍差。

碰撞、拉力试验：涉及公告法规问题，在国家专门的车辆实验室进行，而且必须通过。

可靠性道路试：一般认为整车完成4万km（含2.6万km坏路）可靠性道路试验后，白车身没有明显开裂失效现象，即认为白车身结构强度满足疲劳耐久要求。纯电动车路试有所降低，整车只需完成1.8万km（含1.0万km坏路）试验。

实践证明，本车前舱经以上验证，也出现了一些问题，如焊接边过小容易产生边缘焊、工装定位不好等，经解决后都符合预期目标，达到量产条件，为新能源汽车的上市铺平了道路。

7 新能源电动汽车前舱设计体会

作为上汽通用五菱汽车股份公司的第一款纯电动汽车，事前大家都没有这方面的设计经验，主要依靠的是传统车的设计经验，以及对对标车的分析。对大量出现的四新（新材料、新结构、新工艺、新供应商）零件，我们牢牢抓住性能这一底线，不放松设计要求，大胆创新，不管其结构如何改变，但性能要求是不变的。

撰写本文的目的，就是通过介绍一款纯电动车的前舱设计过程，让读者了解汽车前舱设计流程、设计要点、设计检查与验证。当然，设计当中还涉及很多的专业知识，在这里不能一一说明。总之，希望提高技术人员车身开发能力，为中国汽车的发展贡献微薄之力。

参 考 文 献

[1]王文伟，毕荣华.电动汽车技术基础[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]谢贵山.乘用车前隔板总成零件设计开发概述[J].企业科技与发展，2012（7）：39-41.

[3]高键镒，查三妹.某乘用车前地板的结构设计改进[J].企业科技与发展，2012（15）：78-80.

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】范健，男，广西玉林人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司工程师，研究方向：车身下车体相关产品的结构；和丽梅，女，云南丽江人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司主任工程师，研究方向：车身下车体相关产品的结构；谢贵山，男，广西宾阳人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司车体执行经理，研究方向：车身相关产品的结构；许冰，男，广西宾阳人，研究生，上汽通用五菱汽车股份有限公司车体工程经理，研究方向：车身相关产品的结构。