纯电动铝合金车身地板抖动解决策略

姜叶洁，杨宏，邱志勇

纯电动铝合金车身地板抖动解决策略

姜叶洁，杨宏，邱志勇

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511400）

造成纯电动铝合金车身地板抖动主要有三个原因，一是铝合金材料的杨氏模量是传统钢材料的三分之一；二是纯电动铝合金车身的动力电池往往布置在地板下方，导致地板下方没有足够的空间设计铝合金纵梁；三是铝合金车身主要连接形式为FDS和铆接加结构胶。文章通过对结构的优化以及对不同类型阻尼垫的测试研究，解决了铝合金车身地板抖动问题。

纯电动铝合金车身；地板抖动；结构优化；阻尼垫

前言

目前实现汽车轻量化的目标有以下三种方法：一是轻质材料的使用；二是车身各个结构的轻量化设计和优化。三是先进的新型汽车制造技术在汽车制造中的运用[1-3]。不同的材料有着其自身不同的特点，汽车零部件也根据其特有的工作特点选取不同的轻质材料。铝合金是目前汽车制造中应用较广泛的一种轻质材料，其各项相关技术也相对比较成熟。铝合金拥有较高的强度以及良好的吸能性。铝合金材料对车身的减重效果非常明显。理论上使用铝合金作为材料的汽车能够达到 40%左右的减重效果，轻量化效果明显。有着各种优点的同时，缺点也无法避免。但使用铝合金最大的问题就是材料的焊接工艺性差，耗费金钱较高。如果能够尽可能的发挥我国铝贮存量丰富的优势，控制成本，这样将加快我国汽车轻量化技术的发展[4-5]。

本文通过分析造成纯电动铝合金车身地板抖动主要有三个原因，一是铝合金材料的杨氏模量是传统钢材料的三分之一；二是纯电动铝合金车身的动力电池往往布置在地板下方，导致地板下方没有足够的空间设计铝合金纵梁；三是铝合金车身主要连接形式为FDS和铆接加结构胶。铝合金和钢的弯曲性能，结合结构优化对铝合金地板提供了设计思路，同时配合不同阻尼胶片的研究，解决了铝合金地板抖动的问题。

1 铝合金地板及钢地板对比分析

某车型在实际道路试验的过程中，发现地板有明显的抖动，分析研究主要从材料性能影响、结构影响、不同阻尼片影响三个方面入手。

在材料方面物理性能，钢和铝的弹性模量分别是210000Mpa和7000Mpa，钢的弹性模量是铝合金的3倍，这就决定了材料抵抗变形能力方面，钢的表现要优于铝合金。选取同等尺寸的钢板和铝板进行对比，其中钢板的牌号为270C，厚度为0.7mm，铝板的牌号为5182，厚度为1mm，如图1所示。

图1 钢板铝板示意图

1.1 静态刚度对比

根据材料力学理论，板的弯曲刚度是，其中

其中，是材料的弹性模量，和分别为金属板的宽度厚度，I是板材截面的惯性矩。

通过公式可以看出，钢的模量是铝的3倍，钢板惯性矩和铝板惯性矩的比值分别为其厚度3次方的比值，即0.343:1，从公式可以看出，0.7mm的钢板和1mm厚的铝板是等静弯曲刚度，项目开发在铝地板选择方面，选择1.4mm的铝板，静弯曲刚度大于钢车身0.7mm的钢板。

1.2 动态NVH相关性能对比

钢板和铝板的动态刚度除了静刚度外，还和其质量有关，对应频率为：

其中为频率，为刚度，为质量。质量是由密度和体积决定的，0.7mm的钢板对应的质量和1mm对应的铝的质量比为2.035:1，所以，1mm厚的铝板的动刚度要优于0.7mm厚的钢板。试验结果如图2和图3所示。通过对钢板和铝板动刚度和振动传递函数对比，可以看出，铝板一阶频率明显大于钢板，因为钢板的质量是铝板的接近3倍。即使选取1.4mm的铝板，NVH性能依然优于钢板。

图3 钢板和铝板振动传递函数对比

2 铝合金地板结构设计优化

纯电动铝合金车身的动力电池主要固定在门槛梁下侧，这就导致地板下方不能像传统钢车身一样有两根地板纵梁，如下图4所示。地板下面没有梁支撑，同时中通道截面明显缩小，所以铝合金地板结构的设计将直接影响地板的NVH性能。

图4 钢车身地板纵梁示意图

地板方案一 地板方案二

选取两种不同的地方方案进行对比，两种方案的筋的设计形式、宽度、高度、数量均不一样，如下图5所示。为了搭载原车型同步验证，因为实际地板方案需要修改模具，周期费用比较长，这里同时提出两种替代方案，如图6所示。

替代方案1和2 替代方案3

替代方案1：增加厚度为1mm的铝板，材料牌号5182，宽度177.5mm；替代方案2：增加厚度为2mm的铝板，宽度177.5mm；替代方案3：增加厚度为1mm的宽板，宽度477.5mm。通过对比分析驾驶员侧脚和地板的接触位置的动刚度以及模态，如图7 -8所示。从图7可以看出，脚位置的动刚度，方案2明显优于方案1，替代方案1、2、3均优于方案1，但是没有方案2好，尤其周期成本限制，可以先通过方案2进行试验验证。从图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态，减少地板抖动。

图7 几种方案动刚度对比

图8 几种方案模态对比

3 不同阻尼胶片对地板的影响

除了材料的对比选择，结构的优化外，还对不同阻尼垫对铝板的影响进行了测试研究，参与测试的阻尼垫有四种，包括固态阻尼垫、液态阻尼垫、丁基铝箔以及丁基胶。不同阻尼垫贴在规格相同的铝板上，通过观测其原点动刚度，结合成本选择减震效果最明显的胶。

图9 不同阻尼对原点动刚度的影响

通过测试分析对比可以看出，在减震效果方面，固态阻尼、液态阻尼、丁基水平相当，可以根据成本选择，这里推荐液态阻尼。

4 结论

通过以上分析对比，对纯电动铝合金车身抖动的原因进行了详细的解析，从以下三个方面展开了对比分析：

（1）钢板和铝板对地板刚度和抖动的影响。

（2）铝合金地板不同结构形式对其抖动的影响。

（3）不同阻尼胶片对地板的影响。

最后，通过结合三个方面分析的结果，在量产项目上实施，从而达到解决地板抖动问题的目的。

[1] 朱宏敏.汽车轻量化关键技术的应用及发展[J].应用能源技术, 2009(2):10-12.

[2] 范子杰,桂良进,苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014, 5(1):1-16.

[3] 朱则刚.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J].轻金属, 2011(10):3-6.

[4] 范军锋,陈铭.中国汽车轻量化之路初探[J].铸造,2006,55(10):995 -998.

[5] 康来明,韩云岭.先进制造技术推动我国汽车产业发展的动力[J].汽车与配件,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

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1671-7988(2019)14-37-03

姜叶洁，硕士，中级工程师，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，从事白车身及内外饰结构分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.012