某电动车型的后车架结构优化设计

苏振　庞庆　唐春柳

【摘 要】随着近年来燃油汽车保有量的持续增长，由此带来的能源紧张与环境污染问题日益凸显，向电动车转型是全世界的趋势，各传统汽车厂家都在着手研究新能源汽车。新能源汽车对车身结构设计提出了新的要求。文章介绍了一种新的电动汽车的后车架结构，不仅能够满足动力电池的承载要求，还能给予电池提供组够的安装空间及避荡空间，保证车身受后端碰撞后，电池免受后端碰撞的冲击，提高了受低速后撞车辆的行驶安全性。

【关键词】电动汽车;车架结构;电池保护

【中图分类号】U463.32 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）04-0051-02

0 引言

近年来，世界主要的汽车强国纷纷表示要将新能源汽车提升至国家战略，更是提出了“禁止销售燃油汽车时间表”，同时采取了一些限行措施。我国也在主动、积极、系统地推动新能源汽车的发展。基于新能源汽车结构的特点，对汽车车架的设计也提出了更高的要求。新能源汽车的碰撞性能需要满足相关安全标准和法规，包括《汽车正面碰撞的乘员保护》《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》《电动汽车安全要求》《电动汽车碰撞后安全要求》等。车架是汽车的主要承载、受力部件，其功能类似于人体骨骼，如果人体没有完整的骨骼系统，就不能完成正常的运动。汽车车架不仅是汽车各个部分连接的节点和基础框架，更是承受载荷的基础构件，其结构设计强度直接关系着汽车的被动安全保护装置、电池部件保护位置、乘员的安全性保护等方面。

本文基于某車型为了解决现有技术中的不足而提供一种电动车后车架组件，通过将左后大梁和右后大梁延长设计，半包围电池，这种设计给予电池提供足够的安装空间及避荡空间，保证车身受后端碰撞后，电池免受后端碰撞的冲击，提高了受低速后撞车辆的行驶安全性。

1 背景

目前电动汽车后车架通常由左后大梁焊合件、右后大梁焊合件、后地板横梁焊合件、后端梁总成等零件构成。横梁焊合件前面的空间用于布置动力电池，后面的空间为碰撞缓冲吸能区域，动力电池的安装固定于后大梁焊合件上，一般左右各两个安装点（如图1所示）。

1.1 CAE分析加载条件

整车碰撞有限元分析模型基于零部件网格的划分、材料模型的选择、各部件连接方式的定义及边界条件等，同时参考《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》（GB 20072—2006）的工况进行设定，评估动力电池包碰撞后是否存在风险。电动汽车总质量设定为600 kg，碰撞速度设定为50 km/h。

1.2 评价标准

{1}碰撞结束30 min内，动力电池包不应发生爆炸、起火。②碰撞结束30 min内，不应有电解液从REESS（车载可充电储能系统）中溢出到乘员仓，不应有超过5.0 L的电解液从REESS中溢出。{3}为了防止直接接触高压带电部位，碰撞后的车辆应该有IPXXB级别的物理防护。此外，为了防止间接接触的触电伤害，用大于0.2 A的电流进行测量，所有外露的可导电部件与电平台之间的电阻应低于0.1 Ω。

1.3 分析结果

按照国家标准《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》（GB 20072）的工况进行设定，碰撞速度为50 km/h的条件进行后碰仿真分析，结果不能满足要求（如图2所示）。设计结构存在以下问题：①后大梁焊合件出现较大折弯，碰撞后，后端空间仅剩约180 mm，没有足够的空间布置选装电池。②汽车后轮前移位移量较大，后悬挂整体移动，后悬安装支座撞击到动力电池包，电池包出现较大变形，存在很大的风险。③动力电池固定安装支架最大塑性应变为0.172，存在一定的撕裂风险。④碰撞过程中，动力电池包安装螺栓受到最大应力为21.4 kN的轴向拉力、25.5 kN的剪切力，存在电池包安装螺栓失效的风险。

2 原因分析

碰撞区域主要分成吸能变形、抵抗变形区域。在高速碰撞中，通过合理的压溃变形来充分吸收碰撞能量，减少碰撞能量向后传递到乘员仓，减小成员仓的变形，保护车内成员的安全。同时，在动力电池安装位置、副车架安装位置抵抗变形，以保护动力电池安全。在通过对CAE分析结果进行研究，同时对模拟数据的结构深入分析，我们认为后车架碰撞性能不满足的原因有以下几点：①该后车架结构具体为左、右门槛内板后加强板侧面与大梁点焊连接，横梁焊于大梁侧面，搭接处大梁与横梁均为简单的单层结构，强度严重不足。②车架结构布置不合理，受力传递路径和碰撞吸能区域都不是很理想，后大梁焊合件吸能变形区域过于靠前且变形不完全，副车架支座位置应属于不能变形区域，而设计上强度不足，碰撞产生了应力变形，导致了副车架与动力电池的撞击。③电池支架为简单的“几”字形支架，零件刚度不足，产生应力变形。④电池安装固定点作为碰撞受力敏感点，固定螺栓数量却偏少，导致碰撞时应力集中，螺栓损坏。

3 改进方案

由之前的仿真分析可知，电动汽车在受到后面碰撞时，由于吸能件不能把所有的碰撞能量全部吸收，所以导致车身结构变形，还会将能量传递至周围的连接部件。通过侧面碰撞分析结果，应以减少后大梁动力电池安装座位置变形、减少动力电池安装点结构形变、降低后大梁尾端的侵入量和侵入速度为目标进行优化改进，对整车结构提出合理可行的优化方案，再对优化版的后车架结构进行分析计算，通过仿真分析结果，验证改进后的车身结构是否能对乘员、动力电池起到保护作用，满足碰撞标准要求。

同时，我们考虑到该车架所需满足的冲压工艺、焊接工艺及装配工艺，以及结构加强所需的零件增加，重量增加引起的成本变更，本着以低成本、高效益的原则，最终制订了以下方案：{1}为了优化后车架整体碰撞应力传递路径，增加对于动力电池的保护，增加末端大梁的能力变形吸收，加长后大梁前端长度和型面，调整大梁弯曲，将横梁端头改为喇叭状，使车架形成两圆弧相对的形式（虚线所示），前后开口比例约1.5∶1（如图3所示）。{2}为了加强动力电池包安装点区域的结构强度，减少大梁与横梁搭接处受力变形，增加“Y”形接头，将搭接处大梁与横梁由单层结构加强为成双层结构，同时可以将后车架上动力电池的安装螺栓数量由4颗增加至8颗，降低电池的螺栓断裂失效风险（如图4所示）。{3}为了让后大梁末端更好地压溃吸能，保护中部的动力电池，将后大梁Z向截面设计为两端小、中间大的渐变结构，中间高度与两端比值约2.5∶1（如图5所示）。

4 方案分析验证

将优化后的车身结构替换到初版设计模型中进行计算，显示优化后的后车架结构不仅给予电池提供足够的安装空间及避荡空间，而且保证车身受后端碰撞后，电池免受后端碰撞的冲击，提高了受低速后撞车辆的行驶安全性。此结构经过CAE分析，碰撞过程中钣金最大塑性应变为0.108，无风险，且动力电池包没有受到挤压，整体没有明显变形，之后也通过了实车碰撞测试验证。

5 结论

此次对于后车架结构进行了碰撞仿真分析，根据分析结果对汽车运动变形、车身关键位置的变形速度、侵入量曲线及应力传递路径、能力吸收管理、车身结构变形进行分析，找出了初版结构设计不合理的地方，对不满足目标项的结构提出了更改意见，最终得到了满足试验和性能要求的新结构。对设计者来说，充分借助CAE分析软件进行理论分析，是设计中的一个重要手段。理论与实际相结合，有效地解决了设计中的问题，找到了结构与成本的最佳结合点，从而输出更高质量的车身结构设计。

参 考 文 献

[1]林炳华.最新汽车使用设计[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2005.

[2]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法和流程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]何耀华.汽车试验技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[责任编辑：钟声贤]