一种采用铝合金型材的纵梁前段连接件结构设计

赵冠淇

摘要：基于某电动跑车平台车身主体结构，设计了一种基于型材结构的纵梁前段连接件方案，进行了碰撞性能仿真分析，结果表明型材结构形式简单，能够满足碰撞性能要求，且能够实现满意的轻量化效果，证明型材结构是一种可行的纵梁前段连接件方案。

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.

关键词：纵梁前段连接件;碰撞性能仿真;型材结构

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

0  引言

纵梁连接件现状：纵梁前段连接件的主要作用是连接机舱纵梁与下车体门槛梁，如图1所示，是应用于电动车铝合金车身平台的重要连接结构件。目前全铝车身车型的纵梁前段连接件采用的两种主流结构是铝合金型材结构和铝合金铸件结构[1]，分别如图2、图3所示。上述两种结构在生产工艺、制造成本、连接方式、装配精度、性能表现以及轻量化效果等多个方面均有不同。本文基于全铝合金车身平台的设计需求，提出一种采用了铝合金型材的纵梁前段连接件结构设计方案。

1  纵梁连接件结构设计流程

1.1 功能设计

如图4所示，纵梁前段连接件起连接作用，前端与前纵梁连接，后部与门槛梁连接，侧边与前壁板总成、电池包安装横梁搭接，同时对A柱内板起安装支撑作用，对手零部件较多，结构设计较为复杂。

1.2 空间布置

纵梁前段连接件的设计空间在电动车平台设计伊始就需要考虑，如图5所示。现代汽车车身平台架构设计理论中，将前轮心与踏板之间的X向距离作为平台设计要素，该空间涉及动力、悬架、转向、轮胎等多个系统，是平台设计的重中之重。而纵梁前段连接件就刚好处于该空间内并且承担连接作用，同时也是机舱与成员舱的分界结构：如图6所示，在机舱部分，需要避让转向及轮胎运动包络;如图7所示，在成员舱内需要避让驾驶员歇脚板空间需求及踏板操作空间需求。由此可见，纵梁前段连接件的空间布置较为复杂，需要在平台构建时优先考虑，以解决空间不足带来的设计困难和结构空间较小带来的各方面性能问题。

1.3 结构方案设计

依据平台定义的功能需求和布置空间要求，输出设计边界，并经数据细化，确定了初版结构方案，如图8所示。该纵梁前段连接件型材结构方案由四个零件组成，其中两个为挤压型材作为连接主体，另外两个零件为铝板冲压件作为加强件使用。相关材料牌号见表1，该纵梁前段连接件总重量为7.26kg。

1.4 性能目标

纵梁前段连接件性能目标，即该零部件带入到车身性能分析所呈现的性能表现，包含刚度、强度、模态、NVH及碰撞安全等。为实现该件的性能目标，在设计初始，可以适当采用加强筋、传力结构等措施，后续则可以将其引入到整车性能开发中进行验证。

1.5 工艺设计

工艺设计需要考虑零件的成型工艺和连接工艺，纵梁前段连接件的连接工艺包括MIG焊和FDS。

2  设计评判标准选择与验证

作为车身平台关键重要零部件的纵梁前段连接件，其设计的可行性需要在多方向、多维度上去论证。本文因篇幅原因，仅从对车身性能影响最大的碰撞安全领域进行求证。众所周知，全新电动车平台与传统燃油车平台在下车体结构中有非常大的不同，如图8、图9所示，图中深色代表车身主体承载梁结构。通过对比，发现铝合金底盘平台的下车体取消了地板纵梁、加强横梁等多条传力路径，碰撞力由纵梁经铸件直接传递给门槛梁。传力路径的变化使得纵梁前段连接件的作用被极大强化，因此该纵梁前段连接件的结构方案是否可行，很大程度上取决于其在碰撞安全仿真分析中的表现。

以ODB（C-NACP（2018）版40%可变形壁障碰撞）仿真分析作为评判依据，将该种采用铝合金型材的纵梁前段连接件结构带入到车身结构中进行ODB仿真分析。该结构方案的分析结果与竞品车型相比较体现出明显优势，表明该种采用铝合金型材的纵梁前段连接件结构满足性能目标要求。（表2）

3  结论

采用该种铝合金型材纵梁前段连接件结构的车身满足正面C-NACP（2018）40%可變形壁障碰撞法规的要求，从该单一维度讲，型材结构是一种可行的纵梁前段连接件方案。同时，型材结构方案总重量为7.261kg，相比竞品结构的8.307kg，重量减轻1.046kg，实现12.6%减重目标，且型材结构简单，开发成本相较铸件方案低，在铝合金车身轻量化设计中具备较强的工程化意义。

参考文献：

[1]王祝堂，熊慧.汽车用铝材手册[M].长沙：中南大学初版社，2012：162-170.

[2]程丽，吴平，卢晓东，张伟，代春旭.压紧释放装置记忆合金丝连接件设计[J].内燃机与配件，2018（17）：3-5.

[3]黄兰，杜敬.粉末冶金模具的连接件设计及其在弥补压机动作缺陷中的应用[J].内燃机与配件，2016（12）：42-44.