張延京，徒高橋，李俊英，魏宇

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純電動(dòng)物流車機(jī)艙三電托架的輕量化設(shè)計(jì)

張延京，徒高橋，李俊英，魏宇

（陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

文章以我公司現(xiàn)役的純電動(dòng)物流車的機(jī)艙三電托架為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用輕量化材料的方式達(dá)到輕量化目的。采用有限元軟件hypermesh進(jìn)行機(jī)艙三電托架的模態(tài)、強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，在滿足車型性能目標(biāo)的前提下，輕量化的機(jī)艙三電托架相較于現(xiàn)役托架減重率達(dá)到55.6%。

機(jī)艙三電托架；輕量化；有限元

1 引言

綜合續(xù)航里程是純電動(dòng)汽車用戶們最關(guān)心的指標(biāo)，而提高續(xù)航里程的方式主要為降低整車自重和提高動(dòng)力電池電量，在提高動(dòng)力電池續(xù)航能力需要較大成本投入的情況下，通過(guò)對(duì)整車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可以有效減少車身自身承載載荷[1]，是提高整車綜合續(xù)航里程較有效的途徑。

機(jī)艙三電托架是純電動(dòng)汽車機(jī)艙內(nèi)部承載電器、電控、空調(diào)壓縮機(jī)等零部件的重要結(jié)構(gòu)部件，在其設(shè)計(jì)階段除了需滿足強(qiáng)度、模態(tài)等性能，還需考慮到輕量化要求。目前機(jī)艙三電托架的基本結(jié)構(gòu)為：在前機(jī)艙處（轎車、SUV）或駕駛室前排座椅下方（面包車）平行于整車Y方向處布置2根橫梁，再根據(jù)電機(jī)控制器、充電機(jī)、蓄電池、DCDC、三合一等零部件的整車布置位置，在兩根橫梁上設(shè)計(jì)安裝點(diǎn)或增加小支架[2]。機(jī)艙三電托架在滿足強(qiáng)度模態(tài)的設(shè)計(jì)性能要求下，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和更換強(qiáng)度較高的材料，可以實(shí)現(xiàn)較理想的輕量化效果。

2 現(xiàn)役托架與輕量化托架設(shè)計(jì)方案

我司在產(chǎn)某車型的現(xiàn)役機(jī)艙三電托架材料為寶鋼DC01材料（Q/BQB408-2014），托架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 機(jī)艙三電托架結(jié)構(gòu)

輕量化機(jī)艙三電托架方案中，托架材料采用與我司合作的某高校自主研制的高強(qiáng)度鋁合金材料，經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)證明，該材料屈服強(qiáng)度515MPA，抗拉強(qiáng)度562MPA，延伸率11.5%；輕量化托架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役托架基本保持一致，更改之處為：現(xiàn)役托架的兩根托架橫梁厚度為1.5mm，鋁合金輕量化托架的兩根托架橫梁厚度為2.0mm，同時(shí)優(yōu)化了部分圓角，由于鋁合金焊接性能較差[3-5]，現(xiàn)將現(xiàn)役托架上采用的點(diǎn)焊連接部位改為鉚接結(jié)構(gòu)，鉚釘型號(hào)選用Q4400410-開(kāi)口型扁圓頭抽芯鉚釘，用拉鉚螺母代替現(xiàn)役托架上的凸焊螺母。

機(jī)艙三電托架上主要安裝的電器件有VCU、三合一、12V蓄電池和空調(diào)壓縮機(jī)，其中前三個(gè)電器件在工作中自身無(wú)振動(dòng)，對(duì)托架只產(chǎn)生靜應(yīng)力；而空調(diào)壓縮機(jī)在工作中會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，對(duì)整車的NVH性能影響較大。

3 現(xiàn)役托架與輕量化托架模態(tài)和強(qiáng)度性能對(duì)比分析

圖2為我司現(xiàn)役機(jī)艙三電托架與輕量化托架的CAE模態(tài)分析結(jié)果（除空調(diào)壓縮機(jī)外，其他電器件設(shè)定為質(zhì)量點(diǎn)），表2為兩種托架的一階橫擺模態(tài)值與目標(biāo)要求值對(duì)比。

圖2 兩種托架一階橫擺模態(tài)分析對(duì)比

圖2和表2中的結(jié)果顯示，托架的一階二階橫擺模態(tài)的目標(biāo)要求值均為50，輕量化托架的一階橫擺模態(tài)相較于現(xiàn)役托架較低，與設(shè)定的目標(biāo)要求值相同，兩種托架的二階模態(tài)值均高于設(shè)定的目標(biāo)要求值。說(shuō)明輕量化托架滿足空調(diào)壓縮機(jī)工作時(shí)不會(huì)引起共振的風(fēng)險(xiǎn)，滿足相關(guān)性能指標(biāo)。

表2 兩種托架橫擺模態(tài)值與目標(biāo)值對(duì)比

圖3和表3為我司現(xiàn)役機(jī)艙三電托架與輕量化托架施加的3種模擬工況載荷時(shí)的CAE強(qiáng)度分析結(jié)果。

圖3和表3中可以看出，現(xiàn)役托架和輕量化托架在施加的load1和load2兩種模擬工況載荷時(shí)，兩種托架承受的應(yīng)力值無(wú)明顯差異，均小于兩種托架所用材料的屈服極限；施加load3模擬工況時(shí)，由于輕量化托架的兩根橫梁厚度大于現(xiàn)役托架的橫梁，故其在load3模擬工況時(shí)受到的Z方向載荷較小，僅為143.3MPa，遠(yuǎn)小于輕量化托架材料515MPa的屈服極限，而現(xiàn)役托架受到的Z方向載荷較大，為240.2MPa，高于現(xiàn)役托架材料220MP的屈服極限，所以輕量化托架強(qiáng)度方面的性能優(yōu)于現(xiàn)役機(jī)艙托架。

表3 不同載荷工況下的兩種托架強(qiáng)度值與托架材料強(qiáng)度值對(duì)比

以上通過(guò)對(duì)兩種托架的模態(tài)值和剛度值的模擬對(duì)比分析，證明輕量化托架的剛度模態(tài)均滿足相關(guān)性能指標(biāo)，且輕量化托架的強(qiáng)度明顯優(yōu)于現(xiàn)役托架；現(xiàn)役托架總質(zhì)量為5.487kg，輕量化托架總質(zhì)量為2.432kg，相較于現(xiàn)役托架減重3.055kg，減重率達(dá)到55.6%。

4 結(jié)論

輕量化機(jī)艙三電托架的強(qiáng)度優(yōu)于現(xiàn)役機(jī)艙三點(diǎn)托架，一階二階橫擺模態(tài)略低于現(xiàn)役機(jī)艙三電托架，總體滿足設(shè)計(jì)性能目標(biāo)要求，同時(shí)減重率達(dá)到55.6%，具有較好的輕量化效果。

[1] 劉衛(wèi)斌,郝琪,肖琪,等.基于相對(duì)靈敏度的純電動(dòng)汽車白車身輕量化設(shè)計(jì)[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2016, 30(4):9-13.

[2] 華西娟,徒高橋.機(jī)艙三電托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2018(15):80-83.

[3] 陳玉勝.鋁合金車身及連接技術(shù)[J].汽車工藝師, 2018(3):49-53.

[4] 劉達(dá)工,吳江峰.鋁合金弧焊工藝在輕量化車身上的應(yīng)用[J].汽車工藝師, 2017(6):12-13.

[5] 高菁菁,李釗文,范林,等.汽車車身上鋁點(diǎn)焊的研究及應(yīng)用[J].汽車工程師, 2018(4):15-17.

Desigh of light weight of three electric bracket of the cabin of the pure electric cargo van

Zhang Yanjing, Tu Gaoqiao, Li Junying, Wei Yu

( Shaanxi Tongjia Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper research on active service's three electric bracket of the cabin of the pure electric cargo van of our company, Through the way of structural optimization and application of light weight materials to achieve the goal of lightweight. Finite element software hypermesh was used to analyze the mode and strength of the three-electric bracket of the cabin, The results show that, on the premise of satisfying the vehicle's performance requirement, the weight loss rate of light weight's three electric bracket of the cabin was 55.6% compared with the active service's bracket.

three electric bracket of the cabin; light weight; finite element

A

1671-7988(2018)18-04-02

U465.9

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1671-7988(2018)18-04-02

CLC NO.: U465.9

張延京，碩士，車身設(shè)計(jì)工程師，就職于陜西通家汽車股份有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.002