郭 銳 Guo Rui

某燃油車變電動(dòng)車的車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

郭 銳
Guo Rui

（國(guó)能新能源汽車有限責(zé)任公司 車身開閉件部，天津 300450）

以某燃油車為基礎(chǔ)開發(fā)電動(dòng)汽車，車身結(jié)構(gòu)開發(fā)需要滿足三電系統(tǒng)，并在保證車身多數(shù)零件通用的前提下，壓縮車身開發(fā)周期及成本，使新車型盡快推向市場(chǎng)。

三電系統(tǒng)；沖壓模具；焊裝夾具；截面積；熱成型；料厚；NVH；碰撞試驗(yàn)

0 引 言

在國(guó)家政策補(bǔ)貼的大力推動(dòng)下，近幾年電動(dòng)汽車企業(yè)快速成長(zhǎng)并上市了眾多品牌汽車，但電動(dòng)汽車同燃油車一樣，存在開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高的問題，因此選擇在現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用成熟的車身零件模具、夾具及生產(chǎn)線，盡快將新車推向市場(chǎng)，是目前國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的首選方案。本文闡述如何利用燃油車開發(fā)電動(dòng)汽車車身，以達(dá)到最大化節(jié)省開發(fā)周期及費(fèi)用的目的。

1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

通常，車身設(shè)計(jì)需要考慮其功能、造型、生產(chǎn)工藝、國(guó)家和企業(yè)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)運(yùn)動(dòng)校核以及拆裝維修便利性等方面[1]，如果按照新車身開發(fā)步驟，需要新開沖壓模具及焊接工裝夾具，這個(gè)過程少則6～8個(gè)月，多則9～10個(gè)月，車身模具及工裝費(fèi)用也會(huì)很高。如果在燃油車車身基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，車身模具開發(fā)時(shí)間則為3～4個(gè)月，所需費(fèi)用也會(huì)降低。本文具體描述車身零件結(jié)構(gòu)的更改方案，不包括通用件。

2 車身變化點(diǎn)

燃油車轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)車，其車身需要配合三電系統(tǒng)（高壓電池組、智能電機(jī)組和電控組）進(jìn)行結(jié)構(gòu)件更改，主要有以下特點(diǎn)[2]：

（1）最大化利用車身現(xiàn)有零件，針對(duì)三電系統(tǒng)對(duì)下車體部分（前縱梁總成、前地板總成、中通道總成、座椅橫梁總成、電池安裝梁總成等）重新設(shè)計(jì)；

（2）針對(duì)充電口、冷凝器以及電機(jī)固定方式變化進(jìn)行前機(jī)艙部分零件設(shè)計(jì)；

（3）針對(duì)電動(dòng)車國(guó)家和地方法規(guī)要求，提升車身的密封性能；

（4）通過CAE分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到國(guó)家法規(guī)及企標(biāo)要求。

2.1 結(jié)構(gòu)變化部分

2.1.1 車體變化概述

在燃油車基礎(chǔ)上開發(fā)電動(dòng)車，可借用側(cè)圍、頂蓋、翼子板、前后車門及前后蓋等外覆蓋件，以及這些外覆蓋件的內(nèi)板和加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)件，包括前后輪罩、前圍板、A/B/C柱、后地板、后隔板、后圍板等總成（如圖1中①）。因電動(dòng)車動(dòng)力總成由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)橹悄茈姍C(jī)，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器，只保留空調(diào)冷凝器，故前機(jī)艙的前縱梁總成和水箱上橫梁需進(jìn)行局部更改（如圖1中③）。同時(shí)燃油箱變?yōu)閯?dòng)力電池，加油口變?yōu)槌潆娍冢瑸楸ＷC車輛行駛的通過性及續(xù)航里程，需重新設(shè)計(jì)前地板總成及充電口支架（如圖1中②），這些更改涉及下車體零件。

圖1 白車身總成結(jié)構(gòu)

2.1.2下車體變化

下車體包括前機(jī)艙總成、前地板總成和后地板總成。對(duì)于電動(dòng)車來說，要達(dá)到續(xù)航里程要求，需對(duì)前地板總成進(jìn)行適應(yīng)性結(jié)構(gòu)更改，根據(jù)動(dòng)力電池體積，將其布置在前地板下方。目前研究對(duì)象的動(dòng)力電池比能量偏小，需要增加電池組數(shù)量，這導(dǎo)致動(dòng)力電池體積和整車質(zhì)量增大，根據(jù)人機(jī)布置的視野要求，會(huì)降低整車離地間隙，影響整車的通過性和碰撞性能，使車輛的使用性和被動(dòng)安全性受影響。動(dòng)力電池布置位置如圖2、圖3所示。

圖2 整車仰視圖

圖3 整車剖切圖

電動(dòng)車相比燃油車的另一個(gè)主要變化點(diǎn)是移除了燃油車動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)，替換為電動(dòng)車智能電機(jī)和電控系統(tǒng)，所以需要根據(jù)新布置的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行前機(jī)艙對(duì)應(yīng)零件結(jié)構(gòu)調(diào)整，如圖2、圖4所示。

2.1.3 前地板區(qū)域設(shè)計(jì)變化

由圖2可看出動(dòng)力電池占有很大空間，將原有前地板全部覆蓋并延伸至后地板，從圖3可看出，為配合布置動(dòng)力電池，前地板下邊界進(jìn)行了抬高處理，保證足夠的離地間隙提升整車的通過性。這樣做使得燃油車前地板及其下方前縱梁、中通道側(cè)縱梁和地板邊梁等總成和碰撞中主要受力結(jié)構(gòu)件的空間全部被占用，會(huì)破壞原有整車的碰撞性能，燃油車身碰撞受力路徑如圖5所示。為了保證電動(dòng)車碰撞時(shí)的安全性，對(duì)前地板及周邊零件進(jìn)行全新設(shè)計(jì)：將燃油車前縱梁后部和中通道兩側(cè)縱梁截?cái)啵虏苛杭車@動(dòng)力電池設(shè)計(jì)成框架梁，下車體后部結(jié)構(gòu)不變，局部連接結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，其車身底部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 動(dòng)力總成展示圖

圖5 燃油車身碰撞受力路徑圖

注：1～13名稱見表1。

根據(jù)圖6可知，電動(dòng)車受動(dòng)力電池布置影響，現(xiàn)有碰撞力由前縱梁后部三角區(qū)域（鋼管組成）分化為門檻邊梁、電池安裝梁及中通道（由外至內(nèi)）3條關(guān)鍵受力路徑，雖比燃油車減少一條（燃油車中通道處兩條），但電動(dòng)車中通道受力截面積大且為熱成型超高強(qiáng)板，其受力性能與燃油車相當(dāng)，并且能夠滿足GB11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[3]、GB20072—2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》[4]及C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程等汽油車標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 關(guān)鍵零部件改進(jìn)方案

2.1.4 前機(jī)艙區(qū)域設(shè)計(jì)變化

由圖1可以看出相比燃油車電動(dòng)車車身和前機(jī)艙的變化區(qū)域，由圖4可看出智能電機(jī)相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)體積小很多，智能電機(jī)和高低壓電控系統(tǒng)進(jìn)行位置調(diào)整，使車身的固定方式發(fā)生變化，根據(jù)整車NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）需求，為防止動(dòng)力總成橫向抖動(dòng)造成整車抖動(dòng)或共振，需將動(dòng)力總成和變速箱固定在前縱梁的向水平線上，變更點(diǎn)如圖7所示，更改方案見表2。

由于電動(dòng)車沒有燃油動(dòng)力總成，故不需要發(fā)動(dòng)機(jī)散熱水箱，只保留空調(diào)的冷凝器，考慮到單個(gè)冷凝器的安裝強(qiáng)度及剛度，取消了原水箱上橫梁下板，減重同時(shí)降本，并且調(diào)整了水箱上橫梁的材料及其厚度，具體見表2。

注：1～6名稱見表2。

與燃油車相比電動(dòng)車取消了原有加油口，增加了充電口，考慮充電方便性，通常將充電口布置在汽車前端，并且根據(jù)國(guó)家法規(guī)，設(shè)置了2個(gè)充電口：快充電口和慢充電口?？紤]車身空間位置，快充口和慢充口均位于車頭前格柵下方；并在水箱上橫梁及前防撞梁間配合新充電口，開發(fā)安裝了充電口固定機(jī)構(gòu)，具體見表2。

表2 零部件改進(jìn)方案

2.2 試驗(yàn)改進(jìn)部分

2.2.1 提升密封性設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)車相比燃油車具有更嚴(yán)格的密封標(biāo)準(zhǔn)，DB31/T 634—2012《電動(dòng)乘用車運(yùn)行安全和維護(hù)保障技術(shù)規(guī)范》[6]中要求水深300 mm時(shí)，車輛可以前進(jìn)、倒退安全行駛10 min以上。試驗(yàn)樣車在試驗(yàn)中，出現(xiàn)前座椅前、后區(qū)域多處漏水及積水問題。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)門檻內(nèi)板的點(diǎn)焊密封膠與涂裝密封膠搭接處出現(xiàn)斷膠密封情況，拆解試驗(yàn)車時(shí)發(fā)現(xiàn)總裝漏裝密封孔堵，如圖8所示，故重新設(shè)計(jì)涂膠軌跡以及要求總裝標(biāo)明關(guān)鍵工藝工序，提升車身的密封性能，如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)車漏水位置結(jié)構(gòu)

圖9 車身密封改進(jìn)結(jié)構(gòu)

2.2.2 CAE模擬分析

針對(duì)車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案進(jìn)行有限元仿真分析碰撞情況，如圖10和圖11所示，分別為50 km/h正碰和64 km/h偏置碰撞優(yōu)化仿真結(jié)果[5]，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的整車碰撞可以達(dá)到C-NCAP五星性能目標(biāo)要求水平，優(yōu)化前、后得分見表3。

圖10 正碰分析仿真結(jié)果

圖11 偏置碰分析仿真結(jié)果

表3 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后C-NCAP得分表

續(xù)表3

2.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整車碰撞性能試驗(yàn)和涉水試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)碰撞性能可以達(dá)到C-NCAP五星碰撞水平指標(biāo)要求，并且在水深300 mm、車輛以10 km/h行駛時(shí)，未出現(xiàn)車身漏水情況。

3 總 結(jié)

以某三廂燃油車為基礎(chǔ)進(jìn)行電動(dòng)汽車車身開發(fā)，提出重點(diǎn)結(jié)構(gòu)（前機(jī)艙、前地板等）的具體更改方案，并借助有限元仿真分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)區(qū)域的性能，進(jìn)行樣車試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一種系統(tǒng)、高效、開發(fā)時(shí)間短、費(fèi)用低、通用化率較高的電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)方法。

[1]郭竹亭. 汽車車身設(shè)計(jì)[M]. 吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2]鄭宏立，任杰，劉余運(yùn)，等. 新能源車型車身設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)例[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2019中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集（4）. 上海：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2019：216-219.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 汽車正面碰撞的乘員保護(hù)：GB 11551—2014 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求：GB 20072—2006[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[5]孫樂，鄧蔣. 某車型電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2016中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.上海：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2016：1466-1470.

[6]上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 電動(dòng)乘用車運(yùn)行安全和維護(hù)保障技術(shù)規(guī)范：DB 31/T634—2012[S]. 2012.

2020-02-29

U463.82+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.03.007

1002-4581（2020）03-0028-05