杜書權(quán) 鐘富 張肖

關(guān)鍵詞：蓄電池安裝支架;強度;平臺化;成本

0 引言

蓄電池安裝支架一般位于整車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，主要作用是承載蓄電池總成，為其提供足夠支撐剛度，不出現(xiàn)開裂失穩(wěn)。同時，GB 20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》中5.4 條規(guī)定，在碰撞過程中和碰撞試驗后，蓄電池應(yīng)由保護(hù)裝置保持自己的位置[1]。這就要求蓄電池安裝支架要能承受一定的沖擊，不產(chǎn)生受迫脫離。所以蓄電池安裝支架是非常重要的功能性及與被動安全相關(guān)的車身類零件。

1 某車型蓄電池安裝支架

某車型蓄電池安裝支架的結(jié)構(gòu)及固定方式如圖1。支架底部共3 個固定點，其中2 個點與車身前大梁通過螺栓緊固連接，第3 個點與發(fā)動機(jī)懸置支架螺栓緊固連接。該支架需承載的蓄電池質(zhì)量為11.90 kg，側(cè)面承載的ECU 約0.37 kg。

2 開發(fā)中的典型問題

2.1 疲勞開裂

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，該車型蓄電池安裝支架的3 個螺栓固定點處均出現(xiàn)不同頻次開裂，各故障車開裂模式相似，裂紋長度10.0 ～ 20.0 mm（圖2）。

為節(jié)約開發(fā)時間，主機(jī)廠通常會進(jìn)行幾個月的強化路試來完成等效于普通路面十幾萬公里的耐久性試驗。王力按照零件連接特點和附件形式[2]，把車身附件支架分為了4 類，并指出了仿真分析內(nèi)容和各工況加載載荷，將耐久問題轉(zhuǎn)化為以靜強度與材料屈服對比，簡化了交變載荷下疲勞開裂的分析模式，有較高的吻合度。在本公司產(chǎn)品開發(fā)中，也一直采用相同的驗證和仿真方法，與文獻(xiàn)[2] 不同之處在于，由于具體試驗環(huán)境不同，各路面強化系數(shù)不同，采集分析的加速度也不相同。

取10 大工況中緊急制動、極限轉(zhuǎn)向和過深坑工況3 種極限的工況進(jìn)行對比，讀取仿真分析結(jié)果?？梢钥闯?，過深坑工況的應(yīng)力值明顯高出其他兩種工況（圖3）。

支架材料為BLD（材料屈服強度130 MPa），厚度1.4 mm，開裂發(fā)生在等效于常規(guī)里程幾萬公里的階段，是典型的分析應(yīng)力值低于材料屈服強度的疲勞開裂。同時，3 個固定點布置在不同的零件上，制造中各點Z 向高度不一致，實際確認(rèn)存在> 1.0 mm 的高度差，也導(dǎo)致螺栓墊片的壓緊不平衡，受力狀態(tài)更加惡劣，增大了開裂風(fēng)險。

由于產(chǎn)品上市的緊迫性和總布置邊界已鎖定，最終選定增加厚度1.4 mm、材料為B280VK 的加強板方案實施。經(jīng)實車驗證滿足可靠性要求。

2.2 平臺化問題

按照規(guī)劃，本平臺兼容了CAR、SUV 和MPV 幾種不同類型的車，各車型整備重量、售價依次增加。圖4 以時間順序表示了在邊界條件變化時，為滿足整車需求，蓄電池安裝支架的對應(yīng)解決方式，以及該零件種類從1 種增至4 種的過程。支架變化的影響因素共有6 個，分別為A、B、C、D、E、F，每個因素2 種水平（D3 可以與D1 統(tǒng)一），理論上平臺內(nèi)可以做到僅用2 個支架覆蓋所有車型，且基礎(chǔ)件相同，僅在有無附屬支架、開孔多少上進(jìn)行區(qū)分。實際由于首款車型以最小的邊界（含承載的蓄電池質(zhì)量）進(jìn)行布置，導(dǎo)致后續(xù)車型的任何變動都無法兼容，重復(fù)性地在具體結(jié)構(gòu)上全新開發(fā)，耗費很多的設(shè)計、制造和驗證成本，平臺化的整體協(xié)調(diào)性待提升[3] 。

2.3 其他問題

蓄電池與蓄電池安裝支架通過壓桿連接，壓緊面積小。行駛過程中蓄電池會與蓄電池安裝支架相對滑動，支架承載面的電泳保護(hù)層在長時間摩擦后脫落，隨后金屬板在潮濕環(huán)境中產(chǎn)生銹痕（圖5）。該問題通過在兩者間增加塑料固定支架進(jìn)行了優(yōu)化，但受限于金屬類零件的特點，支架其余各切邊處無法完全避免該問題。

以上的開發(fā)過程典型問題，最終解決方案均滿足產(chǎn)品可靠性等要求，但增加了額外的質(zhì)量和成本。

3 開發(fā)建議

輕量化和低成本是車身設(shè)計的重要原則。結(jié)合車身支架類零件設(shè)計需求，在進(jìn)行蓄電池安裝支架等附件類零件開發(fā)時，從以下幾點兼顧考慮。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，強度失穩(wěn)多數(shù)是零件局部或整體抵抗變形能力差，可以歸結(jié)為零件設(shè)計的剛度問題[4]。蓄電池安裝支架的剛度主要是底部安裝面剛度，薄板類零件剛度提升要有好的截面形狀，以達(dá)到彎扭要求。要求在蓄電池安裝面周邊增加高度為15.0 ～ 20.0 mm 的連續(xù)翻邊，拐角處為避免成型疊料，翻邊高度也做到5.0 ～ 7.0 mm。同時，充分利用安裝面的筋條，交叉布置，筋條深度至少大于安裝的螺栓頭厚度3.0 mm，總深度在11.0 ～ 12.0 mm 左右;筋條和翻邊平滑過渡，不出現(xiàn)應(yīng)力集中和剛度突變。安裝ECU 的垂直面，要與支架底部形成“U”型半包圍焊接結(jié)構(gòu)，并要求同一個面至少有2 個焊點。

3.2 固定點布置

統(tǒng)計另8 款蓄電池安裝支架，支架的固定點數(shù)量均為4 個，固定點分布如圖6 所示。

本文實施的3 個固定點支架厚度為2.8 mm，8 款對標(biāo)車支架平均厚度為1.6 mm，不考慮本零件因驗證時間緊張引起的設(shè)計保守性，該零件厚度為常規(guī)設(shè)計的2.4 倍，是可改善的點。

后續(xù)開發(fā)應(yīng)使支架的固定點為4 個，盡可能使固定點的幾何中心與蓄電池重心接近，減小蓄電池振動時對安裝支架固定點處施加的力矩。固定點的位置，應(yīng)避免安裝在發(fā)動機(jī)懸置上，規(guī)避發(fā)動機(jī)持續(xù)振動引起的失效風(fēng)險。同時，固定點都布置在車身側(cè)，制造上也使各安裝面的Z 向偏差可控，對壓緊螺栓受力均衡有利。

3.3 平臺化

本平臺如能控制蓄電池安裝支架種類為2 種，單從模具投入上至少節(jié)省40 萬元，是非常有效的降低開發(fā)投入的措施。推動新產(chǎn)品開發(fā)時應(yīng)從平臺內(nèi)各車型的平衡出發(fā)，在配置梯度上實現(xiàn)共享，即高端配置上做到接口完備，低端配置上根據(jù)需要逐漸梯度取消。例如，質(zhì)量和尺寸上以最大的邊界狀態(tài)開發(fā)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);附屬零件（ECU、TCU 和線束等）布置、連接及性能要求一致，在整車中位置相對固定;推動供應(yīng)商的接口平臺化，服務(wù)于整車，保持接口穩(wěn)定性。共同使平臺內(nèi)綜合的制造、驗證和分?jǐn)偝杀咀顑?yōu)化。

3.4 材料趨勢

在發(fā)動機(jī)艙等可見度相對高的區(qū)域，除增加隔板、更換鍍鋅板等提升金屬類零件防腐性能的措施外，在工程塑料和復(fù)合材料上也有較多方案。本平臺的大改迭代項目上，新開發(fā)的PP 材質(zhì)蓄電池安裝支架，同比金屬材質(zhì)減重48% 左右，且無成本增加，效果良好（圖7）。車身零件可進(jìn)一步推廣相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合工程塑料優(yōu)良的力學(xué)性能、防腐性和可加工性等，來應(yīng)對輕量化要求更高的電動化趨勢。