纯电平台钢铝混合车身机舱框架结构设计

陈宗明 李玄霜

摘 要：车身机舱框架结构是汽车发生正碰时吸能和传递载荷的重要总成，其耐撞性和轻量化设计影响到整车碰撞性能及轻量化水平;基于某款纯电动车型，采用钢铝混合材料完成机舱的框架结构设计，保证50km/h全正碰试验及64km/h偏置碰试验过程中，机舱框架稳定压溃变形，吸能模式合理，达到碰撞性能目标;同时保证机舱框架上重要安装点的性质指标。

关键词：车身机舱框架;钢铝混合材料;轻量化;耐撞性

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-50-04

Structural Design of Steel-Aluminum Hybrid Engine Room Frame

of Pure Electric Platform

Chen Zongming， Li Xuanshuang

（ GAC R&D Center， Guangdong Guangzhou 511434 ）

Abstract： The BIW engine room frame structure is one of the most important assemblys which absorb the impact energy and transfer load， Its crashworthiness and lightweight design affect the crash performance and lightweight level of the whole vehicle. Based on a pure electric vehicle，frame structure design of engine room with steel aluminum mixture， ensure the engine room frame is stable in collapse and deformation， the energy absorption mode is reasonable， and the collision performance target is achieved during 50km/h full frontal impact test and 64km / h offset impact test. At the same time， ensure the property index of the important installation points on the engine room frame.

Keywords： BIW engine room frame structure; Steel aluminum mixture; Lightweight; Crashworthiness

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-50-04

引言

随着环保和节能要求日益严苛，纯电汽车已经成为全球汽车行业的重要发展方向，与此同时，轻量化白车身设计仍旧是白车身开发的主要趋势。

纯电汽车相比常规能源，由于电池包的原因，整备重量相对较大，其白车身设计的轻量化需求更加凸显;兼顾轻量化设计，同时需要满足碰撞性能需求，对常规机舱结构对来一定挑战。

通过新材料完成常规白车身机舱框架结构的轻量化设计是当前一种趋势，铝合金密度是钢的1/3，是当前轻量化设计的一种主流车身材料。沈斌[1] 提出铝合金前纵梁可以替代钢质薄壁梁进行前纵梁设计;陈吉清[2]提出钢铝混合材料车身中的部分构件由高强度钢板和铝合金板组合而成，能够发挥高强度钢板在强度及价格方面的优势，同时兼顾铝合金材料减重吸能方面的特性，于成本提高不大的前提下实现轻质车身结构的耐撞性设计。金泉军[3]提出了铝合金防撞梁的轻量化及安全性能较高强度钢均有明显改善。

本文通过某款纯电汽车机舱框架结构开发，阐述如何运用钢铝混合材料，通过截面设计，框架搭建，实现轻量化设计，并满足碰撞试验性能及重要安装点性能要求，从而为纯电汽车机舱框架结构的轻量化设计提供指导。

1 框架结构设计

在汽车白车身结构里面，车身机舱是应对碰撞性能的重要区域，在50km/h正碰及64km/h偏置碰试验中，其作为主要直接接触区域需要通过变形吸收大部分碰撞能量。

考虑目标车型为纯电汽车，机舱区域的框架结构设计空间需要考虑避让电机总成、左右轮胎包络及前端模块总成;如图1所示，形成机舱框架中前纵梁框架的初步结构。

结合上纵梁及副车架框架设计，采用“品”字形机舱框架结构，形成三個封闭连接，横梁纵梁相互呼应、结构紧凑，提高了机舱刚度、模态与机舱稳定性;如图2所示，优化传力路径，将能量进行更充分吸收和分散。

横向框架以前防撞梁为主，纵向通道以前纵梁为主通道，以上纵梁为辅助通道，并通过副车架安装板将副车架框架连接一起，在下部增加一个纵梁通道，提高碰撞试验过程中的稳定性。

为满足机舱框架结构的碰撞吸能目标，需合理定义框架结构的吸能空间。吸能空间的设计及校核，需要考虑车型的整备重量及碰撞工况。目标车型为中大型纯电SUV，整备质量高达2080KG;结合舱内附件布置及碰撞工况吸能需求（理论参考计算公式如下）。

①碰撞能量守恒公式：?MV?=FAVG ?

②平均压溃力与最大压溃力关系式：

FAVG ?=? FMax                              （1）

③力与加速度关系式：FMax=MaMax

吸能变形空间：?=V?/2 ?aMax

（V为测试速度;?为压溃率;aMax为乘员舱最大减速度，与乘员伤害值相关，35g-40g）

完成前碰吸能空间定义，实际目标车型的前碰轴向吸能空间为417mm（为a、b、c值之和），如下图3所示。

2 截面及材料设计

前纵梁作为机舱区域主要压溃吸能部件，由于内外侧轮胎包络及电机总成的限制，其Y向尺寸定位80mm;通过对标车的截面对比分析及周边附件的空间的安装需求，完成前纵梁主截面“日”字型的尺寸设计，如表1所示。

碰撞试验中，为保证机舱区域由前往后的稳定压溃吸能，轴向梁截面的设计需要保持由前到后，由弱到强;轴向主梁由前到后包括吸能盒、前纵梁、前纵梁后端，根据前纵梁的主截面尺寸，完成前后端部件截面及尺寸设计，如表2所示。

材料的选择定义，需要保证安装点性能需求的同时，保持碰撞试验过程中由前往后逐步压溃稳定变形吸能。

得益于纯电汽车机舱区域规整的布置空间，目标车型的机舱总成采用钢铝混合材料设计，主要框架结构部件均采用铝合金材料，有效提升碰撞吸能效果及实现车身轻量化设计。主框架的材料定义如图4所示，前防撞梁采用挤压铝合金GE7003-T7，吸能盒及前纵梁采用挤压铝合金GE6063- T6，前纵梁后端采用铸造铝合金SF36。

前防撞梁采用挤压铝合金GE7003-T7拥有较高的抗拉屈服强度及断裂延伸率，有效保证碰撞变形过程中的横向稳定性，采用T7获取较高的断裂延伸率，避免其过早断裂，导致变形机舱框架结构变形失稳。吸能盒及前纵梁均采用GE6063-T6，属于挤压铝合金里面压溃吸能较为稳定的材料，也是前纵梁采用材料。前纵梁后端采用铸造铝合金SF36，虽然铸造铝合金抗拉屈服强度较低，但是铸造结构可以通过复杂的加强筋型腔设计，提供足够高的部件刚度，保证变形的稳定。而副车架安装盒是此区域唯一采用的钢板结构部件，由于副车架安装点需要较高的动刚度及强度性能需求，由于钢板较铝板有着较高的弹性模量，结合成本和重量分析，此处采用常规钢板材料GC420LA。

3 性能分析

此区域主要涉及碰撞试验中的50km/h正碰及64km/h偏置碰试验，另外也需要考量重要附件安装点的性能需求，主要涉及到副车架的安装点性能要求。

目标车应对50km/h正碰及64km/h偏置碰工况的CAE分析结果如下图5所示。

在50km/h正碰工况时，舱内区域无明显变形，吸能盒正常溃缩，纵梁前段沿轴向均匀压溃，中后段变形较小，组合支架及电器系统与周边无明显挤压;左/右侧加速度分别为35.7g/40.4g，达到小于43的目标要求。在64km/h偏置碰工况时，舱内区域无明显变形，吸能盒正常溃缩，左纵梁前段稳定轴向压溃，后段出现折弯;左/右侧加速度分别为44.1g/ 34.5g，达到小于45g的目标要求。

副车架的安装点动刚度分析结果如表3所示，均达到目标要求。

4 结束语

本文基于某款纯电乘用车的机舱结构总成，阐述了一种钢铝混合材料的純电汽车机舱结构框架设计思路，并完成相关性能分析。结果表明：

（1）结合白车身机舱框架结构及底盘副车架结构设计，采用“品”字型的车身前端框架结构，其应对碰撞试验时有较为稳定的变形趋势。

（2）通过碰撞能量守恒公式及经验值，可以有效在开发前期定义及校核碰撞吸能空间需求。

（3）合理的材料定义对碰撞性能及安装点性能的保证有较大影响;目标车型采用有较高强度的挤压铝合金（GE 7003-T7）设计前防撞梁，压溃性能良好的普通强度挤压铝合金（GE 6063-T6）设计吸能盒及前纵梁，有效保证机舱框架在碰撞过程中的变形稳定性;而采用钢板结构的副车架安装盒，有效提供了副车架安装点的性能要求。

（4）此钢铝混合材料的机舱框架结构，相比常规钢制结构减重约30%;应对50km/h正碰及64km/h偏置碰试验，加

速度目标均达标。

参考文献

[1] 沈斌，任莎莎.铝合金汽车前纵梁的碰撞性能仿真研究[J].机电一体化.2012（7）：16-19.

[2] 陈吉清，黄信宏，周云郊，et al.钢铝混合汽车前纵梁的耐撞性优化方法比较[J].华南理工大学学报（自然科学版），2012（07）：94-98.

[3] 金泉军，陈伟，张然然，et al.汽车铝质防撞梁的轻量化设计及分析%Lightweight design and analysis of automobile aluminum alloy anti-collision beam[J].汽车实用技术，2018， 044（007）：151-156.