張霖 吳磊 韋文杰 李武泉

摘要：針對電動(dòng)汽車電機(jī)懸置及其框架結(jié)構(gòu)，從懸置的布置、框架的結(jié)構(gòu)、框架裝載的電器件等方面研究了懸置框架的設(shè)計(jì)方法;對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車碰撞分析，評估懸置框架的安全性能。為了實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，將懸置框架的材料改為鋁合金，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化;碰撞分析結(jié)果表明：鋁合金材料框架滿足碰撞要求，重量可減輕2.8kg。

關(guān)鍵詞：懸置框架;電動(dòng)汽車安全;鋁合金;輕量化

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0024-02

0? 引言

電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的尺寸邊界和重量比內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成要小。兩種汽車類型的懸置，在布置和結(jié)構(gòu)形式上，與燃油車存在明顯的差異。某SUV電動(dòng)車采用非全框式副車架，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)與前縱梁的空間間隙較大，無法將左、右懸置直接安裝在左右側(cè)前縱梁上。因此，需要設(shè)計(jì)懸置框架來裝載電機(jī)和電器設(shè)備。懸置框架作為關(guān)鍵的承載部件，在機(jī)艙中占據(jù)重要的位置，因此有必要對其安全性能進(jìn)行研究。

本文研究了電動(dòng)汽車懸置框架的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對懸置框架進(jìn)行建模，開展整車碰撞仿真分析評估安全性能，并對上掛式懸置框架結(jié)構(gòu)開展輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋁合金框架的性能。

1? 電機(jī)懸置框架的設(shè)計(jì)

1.1 懸置布置形式

電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成采用三點(diǎn)式懸置。圖1所示的是下托式和上掛式兩種懸置布置方式。下托式的懸置橫梁在電機(jī)前方，與前縱梁下端面通過螺栓連接。前方兩個(gè)懸置通過懸置支架安裝在懸置橫梁上;后懸置通過懸置支架安裝在副車架上方。下托式的三個(gè)懸置點(diǎn)都承受Z向力。由于懸置橫梁在實(shí)際道路工況中受力較大，因此對懸置橫梁的左右側(cè)安裝點(diǎn)的強(qiáng)度要求比較高。

上掛式將電機(jī)通過左、右懸置掛載到一個(gè)懸置框架上，懸置框架再安裝到前縱梁的上端面。上掛式的左、右側(cè)懸置主要起到承載作用;后懸置采用嵌入方式安裝在前副車架的上、下蓋板中間，起到Y(jié)向抗扭作用。由于上掛式通過懸置框架裝配在前縱梁上方，承載效果優(yōu)于下托式。

1.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上掛式懸置框架由兩根橫梁和5根小縱梁相互焊接構(gòu)成?？蚣軝M梁的厚度為2.0mm，材料為45#型鋼，框架整體重量為7kg。在橫梁上焊接有一排小套筒，電器件可通過安裝支架和套筒裝配在框架上方。

懸置框架前、后橫梁的跨度設(shè)計(jì)應(yīng)控制在300～350mm范圍內(nèi)。通常在縱梁后段需要設(shè)計(jì)碰撞折彎點(diǎn)。因此，懸置框架后橫梁的布置位置必須在折彎點(diǎn)之前，避免影響縱梁后段的正常變形模式。

1.3 電器和線束布置

懸置框架上裝載的電器件主要有：三合一控制器、蓄電池、PTC、冷凝器等。電器件的相對位置如圖2所示。懸置框架、電器件及線束對碰撞安全和熱防護(hù)有重要影響，在前期開發(fā)過程中應(yīng)重點(diǎn)校核其空間布置，確保足夠的安全間隙。

根據(jù)某SUV電動(dòng)車的安全性研究，可參考以下設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電器件的布置。

①電機(jī)、框架及電器件的前端與風(fēng)扇之間的最小間隙（X向）≥250mm。

②框架上電器件的整體質(zhì)量分配應(yīng)盡可能均勻，避免左右側(cè)重量差異過大。

③散熱量大的部件盡可能布置在前端迎風(fēng)位置;剛性和體積較大的部件，盡可能布置在框架的前端或右側(cè)，避免與電動(dòng)助力泵在相同的XZ平面上;電器部件之間的最小間隙≥15mm。

④線束之間走向應(yīng)整齊有序，避免相互交叉、纏繞;水路、高壓線束和蓄電池線束必須避免在碰撞擠壓區(qū)內(nèi)，防止碰撞過程出現(xiàn)起火現(xiàn)象。

2? 安全性能仿真分析

2.1 碰撞安全性能

電動(dòng)車的碰撞安全性能包括兩個(gè)方面：一是車身耐撞性，考察加速度波形、侵入量和變形模式;二是電安全，考察高壓線束、蓄電池、動(dòng)力電池等受擠壓后的短路起火風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)2021版C-NCAP評價(jià)規(guī)程的MPDB碰撞試驗(yàn)工況進(jìn)行CAE仿真分析，兩車以50%的重疊率和50km/h的速度相對運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞。

2.2 方案結(jié)果及討論

2.2.1 上掛式和下托式懸置方案

上掛式電機(jī)懸置框架結(jié)構(gòu)的碰撞性能有兩方面優(yōu)勢。一是增大了縱梁壓潰吸能空間，可以有效降低加速度峰值和改善碰撞波形;二是前縱梁和機(jī)艙的結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)往后移，有利于降低車輛對壁障的攻擊性，壁障相容性罰分得到明顯改善。高壓線束的擠壓變形結(jié)果如圖3所示。下托式方案的高壓線束被后懸置擠壓嚴(yán)重;上掛式方案的后懸置內(nèi)嵌入副車架中，可以避免擠壓電機(jī)后方的高壓線束，提升了電安全性。上掛式方案的副車架后連接點(diǎn)受力和變形相對小，可以避免副車架后端沖擊動(dòng)力電池。

2.2.2 框架橫梁跨度的影響

橫梁跨距420mm和300mm方案的縱梁壓潰效果如圖4所示?？缍?20方案的縱梁前段壓潰不夠充分。通過調(diào)整懸置框架橫梁的跨距，可以使前縱梁獲得更多的壓潰空間，從而減小縱梁上翹，同時(shí)縱梁變形壓潰更充分。

綜合以上結(jié)果可知，上掛式的框架方案和300mm的橫梁跨度方案是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

3? 輕量化設(shè)計(jì)

3.1 鋁合金框架設(shè)計(jì)

基于輕量化的考慮，將框架的材料由型鋼材料改成鋁合金材料。由于框架橫梁的截面尺寸小，并且中間鑲嵌的套管起到加強(qiáng)作用，因此橫梁采用簡單的口字型截面?？蚣艿牟牧鲜褂?系6082牌號，橫梁與小縱梁采用MIG縫焊連接。為了達(dá)到與型鋼材料等效的安全性能，需要進(jìn)行多輪迭代計(jì)算來優(yōu)化橫梁和小縱梁的厚度組合，以及對截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)整。

3.2 碰撞安全性

在鋁合金材料擠壓成形的實(shí)際應(yīng)用中，小截面橫梁的厚度常用范圍為2.0mm至3.5mm之間。因此，結(jié)合碰撞和強(qiáng)度方面的需求，設(shè)計(jì)了四組常用的厚度組合方案。通過MPDB工況的前圍板侵入量、CCB橫梁侵入量、B柱加速度等整車級結(jié)果，評價(jià)鋁合金框架的碰撞性能。厚度組合方案的分析結(jié)果如表1所示。

從分析結(jié)果來看，方案四（前、后橫梁厚度3.4mm，小縱梁厚度3.2mm）的侵入量和壁障罰分是最優(yōu)的組合。方案四的整車加速度為34.1g;發(fā)動(dòng)機(jī)艙變形如圖5所示，吸能盒正常潰縮;左前縱梁前段壓潰良好，后段在折彎點(diǎn)處折彎變形;框架上的電器件與周邊無明顯擠壓，蓄電池和線束無起火風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過優(yōu)化后的鋁合金框架整體重量為4.2kg，重量較鋼質(zhì)材料減輕了2.8kg。

4? 結(jié)論

本文研究了某SUV電動(dòng)汽車電機(jī)懸置框架的結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)，并通過CAE分析進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高安全性和實(shí)現(xiàn)輕量化。①上掛式的左右懸置和嵌入式后懸置的布置方式對MPDB的電安全性改善明顯;框架橫梁的跨度建議在300mm左右，減小跨度可增加縱梁的壓潰吸能空間，有利于縱梁壓潰變形。②鋁合金材料框架的MPDB碰撞性能優(yōu)于型鋼材料框架，并且鋁合金框架的整體重量減輕了2.8kg，輕量化效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]王德平，張?zhí)鞆?qiáng).電動(dòng)汽車安全性設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[2]《電動(dòng)汽車工程手冊》編委會(huì).第一卷，純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[3]胡敬豪.電動(dòng)汽車懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)研究[D].華南理工大學(xué)，2020.