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东风商用车 | 某商用车底盘后背动力电池框与车架连接方式分析

2021-12-17 21:02:25·  来源：电动学堂  作者：潘学玉  
　
文章来源：东风商用车有限公司技术中心前言随着我国节能减排要求的不断提高，新能源汽车的发展被国家列为战略新兴产业之一，纯电动车型开发获得了快速发展。然而
文章来源：东风商用车有限公司技术中心
前言
随着我国节能减排要求的不断提高，新能源汽车的发展被国家列为战略新兴产业之一，纯电动车型开发获得了快速发展。然而，随着前期市场暴露出的动力电池安全性问题，各主机厂都把纯电动车型动力电池安全防护放在重中之重的位置。
由于离地高，防水、防尘效果好，动力电池置于车架之上、驾驶室之后的布置方式受到越来越多设计者的青睐。
针对动力电池自重大、防振性能要求高，某新能源车型在开发初期采用4点连接提高动力电池框与车架单侧连接的可靠性。通过分析这4点连接的紧固方式，找出了结构中存在的约束干涉问题、前上、下支架接触面贴合设计不当问题及其动力电池框在车辆Y方向存在间隙难以打紧问题。针对上述原因，结合车型开发中的装配工艺流程，采用取消中间连接点，同时取消前上、下支架接触面贴合的方案，经过仿真分析、实车验证可以提高该处连接可靠性。
1问题描述
某车型为4X2中型环卫纯电动车型，开发初期动力电池框和车架连接方式如图1所示，1-前上支架，2-前下支架，3-车架，4-前立板，5-U形螺栓，6-动力电池框支架，7-后立板，8-动力电池框动力电池框8的底座和车架3的上翼面贴合，车辆单侧二者存在4点紧固连接。前上支架1固定在动力电池框8的底板上，前下支架2和车架3的腹面连接。前上支架1和前下支架2通过螺栓连接。前立板4、后立板7的上端均通过螺栓和动力电池框8的底板连接，它们的下端均与车架3的腹面连接。动力电池框8的后端有焊接支架6，倒穿的U形螺栓把车架3的纵梁和动力电池框8的后端紧固在一起。
为了确保新能源车型动力电池的安全，在新车走合试验中，试验人员把3辆新能源车型的动力电池框和车架连接处的紧固螺栓力矩纳入重点管控，每200km复紧检测一次，结果发现以上4点连接处的螺栓松脱、拧紧力矩衰减问题突出，直接影响电池框连接可靠性。
2原因分析
2.1结构上存在约束干涉
如图1所示，动力电池框8和车架3单侧有4处约束，分析如下：

（1）前立板4、后立板7上半部分通过螺栓和电池框8的底座相连，其下半部分通过螺栓和车架3相连。螺栓在整车的Y方向打紧后，在Z方向，电池框8的底座和车架3之间不能相对运动。
（2）欲使U型螺栓、前上支架1和下支架2的连接螺栓连接产生轴向夹紧力，则需要车架3和电池框8的底座在Z方向能够相对移动，解除约束。
因此，前立板4、后立板7两点的约束和两端的约束互相干涉，直接影响连接可靠性。取消部分约束，减少零部件数量，消除干涉，实现降低重量、降低成本本，并且提高了连接质量。
2.2前端支架贴合设计不当
前端上支架1和下支架2贴合，通过螺栓打紧。由于实际存在的加工误差，当动力电池框8的底座和车架3的上翼面贴合时，很难保证前端上支架1和下支架2同步贴合。如果支架1和支架2提前贴合，动力电池框8的底座和车架3上翼面就会有间隙，则动力电池和电池框前端的重量就会通过支架1和支架2之间的贴合面传递，容易造成前上、下支架承载损坏。并且，由于缝隙的存在，造成U形螺栓打紧力矩为虚，容易松动。
2.3没有考虑装配工艺
如图2所示，在生产线上，前下支架2、前立板4和后立板7与车架3先装配好，然后车架3翻转正立后再装动力电池框8。为了使动力电池框8落装车架3上翼面时方便，立板4、立板7与动力电池框8的外表面在Y方向必然存在间隙。间隙致使立板4、立板7与动力电池框8在Y方向的紧固螺栓难以打紧。
3解决方案
（1）取消前上、下支架接触面贴合，加大前上、下支架之间的距离，使动力电池框8的底座和车架3的上翼面始终贴合，保证动力电池及电池框的重量主要由车架上翼面承担。
（2）取消前立板4及紧固螺栓、同时取消将后立板7与动力电池框8相连的螺栓，解除电池框8的底座和车架3在Z方向移动的约束，使前上、下支架之间的紧固螺和U形螺栓的拧紧力矩最大程度的转化为Z方向（轴向）的夹紧力，使动力电池框8和车架3更容易打紧。
4方案验证
4.1仿真分析验证
4.1.1仿真分析载荷与边界条件
（1）仿真模型尽量模拟实车，计算时对模型总成施加Z向3g，X向0.8g，Y向0.5g加速度冲击。
（2）重量与U形螺栓拧紧力矩：动力电池重2.1t，电池框620kg，U型螺栓拧紧450Nm~550Nm。
4.1.2强度分析结果
对三种连接方案分别进行仿真计算，分析对象应力分布只是数值不同，分布部位相同，三种连接方案强度分析的应力值统计见表1，应力分布如图3、图4、图5、图6、图7。
前上支架、前下支架、立板、动力电池框底板支架的材料均为DL510，表中最大应力值均在安全范围之内；U形螺栓极限为785Mpa，应力值也在安全范围之内。连接方式3取消了前立板4及其紧固螺栓、取消后立板7与动力电池框8之间的连接螺栓，与连接方式1相比，各关注部位的应力均有一定程度的减低。
4.2实车验证
根据理论分析，结合CAE仿真计算结果，对连接方式1（原结构）进行了改进设计，采用连接方案3，即在原来4点连接的基础上取消前立板4，取消后立板7与动力电池框8底座之间的4颗连接螺栓。为了实车验证改进方案的有效性，在车辆满载23t状态下，在国道进行走合试验时，每隔200km对管控螺栓的拧紧力矩检测一次，同一部位连续测量3次。中间如有松动，及时复紧后继续试验。

纳入力矩管控的螺栓如图8所示。实车验证结果和理论分析、CAE仿真结果一致。改进前、后螺栓拧紧统计数据如表2所示。
5结果分析与建议
在取消前上、下支架贴合设计，使车架上翼面和电池框底座始终保持接触承载的基础上，对动力电池框与车架三种连接方式进行理论分析、仿真计算和实车验证，得到如下结论：
1、当去掉前立板4及其紧固螺栓、后立板7与动力电池框8之间的连接螺栓后，连接方式3前上、下支架及其U形螺栓处的应力值较连接方式1的应力值还略有降低，说明前立板4和后立板7与动力电池框的连接属于过约束，使此结构中存在干涉问题，降低了连接可靠性。
2、比较实车改进前后关注部位管控螺栓拧紧力矩保持情况，发现改进方案连接方式3的前上、下支架紧固螺栓拧紧力矩、U形螺栓拧紧力矩均在控制目标范围之内，力矩保持能力较结构改进前有较大改善。
综上，取消前上、下支架贴合设计，同时取消前立板4及紧固螺栓、取消后立板7与电池框8底座之间的连接螺栓，解除动力电池框与车架在整车Z方向的约束，有利于前上、下支架连接螺栓和U形螺栓打紧，提高动力电池框和车架连接强度，进而提高动力电池的安全性。并且，取消前立板4及其紧固螺栓，取消后立板7的紧固螺栓，减少了零部件数量、重量和成本。
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