电动汽车电机悬置框架的安全性能和轻量化研究

摘要：针对电动汽车电机悬置及其框架结构，从悬置的布置、框架的结构、框架装载的电器件等方面研究了悬置框架的设计方法；对框架结构进行整车碰撞分析，评估悬置框架的安全性能。为了实现轻量化的目的，将悬置框架的材料改为铝合金，并对结构进行优化；碰撞分析结果表明：铝合金材料框架满足碰撞要求，重量可减轻 2.8kg。

关键词：悬置框架；电动汽车安全；铝合金；轻量化

0 引言电动汽车电驱动系统的尺寸边界和重量比内燃机动力总成要小。两种汽车类型的悬置，在布置和结构形式上，与燃油车存在明显的差异。某 SUV 电动车采用非全框式副车架，其驱动电机与前纵梁的空间间隙较大，无法将左、右悬置直接安装在左右侧前纵梁上。因此，需要设计悬置框架来装载电机和电器设备。悬置框架作为关键的承载部件，在机舱中占据重要的位置，因此有必要对其安全性能进行研究。本文研究了电动汽车悬置框架的布置和结构设计方法，对悬置框架进行建模，开展整车碰撞仿真分析评估安全性能，并对上挂式悬置框架结构开展轻量化设计，优化铝合金框架的性能。

1 电机悬置框架的设计1.1 悬置布置形式

电动汽车电驱动系统总成采用三点式悬置。图 1 所示的是下托式和上挂式两种悬置布置方式。下托式的悬置横梁在电机前方，与前纵梁下端面通过螺栓连接。前方两个悬置通过悬置支架安装在悬置横梁上；后悬置通过悬置支架安装在副车架上方。下托式的三个悬置点都承受 Z 向力。由于悬置横梁在实际道路工况中受力较大，因此对悬置横梁的左右侧安装点的强度要求比较高。上挂式将电机通过左、右悬置挂载到一个悬置框架上，悬置框架再安装到前纵梁的上端面。上挂式的左、右侧悬置主要起到承载作用；后悬置采用嵌入方式安装在前副车架的上、下盖板中间，起到 Y 向抗扭作用。由于上挂式通过悬置框架装配在前纵梁上方，承载效果优于下托式。

1.2 框架结构设计

上挂式悬置框架由两根横梁和 5 根小纵梁相互焊接构成。框架横梁的厚度为 2.0mm，材料为 45# 型钢，框架整体重量为 7kg。在横梁上焊接有一排小套筒，电器件可通过安装支架和套筒装配在框架上方。悬置框架前、后横梁的跨度设计应控制在 300 ~350mm 范围内。通常在纵梁后段需要设计碰撞折弯点。因此，悬置框架后横梁的布置位置必须在折弯点之前，避免影响纵梁后段的正常变形模式。

1.3 电器和线束布置

悬置框架上装载的电器件主要有：三合一控制器、蓄电池、PTC、冷凝器等。电器件的相对位置如图 2 所示。悬置框架、电器件及线束对碰撞安全和热防护有重要影响，在前期开发过程中应重点校核其空间布置，确保足够的安全间隙。

根据某 SUV 电动车的安全性研究，可参考以下设计方法进行电器件的布置。①电机、框架及电器件的前端与风扇之间的最小间隙（X 向）≥250mm。②框架上电器件的整体质量分配应尽可能均匀，避免左右侧重量差异过大。③散热量大的部件尽可能布置在前端迎风位置；刚性和体积较大的部件，尽可能布置在框架的前端或右侧，避免与电动助力泵在相同的 XZ 平面上；电器部件之间的最小间隙≥15mm。④线束之间走向应整齐有序，避免相互交叉、缠绕；水路、高压线束和蓄电池线束必须避免在碰撞挤压区内，防止碰撞过程出现起火现象。

2 安全性能仿真分析

2.1 碰撞安全性能

电动车的碰撞安全性能包括两个方面：一是车身耐撞性，考察加速度波形、侵入量和变形模式；二是电安全，考察高压线束、蓄电池、动力电池等受挤压后的短路起火风险。根据 2021 版 C-NCAP 评价规程的 MPDB 碰撞试验工况进行 CAE 仿真分析，两车以 50%的重叠率和 50km/h的速度相对运动并发生碰撞。

2.2 方案结果及讨论

2.2.1 上挂式和下托式悬置方案上挂式电机悬置框架结构的碰撞性能有两方面优势。一是增大了纵梁压溃吸能空间，可以有效降低加速度峰值和改善碰撞波形；二是前纵梁和机舱的结构硬点往后移，有利于降低车辆对壁障的攻击性，壁障相容性罚分得到明显改善。高压线束的挤压变形结果如图 3 所示。下托式方案的高压线束被后悬置挤压严重；上挂式方案的后悬置内嵌入副车架中，可以避免挤压电机后方的高压线束，提升了电安全性。上挂式方案的副车架后连接点受力和变形相对小，可以避免副车架后端冲击动力电池。

2.2.2 框架横梁跨度的影响横梁跨距 420mm 和 300mm 方案的纵梁压溃效果如图 4 所示。跨度 420 方案的纵梁前段压溃不够充分。通过调整悬置框架横梁的跨距，可以使前纵梁获得更多的压溃空间，从而减小纵梁上翘，同时纵梁变形压溃更充分。综合以上结果可知，上挂式的框架方案和 300mm 的横梁跨度方案是较优的设计。

3 轻量化设计

3.1 铝合金框架设计

基于轻量化的考虑，将框架的材料由型钢材料改成铝合金材料。由于框架横梁的截面尺寸小，并且中间镶嵌的套管起到加强作用，因此横梁采用简单的口字型截面。框架的材料使用 6 系 6082 牌号，横梁与小纵梁采用 MIG 缝焊连接。为了达到与型钢材料等效的安全性能，需要进行多轮迭代计算来优化横梁和小纵梁的厚度组合，以及对截面结构进行微调整。

3.2 碰撞安全性

在铝合金材料挤压成形的实际应用中，小截面横梁的厚度常用范围为 2.0mm 至 3.5mm 之间。因此，结合碰撞和强度方面的需求，设计了四组常用的厚度组合方案。通过MPDB 工况的前围板侵入量、CCB 横梁侵入量、B 柱加速度等整车级结果，评价铝合金框架的碰撞性能。厚度组合方案的分析结果如表 1 所示。从分析结果来看，方案四（前、后横梁厚度 3.4mm，小纵梁厚度 3.2mm）的侵入量和壁障罚分是最优的组合。方案四的整车加速度为 34.1g；发动机舱变形如图 5 所示，吸能盒正常溃缩；左前纵梁前段压溃良好，后段在折弯点处折弯变形；框架上的电器件与周边无明显挤压，蓄电池和线束无起火风险。经过优化后的铝合金框架整体重量为4.2kg，重量较钢质材料减轻了 2.8kg。

4 结论

本文研究了某 SUV电动汽车电机悬置框架的结构和布置设计，并通过 CAE 分析进行设计优化，提高安全性和实现轻量化。①上挂式的左右悬置和嵌入式后悬 置 的 布 置 方 式 对MPDB 的电安全性改善明显；框架横梁的跨度建议在 300mm 左右，减小跨度可增加纵梁的压溃吸能空间，有利于纵梁压溃变形。②铝合金材料框架的MPDB 碰撞性能优于型钢材料框架，并且铝合金框架的整体重量减轻了 2.8kg，轻量化效果显著。作者：张霖①；吴磊②；韦文杰①；李武泉①作者单位：（①东风柳州汽车有限公司，柳州 545000；②柳州铁道职业技术学院，柳州 545000）

来源：内燃机与配件