【特約研究員 冰封之城】上期周報著重關(guān)注并提出了整車電氣安全方面的布置建議,詳細參見:“研究周報|低速電動車安全布置鋰電池組 必須考慮的關(guān)鍵點有哪些?”本期則著眼于四輪低速電動車的碰撞安全問題,報告從常見的微型電動汽車的尺寸和布置特點出發(fā),對正面碰撞中車身重要部件變形問題進行詳細分析,尋找碰撞過程中車身結(jié)構(gòu)的薄弱點,針對碰撞測試中結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),有針對性地提出改進建議和措施,旨在為相關(guān)企業(yè)不斷增強車輛安全性的工作提供技術(shù)指導(dǎo)。
電動汽車正面碰撞試驗如下圖一所示。GB 11551-2003(乘用車正面碰撞的乘員保護)對壁障的尺寸和安置有明確的規(guī)定,要求寬度不小于3m,高度不小于1.5m,壁障前表面應(yīng)鉛垂,其法線應(yīng)與車輛直線行駛方向成0°夾角,如果有必要,須使用定位裝置將壁障固定在地面以限制其移動。
圖1正面碰撞試驗
一、 著眼于安全角度的車身結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分及設(shè)計要求
在車輛的碰撞過程中,整個車身結(jié)構(gòu)從安全角度可劃分為三個部分,即前撞吸能部分、乘員艙部分和后撞吸能部分。各部分的設(shè)計要求不盡相同,具體要求如下:
(1) 乘員艙部分必須盡可能的保持完整,以保證車內(nèi)乘員有足夠的生存空間;
(2) 碰撞吸能部分要盡可能多地吸收碰撞能量,以降低加速度和碰撞力至合理范圍內(nèi);
(3) 車身前部吸能構(gòu)件,在碰撞中產(chǎn)生變形應(yīng)逐級發(fā)生,并使其具有合理的失效模式和壓塌順序,如下圖2所示。
圖2車身前部結(jié)構(gòu)分級
二、車輛正面碰撞載荷的傳遞路徑設(shè)計與優(yōu)化
汽車前艙在正面碰撞時的主要承載路徑有以下三條,如下圖3所示:
a. 上前縱梁—A柱—車頂梁;
b. 前端吸能梁(盒)—縱梁—縱梁延伸梁;
c. 副車架—縱梁地板延伸—中央通道、門檻梁。
圖3正面碰撞的載荷傳遞路徑示意圖
常見的電動汽車動力系統(tǒng)及電池布置,會使得車輛整體重心位置相對燃油車偏下,如圖4所示:
圖4 電動汽車動力系統(tǒng)及電池布置
針對電動汽車的布置特點,提出的載荷路徑傳遞建議有以下兩點:
(1)載荷承載結(jié)構(gòu)布置下移:載荷傳遞路徑的設(shè)計思想是通過獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)對碰撞能量的良好吸收和分散,其主要依據(jù)是載荷傳遞路徑的加權(quán)高度與整車重心高度相當(dāng)。當(dāng)電動汽車因攜帶動力電池而使重心下移時,其承載結(jié)構(gòu)的布置也需要相應(yīng)地下移,如圖5所示:
圖5下移載荷路徑
(2)增加載荷傳遞路徑:不同于燃油車的機械傳遞,電動汽車采用柔性的電線傳遞能量,使得其空間布置具有一定的靈活性,這也為增加載荷路徑創(chuàng)造了有利條件。通過增加載荷傳遞路徑,可以使整個車身結(jié)構(gòu)參與到碰撞吸能中,有利于碰撞能量的迅速吸收和發(fā)散,提高承載效率。
三、前艙吸能結(jié)構(gòu)的變形與吸能分析及改善措施
在汽車發(fā)生正面碰撞時,車身前部結(jié)構(gòu)的變形形式和能量吸收情況對駕駛員所受的沖擊和變形影響很大。在不同的車型當(dāng)中,雖然主要吸能構(gòu)件的幾何形狀、所受約束等情況不盡相同,但普遍地利用薄壁梁作為主要吸能構(gòu)件,通過薄壁梁的塑性變形來耗散大量的碰撞能量。
如圖6的有限元仿真模型所示,在整個碰撞過程中,防撞梁、前圍和前底板發(fā)生了嚴重的變形,而兩側(cè)縱梁沒有發(fā)生明顯的塑性變形和位移。這說明有大部分碰撞產(chǎn)生的撞擊力經(jīng)縱梁傳遞到了前圍和前底板上。
圖6 前地板、前圍、防撞梁、前縱梁(左右)能量吸收曲線
A:底板;B:前圍;C:防撞梁;D:前縱梁(左);E:前縱梁(右)
從圖6中可以看出,前圍和前底板局部發(fā)生了明顯的塑性變形。而碰撞中,前圍板膝蓋部位的侵入量大,則有可能影響到乘客腿部的安全。
針對這兩處薄弱結(jié)構(gòu),提出以下優(yōu)化措施:
(1) 在前地板縱梁前段板及縱梁后端加上兩處誘導(dǎo)槽以期在碰撞時間內(nèi)發(fā)生變形吸收更多能量來降低整車的最大加速度??v梁的變形形式主要分為兩種情況:彎曲變形和壓潰變形。從能量吸收角度來看,壓潰變形要遠遠好于彎曲變形,它具有更高的能量吸收效率。在車身設(shè)計過程中,應(yīng)盡可能確保縱梁前部出現(xiàn)壓潰變形,如因縱梁的結(jié)構(gòu)形式無法全部壓潰,也要避免出現(xiàn)大的彎曲變形,以獲得較高的能量吸收效率。
(2) 針對前圍板侵入量過大的情況,可以從鈑金件的厚度與材料方面入手,以減小前圍板的侵入量。材料不變,增加前圍板的厚度;或者厚度不變,將前圍板材料更改為屈服強度與彈性模更大些的新材料。材料的屈服極限大,意味著該材料可以抵抗更大的應(yīng)力。
四、 電動汽車地板結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)化載荷傳遞的改進方式
當(dāng)動力電池安裝在地板下方時,為保證一定的離地間隙,電動汽車的坐椅橫梁區(qū)域與前地板在Z向上必須存在斷差,如圖7所示。這樣,地板從前到后就不是一個完整的部件,產(chǎn)生了一個剪切運動區(qū)域,不有利于碰撞載荷的傳遞。
圖7 電動汽車縱梁中心縱向切平面碰撞載荷分布
由電動汽車正面碰撞載荷傳遞方式可知,其中第2條路徑是經(jīng)中央通道加強梁傳遞到地板后端。然而,通過路徑2的碰撞載荷傳遞到座椅橫梁前端時,由于座椅橫梁區(qū)域與前地板形成的斷差,使得這兩部分載荷不能直接傳遞到地板后端。這就導(dǎo)致這部分碰撞載荷與車輛碰撞時產(chǎn)生的慣性載荷相互作用后在座椅橫梁前端產(chǎn)生剪切變形。
針對地板此處的薄弱結(jié)構(gòu),提出以下優(yōu)化建議:
(1)在中央通道(座椅橫梁)下方增添加強件,并且覆蓋住中央通道彎折位置,來減小其在碰撞過程中的變形程度。
(2) 為降低縱梁延長梁根部撞擊動力電池的風(fēng)險,同時進一步緩解中央通道的變形,需要對門檻加強梁與縱梁延長梁搭接件進行優(yōu)化。比如可以通過增加搭接件與地板的覆蓋面積,來增加其抗彎能力。
(3)全新開發(fā)地板結(jié)構(gòu),參考如下:
Smart ED電池箱結(jié)構(gòu)布置在地板座椅下方,地板結(jié)構(gòu)采用“工”字型結(jié)構(gòu)加強方式。如圖8所示:
圖8 Smart ED電池箱結(jié)構(gòu)布置及地板座椅
Nissan Leaf電池箱的布置及地板結(jié)構(gòu)形式為全新設(shè)計的平臺,電池包結(jié)構(gòu)由三根縱梁包圍進行結(jié)構(gòu)加強,前后設(shè)置有緩沖空隙,同時縱梁也增加了載荷的傳遞路徑,能更好的把載荷向后方傳遞。如圖9所示:
圖9 Nissan Leaf電池箱的布置及地板結(jié)構(gòu)
Volt鋰離子電池采用層壓式T型結(jié)構(gòu)布置在地板下方,并且有特殊的側(cè)面碰撞防護。如圖10 所示:
圖10 Volt電池箱的布置及地板結(jié)構(gòu)
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來源:第一電動網(wǎng)
作者:冰封之城
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