【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)

編者按：為凝聚新能源汽車行業(yè)的研究力量，發(fā)揮協(xié)作效應(yīng)，第一電動網(wǎng)建立特約研究員機制，邀請行業(yè)知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術(shù)、市場等領(lǐng)域，并定期推出【研究周報】，解析行業(yè)熱點問題。

站在規(guī)范出臺的歷史轉(zhuǎn)折點上，企業(yè)的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)創(chuàng)新應(yīng)該朝向何方？哪些企業(yè)有了成熟的思考和前期探索？為了明晰這些行業(yè)關(guān)注的熱點問題，第一電動網(wǎng)將在3月3日于濟南舉辦“泰山論劍——2017中國低速電動車大會”，以“低速電動車技術(shù)創(chuàng)新方向和實踐”為主題，與低速電動車行業(yè)和關(guān)切這一行業(yè)的人士一道，探尋發(fā)展良策，共享真知灼見。【點擊報名】

返回第一電動網(wǎng)首頁 >