程若愚，徐茂青，李 智，長(zhǎng)岡宏

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300462)

0 引 言

汽車托底是最常見的汽車誤用工況，對(duì)于傳統(tǒng)車而言，托底危害主要集中于油底殼變形、底盤部件變形、排氣管變形脫落等情況，并不會(huì)對(duì)車輛乘員造成傷害。因此，托底工況更多被應(yīng)用在氣囊傳感器標(biāo)定環(huán)節(jié)[1]。近年來出現(xiàn)多起因動(dòng)力電池托底引發(fā)的車輛起火案件[2]，對(duì)于電動(dòng)車而言，通過托底工況對(duì)電動(dòng)化部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估十分必要。目前行業(yè)內(nèi)通常利用托底試驗(yàn)和刮底試驗(yàn) 2種方式對(duì)動(dòng)力電池的托底性能防護(hù)進(jìn)行開發(fā)、驗(yàn)證[3-4]。但對(duì)于其他電氣化相關(guān)部件的托底性能驗(yàn)證方法而言，目前行業(yè)內(nèi)尚未得到統(tǒng)一。

當(dāng)散熱器因托底出現(xiàn)破損、漏液等情況時(shí)，極有可能導(dǎo)致動(dòng)力控制單元以及電機(jī)過熱，致使車輛動(dòng)力喪失。本文以某車型托底性能開發(fā)為例，對(duì)托底性能工況設(shè)定問題和改進(jìn)手段進(jìn)行了深入研究。

1 托底工況分析

1.1 托底工況調(diào)研結(jié)果整理

對(duì)某論壇用戶評(píng)論數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出圖 1的調(diào)查結(jié)果?？梢钥闯鰢?guó)內(nèi)托底工況主要發(fā)生在非鋪裝路、落石、路緣石、減速帶和鋪裝壞路等道路特征的路面[3]。

圖1 托底工況調(diào)查結(jié)果Fig.1 Investigation results of underbody damage

根據(jù)以往對(duì)車輛托底調(diào)查研究結(jié)果，對(duì)托底路面的道路特征和分布地區(qū)進(jìn)行總結(jié)，容易托底的道路具有以下特征。

1.1.1 非鋪裝路

非鋪裝路主要分布在農(nóng)村地區(qū)和城市內(nèi)的施工區(qū)域，如圖 2所示，非鋪裝壞路具有連續(xù)起伏且凹凸不平的道路特征，托底部位集中在乘員艙下地板區(qū)域。

圖2 非鋪裝壞路Fig.2 Unpaved bad road

1.1.2 落石

落石主要出現(xiàn)在山體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的山區(qū)地帶，駕駛員因視線盲區(qū)或車速過快等原因，車輛與落石碰撞，托底部位集中在前副車架區(qū)域。

1.1.3 路緣石

路緣石主要出現(xiàn)在城區(qū)，用于分割機(jī)動(dòng)車道和人行道。根據(jù)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.2款規(guī)定，路緣石的外露高度在100～150mm之間[5]，路邊駐車時(shí)車輛與路緣石發(fā)生干涉，托底部位集中在車輛前懸、后懸部位和車輛中部位置。

1.1.4 減速帶

減速帶是用于提示車輛減速的一種措施，城市和村屯內(nèi)的道路均有分布。大多數(shù)區(qū)域采用市場(chǎng)售賣的減速帶，其最大高度小于 70mm；但部分地區(qū)存在如圖 3所示的自制水泥減速帶，最大高度可達(dá)115mm，托底部位集中在車輛中部和后部。

圖3 減速帶Fig.3 Speed breaker

1.1.5 鋪裝壞路

鋪裝壞路主要分布在城郊結(jié)合地帶，道路因長(zhǎng)時(shí)間受重型貨車碾壓，易出現(xiàn)變形、破損等情況。如圖4所示，道路普遍具有凹坑、彈坑等外觀特征，托底部位主要集中在車輛前部和后部。

圖4 鋪裝壞路Fig.4 Paved bad road

1.2 托底工況設(shè)定

托底工況按照貼合實(shí)際使用環(huán)境的原則進(jìn)行設(shè)定。本次開發(fā)車輛用途為北京冬奧會(huì)選手?jǐn)[渡和后期機(jī)場(chǎng)示范運(yùn)營(yíng)，車輛使用范圍限定在城區(qū)、機(jī)場(chǎng)區(qū)域。在上述使用范圍內(nèi)，道路以鋪裝路為主，具有良好的道路條件。故本次開發(fā)排除非鋪裝路和落石相關(guān)托底工況，并將可能出現(xiàn)的路緣石和減速帶工況納入到考核范圍。

此外，從預(yù)防角度出發(fā)，應(yīng)適當(dāng)提高托底防護(hù)性能的安全量，并將城郊結(jié)合地帶易出現(xiàn)的彈坑、凹坑類型的鋪裝壞路工況納入到本次考核范圍。

2 通過性參數(shù)研討

通常情況下，散熱器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙前側(cè)，通過水箱框架實(shí)現(xiàn)固定以及托底防護(hù)。但針對(duì)如圖 5所示布置在車輛后懸處的散熱器布置方式，托底防護(hù)性能需要重新驗(yàn)證開發(fā)。

圖5 散熱器布置位置Fig.5 Layout position of radiator

考慮到車輛在總布置階段時(shí)各項(xiàng)性能參數(shù)、零部件布置尚處于研討狀態(tài)，無法利用工程樣車和 CAE手段進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。因此，本次總布置階段主要通過設(shè)定最小離地間隙、離去角，以實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)車輛托底性能的定義。

2.1 散熱器布置

對(duì)標(biāo)競(jìng)品車型如圖 6所示，2款競(jìng)品車型在L6000～6500mm范圍內(nèi)零部件的離地間隙均在241mm 以上。通過網(wǎng)絡(luò)檢索、用戶訪問等手段調(diào)查發(fā)現(xiàn)，競(jìng)品車在市場(chǎng)中并未出現(xiàn)托底相關(guān)案件，此時(shí)可以認(rèn)為當(dāng)散熱器布置在離地間隙 241mm以上的高度位置時(shí)能夠有效避免托底狀況的發(fā)生。

圖6 競(jìng)品車離地間隙對(duì)標(biāo)Fig.6 Ground clearance survey for competitive cars’benchmark

此外，考慮到散熱器布置在車輛后部還應(yīng)滿足車輛離去角設(shè)定要求，綜合離去角、離地間隙及布置空間、布置難度等因素，總布置階段散熱器的滿載離地間隙設(shè)定為254mm。

2.2 發(fā)生問題和改進(jìn)方向討論

按照擬定的工況進(jìn)行評(píng)價(jià)，在進(jìn)行如圖7所示的減速帶通過工況時(shí)，測(cè)試車輛散熱器發(fā)生托底情況。如圖 8所示，散熱器托底后，下側(cè)橫梁發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生對(duì)儲(chǔ)液罐的橫向拉力，導(dǎo)致儲(chǔ)液罐與散熱器本體發(fā)生分離，發(fā)生如圖9所示的冷卻液泄露的問題。由于冷卻液泄露可能導(dǎo)致車輛出現(xiàn)電機(jī)和動(dòng)力單元過熱，極端工況下還可能導(dǎo)致車輛動(dòng)力喪失，故會(huì)造成安全隱患。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)定義，散熱器需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖7 減速帶工況評(píng)價(jià)Fig.7 Test pattern of speed breaker

圖8 散熱器變形托底變形情況Fig.8 Deformation of radiator after underbody damage

圖9 散熱器冷卻液泄露Fig.9 Radiator coolant leakage

由本次散熱器失效模式可知，本次改進(jìn)方案應(yīng)當(dāng)從避免散熱器下側(cè)橫梁變形的方向著手。從提升散熱器下側(cè)橫梁的屈服強(qiáng)度和提高散熱器離地間隙避免托底工況兩種方向進(jìn)行方案可行性研討，如表1所示。綜合考量變更規(guī)模、設(shè)計(jì)難度、制造成本、用戶感知等因素，最終選定抬高散熱器離地間隙的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

表1 改進(jìn)方案一覽Tab.1 List of improvement schemes

2.3 必要離地間隙研討

開發(fā)過程中采用實(shí)車試驗(yàn)為主、CAE輔助的技術(shù)驗(yàn)證方式，研討散熱器的必要離地間隙。

2.3.1 原型車離地間隙試驗(yàn)

考慮到本次開發(fā)車輛 KC特性與原型車 KC特性基本一致，利用原型車進(jìn)行必要的離地間隙研討，對(duì)獲取散熱器必要離地間隙具有一定指導(dǎo)意義。

利用原型車試驗(yàn)，將軸荷調(diào)整至開發(fā)車輛的滿載設(shè)計(jì)值。在原型車相同位置安裝如圖 10所示的試驗(yàn)工裝模擬散熱器位置。同時(shí)，將油泥按照 100mm 的間距粘貼至試驗(yàn)工裝下表面，并利用油泥的變形特性測(cè)定在減速帶工況下散熱器必要的布置高度。

圖10 散熱器模擬試驗(yàn)工裝Fig.10 Radiator’s frock for simulated test

以不同車速行駛通過減速帶，并將各車速下的粘土殘余量轉(zhuǎn)化為必要的離地間隙。為了消除測(cè)量、駕駛等試驗(yàn)誤差，各車速分別進(jìn)行 3次試驗(yàn)，并取最大值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖 11所示，可以看出當(dāng)車速為10km/h時(shí)整車X方向坐標(biāo)6250mm處結(jié)果最為嚴(yán)苛，離地間隙需要調(diào)整至270mm以上。

圖11 散熱器離地間隙測(cè)試結(jié)果Fig.11 Result of radiator’s ground clearance test

2.3.2 CAE驗(yàn)證離地間隙可行性

由于實(shí)車檢驗(yàn)過程中忽視了簧下質(zhì)量對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化的影響，故利用 ADAMS搭建整車模型和虛擬評(píng)價(jià)路面對(duì)改進(jìn)后的散熱器離地間隙進(jìn)行分析。分別在改進(jìn)后的散熱器和路面處添加位移傳感器，通過兩者間相對(duì)位移比較來明確散熱器離地間隙的合理性[6]。同時(shí)，為了能夠明確仿真模型是否與實(shí)車結(jié)果評(píng)價(jià)的一致性趨勢(shì)，在上一階段同樣發(fā)生托底的溫調(diào)箱處同樣添加位移傳感器。

從仿真結(jié)果可以看出，圖12中溫調(diào)箱軌跡(藍(lán)色虛線)與減速帶(紅色實(shí)線)相對(duì)距離約-3mm，發(fā)生干涉，與圖 13中溫調(diào)箱下側(cè)支架劃傷的結(jié)果具有較高的一致性。圖 12中改進(jìn)后的散熱器(粉色虛線)與路面(紅色實(shí)線)最小相對(duì)距離約-1mm，推斷散熱器僅產(chǎn)生劃傷情況，滿足托底防護(hù)性能目標(biāo)。

圖12 溫調(diào)箱支架&散熱器運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果Fig.12 Simulation result of displacement for temperature controller box’s bracket and radiator

圖13 溫調(diào)箱支架實(shí)車評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.13 Test result of temperature controller box’s bracket

考慮到改進(jìn)后散熱器仍存在托底及石子卷入散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)子部引起風(fēng)扇損壞的風(fēng)險(xiǎn)，本次改進(jìn)方案在提高離地間隙的同時(shí)，追加樹脂護(hù)板對(duì)散熱器風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，護(hù)板結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 散熱器護(hù)板示意Fig.14 Diagram of undercover for radiator

2.4 改進(jìn)后的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的樣車再次進(jìn)行托底性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖 15所示，散熱器下側(cè)護(hù)板劃傷，散熱器本體并未出現(xiàn)變形、冷卻液泄露等問題，滿足開發(fā)目標(biāo)。

圖15 改進(jìn)后散熱器驗(yàn)證結(jié)果Fig.15 Evaluation result of improved radiator

3 結(jié) 論

針對(duì)布置于車輛后部的散熱器托底防護(hù)性能開發(fā)，提出了一種基于實(shí)際使用環(huán)境的開發(fā)思路。通過對(duì)工程問題的解析與改進(jìn)，初步驗(yàn)證了該思路的有效性。但在本次開發(fā)的整體流程中，仍有一些環(huán)節(jié)需要優(yōu)化。對(duì)于今后托底防護(hù)性能開發(fā)，將從優(yōu)化 CAE介入時(shí)機(jī)、擴(kuò)展 CAE仿真領(lǐng)域兩方面入手，以提高托底防護(hù)性能的開發(fā)效率。