廉玉波,衣本鋼,崔營營,田洪生,閆軍飛,程 晨
(比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院車身技術(shù)開發(fā)中心,深圳 518118)
當前乘用車車身普遍采用承載式車身設(shè)計,路面凹凸不平產(chǎn)生的隨機載荷使車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。若汽車扭轉(zhuǎn)剛度過低會導致整車舒適性和操穩(wěn)性變差。車身作為整車的一個子系統(tǒng),地面載荷會通過底盤傳遞到車身,再通過車身傳遞到駕乘人員,車身作為傳力路徑的一部分其扭轉(zhuǎn)剛度對整車的舒適和操穩(wěn)性具有重要作用,白車身扭轉(zhuǎn)剛度也是衡量車身輕量化系數(shù)的重要指標。因此,提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度對整車開發(fā)過程具有很重要的意義。
國內(nèi)外研究者基于車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升做了大量的研究分析,總的來說主要是從梁的布置、截面優(yōu)化、料厚規(guī)劃、接頭設(shè)計4 個方面提升扭轉(zhuǎn)剛度[4]。由于傳統(tǒng)框架的燃油或者純電、混動車型已經(jīng)具備了比較成熟的框架結(jié)構(gòu),且受各方面布置的限制,只能在現(xiàn)有的框架基礎(chǔ)上打補丁式的去加強,并不能起到很好的提升效果,而且需要增加比較多的質(zhì)量成本。因此,在兼顧成本與白車身扭轉(zhuǎn)剛度的前提下,需要選擇最優(yōu)的優(yōu)化對象和策略,找到最佳傳力路徑,把材料分布在最需要的地方。目標就是為了平衡車身質(zhì)量與力學性能的矛盾,以最小的質(zhì)量增加獲得最大程度的車身力學性能提升。
由于新一代的純電車身與傳統(tǒng)車身有較大的結(jié)構(gòu)框架差異,在設(shè)計初期可以重新定義車身框架結(jié)構(gòu),本文基于理論分析及拓撲優(yōu)化的方法找尋車身扭轉(zhuǎn)剛度的最佳傳力路徑,通過電池包與車身的集成設(shè)計,使得車身形成多個近似圓環(huán)狀的封閉結(jié)構(gòu)。這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)有效加強了扭轉(zhuǎn)剛度的傳力路徑,在車身沒有增加額外質(zhì)量的前提下,白車身扭轉(zhuǎn)剛度得到大幅度提升。
汽車在坑洼/起伏路面產(chǎn)生的隨機載荷使車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,白車身扭轉(zhuǎn)剛度是抵抗車身扭轉(zhuǎn)變形的能力。
汽車在扭轉(zhuǎn)變形時主要通過前后減振器將載荷傳遞到車身上的,因此定義白車身扭轉(zhuǎn)剛度如圖1所示,約束后減振器位置X、Y、Z方向平動自由度,放開X、Y、Z3 個方向轉(zhuǎn)動自由度,在前減振器位置施加4 000 N·m的力矩[1]時,白車身扭轉(zhuǎn)剛度表示為
圖1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度示意圖
式中:G為白車身扭轉(zhuǎn)剛度;θ為前減振器位置車身相對扭轉(zhuǎn)角。
1.2.1 整車操穩(wěn)性影響因素
影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有很多,白車身扭轉(zhuǎn)剛度更多表現(xiàn)在汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。來自路面的不同振動載荷直接作用在底盤系統(tǒng)上,然后再通過減振器從底盤傳遞到車身上。因此,如果想要達到比較好的操穩(wěn)效果,需要保證傳力路徑上各個系統(tǒng)有足夠的剛度。即簡化公式表述,整個系統(tǒng)的剛度可以用串聯(lián)剛度的方法計算:
式中:Gtoal為代表整個系統(tǒng)的剛度;G1、G2、G3…Gn代表載荷傳遞路徑上底盤系統(tǒng)、接附點剛度、白車身扭轉(zhuǎn)剛度等各個子系統(tǒng)的剛度。要想整車操穩(wěn)性好,就需要各個系統(tǒng)的剛度要高,通過式(2)可以看出白車身扭轉(zhuǎn)剛度是整個系統(tǒng)剛度的重要組成部分,因此提高車身扭轉(zhuǎn)剛度對于整車操穩(wěn)性能的提升具有非常重要的意義[11]。
1.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度對操穩(wěn)性的影響
車身連接前軸和后軸,車身扭轉(zhuǎn)剛度越大,側(cè)向力從車身前段傳至后段越快,后輪轉(zhuǎn)向越快,跟隨越快。如圖2 所示,扭轉(zhuǎn)剛度越大,側(cè)向力越快從前軸傳至后軸,側(cè)傾變化越快,側(cè)向力變化越快,瞬態(tài)橫擺角越小,甩尾越小,底盤更穩(wěn)。而且扭轉(zhuǎn)剛度越大變道越快,扭轉(zhuǎn)剛度越小變道越慢[12]。
圖2 緊急變道示意圖
通過簡化圓軸模型闡述扭轉(zhuǎn)剛度,如圖3 所示,圓軸受Me大小的轉(zhuǎn)矩,則內(nèi)力系對圓心的力矩等于外力轉(zhuǎn)矩Me,即
圖3 圓軸扭轉(zhuǎn)示意圖
式中:Me為圓軸受外力轉(zhuǎn)矩;dA為微單元面積;ρ為微單元到圓心的距離;τρ為微單元切應(yīng)力;G是剪切模量;IP為橫截面對圓心的極慣性矩;θ為圓軸受外轉(zhuǎn)矩后產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)角度;其中GIP是截面的抗扭剛度。
由式(3)和式(4)推出式(5),對于式(5)如果想要扭轉(zhuǎn)角度θ最小,就需要抗扭剛度GIP最大化;由式(4),在相同質(zhì)量情況下圓形截面的抗扭剛度最大化,須材料分布離扭轉(zhuǎn)軸越遠越好;因此車身提升扭轉(zhuǎn)剛度可通過增加A 柱環(huán)、C 柱環(huán)、車門環(huán)及高剛性電池包與門檻連接使A、C 環(huán)相連形成車身多重環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)來增強整車扭轉(zhuǎn)剛度[2],如圖4所示。
圖4 環(huán)狀路徑車身框架簡圖
如圖5 所示,車身在可設(shè)計區(qū)間填滿實體網(wǎng)格,電池包在可設(shè)計區(qū)域也填滿實體網(wǎng)格且與車身實體網(wǎng)格連接進行一體化后進行拓撲優(yōu)化。
圖5 拓撲優(yōu)化設(shè)計區(qū)間
模型約束:后減振器位置約束X、Y、Z3 個方向平動自由度,放開X、Y、Z3個方向轉(zhuǎn)動自由度。
模型載荷:在前減振器位置施加4 000 N·m 的力矩。
優(yōu)化響應(yīng):建立柔度com和體積分數(shù)vof兩個響應(yīng)分析。
響應(yīng)約束:體積分數(shù)vof設(shè)置為15%,即保留初始材料體積分數(shù)的15%進行拓撲優(yōu)化。
優(yōu)化目標:設(shè)置柔度com最小化,即在保證材料保留15%的情況下,優(yōu)化模型柔度最小化即扭轉(zhuǎn)剛度最大化[3]。
拓撲優(yōu)化結(jié)果:如圖6 所示,紅色部分是拓撲優(yōu)化的最佳傳力路徑,基于扭轉(zhuǎn)剛度工況材料主要分布在紅色路徑上。
圖6 拓撲優(yōu)化結(jié)果云圖
基于拓撲結(jié)果對下一代純電車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提出以下的建議:
(1)如圖7 所示,車身結(jié)構(gòu)需形成封閉的A 柱環(huán)、B柱環(huán)、C柱環(huán)、門環(huán)以及地板環(huán)狀結(jié)構(gòu);
圖7 車身關(guān)鍵環(huán)狀結(jié)構(gòu)
(2)如圖8所示,A柱環(huán)通過加強前輪罩結(jié)構(gòu),增加前艙穩(wěn)定桿來加強A 柱環(huán),C 柱環(huán)通過在后輪罩內(nèi)、外增加環(huán)狀梁結(jié)構(gòu)加強C柱環(huán)。
圖8 車身A環(huán)、C環(huán)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)
基于2.2 節(jié)中拓撲優(yōu)化結(jié)果,在現(xiàn)有車的基礎(chǔ)上進行一系列更改及仿真驗證。首先,研究寬電池包及窄電池包對扭轉(zhuǎn)剛度影響的驗證,寬包是在現(xiàn)有窄包車基礎(chǔ)上把電池包加大,左右兩側(cè)電池包邊框直接裝配在車門門檻梁上。電池包前部有6 個安裝點,后部4個安裝點,左右兩側(cè)各11個安裝點安裝在門檻上,前座椅后橫梁處再布置4 個安裝點。窄包就是傳統(tǒng)的安裝在前地板下的電池包安裝縱梁上,與門檻梁Y向有100 mm 以上的間距;其次,研究基于寬電池包安裝點位置對車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響。圖9所示為寬/窄電池包示意圖。
圖9 EV寬/窄電池包示意圖
從表1 可以看出,寬電池包車型的扭轉(zhuǎn)剛度普遍偏高,寬電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量約在1.0 萬N·m/(°)到1.2 萬N·m/(°),窄電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量約在3 000 N·m/(°)到6 000 N·m/(°)。寬電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度貢獻較大?;趯掚姵匕治鲭姵匕惭b點數(shù)量對于車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響,如表2 所示,后部安裝點對車身扭轉(zhuǎn)剛度影響最大,側(cè)邊安裝點次之,前安裝點影響較小,中間安裝點對扭轉(zhuǎn)剛度幾乎無影響。
表1 電池包對扭轉(zhuǎn)剛度的影響
表2 電池包安裝點對扭轉(zhuǎn)剛度的影響 N·m/(°)
傳統(tǒng)純電或混動車型采用的是CTP 方案(cell to pack)即非純平窄電池包,車身帶面板,面板下有電池包安裝縱梁,電池包安裝在縱梁上,如圖10所示。
圖10 CTP/CTB方案
基于第2 節(jié)分析,全新一代純電車型采用新的傳力路徑加強扭轉(zhuǎn)剛度,把高剛性電池包加大直接裝在門檻即CTB方案(cell to body)。
(1)對于CTB 電池包:如圖11 所示,采用高安全刀片電池,無模組結(jié)構(gòu),刀片電池上部與上蓋板粘接,下部與托盤面板粘接,兩側(cè)緊貼托盤邊框,托盤邊框相對CTP 托盤也進行了加高加強設(shè)計,因此形成了高剛性的電池包結(jié)構(gòu),經(jīng)仿真分析確認,電池包體扭轉(zhuǎn)剛度提升491%。
圖11 電池包安裝示意圖
(2)對于車身:如圖10 所示,取消了地板面板,電池包上蓋板復用為車身地板,取消電池包安裝縱梁,寬體電池包直接裝配在門檻梁上。
(3)電池包與車身集成連接方式:門檻單邊采用11 個M10 螺栓連接,前端6 個M10 螺栓連接,后端4個M10螺栓連接,座椅后橫梁4個M10螺栓連接。
根據(jù)第2 節(jié)分析及驗證,全新一代純電車身增強A 柱環(huán)、B 柱環(huán)、C 柱環(huán)、車門環(huán)的設(shè)計,并且高剛性電池包與門檻連接使A、C環(huán)連接形成車身X向環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu),如圖12 和圖13 所示,由此增強整車扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑。
圖12 刀片電池包將車身A、C柱環(huán)形成閉環(huán)
圖13 類蜂窩高剛性電池包與車身緊密融合
某量產(chǎn)純電車型A-A 采用CTB 方案且加強了車身A 柱環(huán)、C 柱環(huán),扭轉(zhuǎn)剛度達到40 500 N·m/(°),較CTP車型提升76%(圖14),超過中級豪華車,接近旗艦豪華車,車身輕量化系數(shù)低至1.75,達到行業(yè)同級車領(lǐng)先水平,如圖15 和圖16 所示(其中圖15 和圖16 引用的其他品牌數(shù)據(jù)均來自ECB 歐洲車身大會官方公布數(shù)據(jù))。純電車型A-A 車身輕量化系數(shù)計算如下:
圖14 傳統(tǒng)CTP車型扭轉(zhuǎn)剛度
圖15 扭轉(zhuǎn)剛度與車型售價
圖16 車型A-A(CTB)輕量化系數(shù)水平
式中:M是白車身質(zhì)量;Ct是車身扭轉(zhuǎn)剛度;A是車身投影面積。
如圖14 所示,傳統(tǒng)CTP 車型扭轉(zhuǎn)剛度在1.5 萬N·m/(°)到2.7 萬 N·m/(°)左右??梢娀谂まD(zhuǎn)剛度重新定義傳力路徑,使得材料分布在最佳傳力路徑上,可以達到車身力學性能大幅提升的目的,且剛性電池包與車身一體化連接優(yōu)化加強了扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑。
為了驗證CTB 高扭轉(zhuǎn)剛度車身的操穩(wěn)性能,對CTB 車型和傳統(tǒng)CTP 進行了橫擺角速度和橫擺共振頻率的實車測試。在車輛進行轉(zhuǎn)彎變道時首先是轉(zhuǎn)向盤輸入信號,前輪產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)向力,車輛進行橫擺運動,然后后輪產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)向力,最后車輛轉(zhuǎn)彎完成進入穩(wěn)定狀態(tài)[9-10]。如圖17 所示,車身在3-6 階段產(chǎn)生側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形,而且車身剛度越大,產(chǎn)生的側(cè)向變形和車身扭轉(zhuǎn)角越小。通過圖18 可以看出,CTB 車型的橫擺響應(yīng)的超調(diào)量比CTP車型降低39%,橫擺超調(diào)量越低車輛越快達到穩(wěn)定狀態(tài),且車輛的甩尾越?。籆TB 車型的橫擺共振頻率較CTP 車型提升6%,橫擺共振頻率越高車輛穩(wěn)定性越高,因此,CTB 高剛度車身提升了整車的動態(tài)性能,使車輛在轉(zhuǎn)彎變道時更快達到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖17 車輛轉(zhuǎn)彎過程示意圖
圖18 橫擺角速度和共振頻率對比
為了進一步驗證,車身扭轉(zhuǎn)剛度越大,彎道時后軸跟隨響應(yīng)越快,甩尾越小,操控性越好,用車型BB(CTP 方案)進行改車,通過車身加強,使原來只有27 000 N·m/(°)的扭轉(zhuǎn)剛度達到40 500 N·m/(°)。用模擬高速變道超車的單移線工況測試不同扭轉(zhuǎn)剛度對應(yīng)的極限車速,在這個工況下,后軸跟隨越快,甩尾越小,越容易通過。車型B-B(CTP 方案)原車扭轉(zhuǎn)剛度較小,車速105 km/h 時甩尾大,后輪碰樁,無法通過,如圖19 所示;而車型B-B 加強(CTP 方案)扭轉(zhuǎn)剛度后,車速110 km/h 時還能穩(wěn)定通過,如圖20 所示;車型A-A(CTB 方案)車速還能進一步提升到117 km/h,且穩(wěn)定通過,如圖21 所示。從圖20和圖21 可以看到車型B-B 加強和車型A-A 的甩尾更小,整體穩(wěn)定性更好。
圖19 車型B-B(CTP)變道
圖20 車型B-B加強(CTP)變道
圖21 車型A-A(CTB)變道
試驗結(jié)果(表3)表明,扭轉(zhuǎn)剛度對整車操穩(wěn)性影響較大,且扭轉(zhuǎn)剛度越大,整車操穩(wěn)性越好。所以電池與車身集成設(shè)計后大大提升了車身扭轉(zhuǎn)剛度,也使整車操穩(wěn)性能大幅提升。
表3 彎道超車試驗對比
(1)由于新一代的純電車身與傳統(tǒng)車身有較大的結(jié)構(gòu)框架差異,因此在設(shè)計初期,基于扭轉(zhuǎn)剛度從新定義傳力路徑,使得材料分布在最佳傳力路徑,達到車身力學性能大幅提升;
(2)CTB 的EV 寬電池包提高扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量在1.0 萬N·m/(°)至1.2 萬N·m/(°),CTP 的EV 窄包對扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量在3 000 N·m/(°)至6 000 N·m/(°),電池包對CTB 的EV 車型扭轉(zhuǎn)剛度影響最大,窄包車型次之,電池包后安裝點對剛度影響最大,側(cè)邊安裝點次之,前安裝點影響較小,中間安裝點對剛度沒影響;
(3)電池包與車身的集成設(shè)計,使得車身形成多個近似圓環(huán)狀的封閉結(jié)構(gòu),這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)有效加強了扭轉(zhuǎn)剛度的傳力路徑,在車身沒有增加額外質(zhì)量的前提下,白車身扭轉(zhuǎn)剛度可達到40 000N·m/(°)的水平,使得車身輕量化系數(shù)達到1.75,處于同級車型領(lǐng)先水平;
(4)扭轉(zhuǎn)剛度對整車操穩(wěn)性影響較大,車身扭轉(zhuǎn)剛度越大,彎道時后軸跟隨響應(yīng)越快,甩尾越小,整車操穩(wěn)性越好。