某中大型纯电SUV钢铝混合车身机舱框架结构设计

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广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院

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本文基于某款纯电乘用车的机舱结构总成，阐述了一种钢铝混合材料的纯电汽车机舱结构框架设计思路，并完成相关性能分析。

1. 框架结构设计

在汽车白车身结构里面，车身机舱是应对碰撞性能的重要区域，在50km/h 正碰及 64km/h 偏置碰试验中，其作为主要直接接触区域需要通过变形吸收大部分碰撞能量。考虑目标车型为纯电汽车，机舱区域的框架结构设计空间需要考虑避让电机总成、左右轮胎包络及前端模块总成。

图-前纵梁框架初步结构

结合上纵梁及副车架框架设计，采用“品”字形机舱框架结构，形成三个封闭连接，横梁纵梁相互呼应、结构紧凑，提高了机舱刚度、模态与机舱稳定性；如图所示，优化传力路径，将能量进行更充分吸收和分散。

图-机舱框架结构

横向框架以前防撞梁为主，纵向通道以前纵梁为主通道，以上纵梁为辅助通道，并通过副车架安装板将副车架框架连接一起，在下部增加一个纵梁通道，提高碰撞试验过程中的稳定性。

为满足机舱框架结构的碰撞吸能目标，需合理定义框架结构的吸能空间。吸能空间的设计及校核，需要考虑车型的整备重量及碰撞工况。

目标车型为中大型纯电SUV，整备质量高达 2080KG；结合舱内附件布置及碰撞工况吸能需求（理论参考计算公式如下）。

①碰撞能量守恒公式：½MV²=FAVG ∆

②平均压溃力与最大压溃力关系式：FAVG ∆= FMax Ƞ（1）

③力与加速度关系式：FMax=MaMax

吸能变形空间：∆=V²/2 aMax Ƞ 

（V 为测试速度；Ƞ为压溃率；aMax 为乘员舱最大减速度，与乘员伤害值相关，35g-40g）

完成前碰吸能空间定义，实际目标车型的前碰轴向吸能空间为 417mm（为 a、b、c 值之和）。

图-吸能空间定义

2. 截面及材料设计 

前纵梁作为机舱区域主要压溃吸能部件，由于内外侧轮胎包络及电机总成的限制，其 Y 向尺寸定位80mm；通过对标车的截面对比分析及周边附件的空间的安装需求，完成前纵梁主截面“日”字型的尺寸设计。

表：前纵梁截面对标分析

碰撞试验中，为保证机舱区域由前往后的稳定压溃吸能，轴向梁截面的设计需要保持由前到后，由弱到强；轴向主梁由前到后包括吸能盒、前纵梁、前纵梁后端，根据前纵梁的主截面尺寸，完成前后端部件截面及尺寸设计。

表：轴向主梁部件截面尺寸

材料的选择定义，需要保证安装点性能需求的同时，保持碰撞试验过程中由前往后逐步压溃稳定变形吸能。

得益于纯电汽车机舱区域规整的布置空间，目标车型的机舱总成采用钢铝混合材料设计，主要框架结构部件均采用铝合金材料，有效提升碰撞吸能效果及实现车身轻量化设计。

3. 主框架的材料定义

前防撞梁采用挤压铝合金 GE7003-T7，吸能盒及前纵梁采用挤压铝合金 GE6063- T6，前纵梁后端采用铸造铝合金 SF36。

前防撞梁采用挤压铝合金GE7003-T7拥有较高的抗拉屈服强度及断裂延伸率，有效保证碰撞变形过程中的横向稳定性，采用T7获取较高的断裂延伸率，避免其过早断裂，导致变形机舱框架结构变形失稳。

吸能盒及前纵梁均采用GE6063-T6，属于挤压铝合金里面压溃吸能较为稳定的材料，也是前纵梁采用材料。前纵梁后端采用铸造铝合金SF36，虽然铸造铝合金抗拉屈服强度较低，但是铸造结构可以通过复杂的加强筋型腔设计，提供足够高的部件刚度，保证变形的稳定。

而副车架安装盒是此区域唯一采用的钢板结构部件，由于副车架安装点需要较高的动刚度及强度性能需求，由于钢板较铝板有着较高的弹性模量，结合成本和重量分析，此处采用常规钢板材料 GC420LA。

4. 性能分析 

此区域主要涉及碰撞试验中的 50km/h 正碰及 64km/h 偏置碰试验，另外也需要考量重要附件安装点的性能需求，主要涉及到副车架的安装点性能要求。

目标车应对 50km/h正碰及64km/h偏置碰工况的CAE分析结果如下。

50km/h 正碰及 64km/h 偏置碰 CAE 分析结果图

在 50km/h 正碰工况时，舱内区域无明显变形，吸能盒正常溃缩，纵梁前段沿轴向均匀压溃，中后段变形较小，组合支架及电器系统与周边无明显挤压；左/右侧加速度分别为35.7g/40.4g，达到小于 43 的目标要求。在 64km/h 偏置碰工况时，舱内区域无明显变形，吸能盒正常溃缩，左纵梁前段稳定轴向压溃，后段出现折弯；左/右侧加速度分别为 44.1g/ 34.5g，达到小于 45g 的目标要求。

副车架的安装点动刚度分析结果如下，均达到目标要求。

副车架的安装点动刚度分析结果

（本文完）

END