基于布置优化的汽车蓄电池支架轻量化设计

李国林 孙风蔚 吴成明 冯擎峰

（吉利汽车研究院）

目前，关于蓄电池支架的设计，通常采用增加板厚，使用高强度钢及更改结构等[1-2]方法来提高其强度和刚度。但是随着汽车轻量化的要求提高，还要考虑如何减轻该零部件的质量。轻量化设计方案，主要有3个方面[3-5]：1）零部件的材料；2）零部件的结构设计；3）零部件的制造工艺。虽然使用高强度钢、利用复杂的零部件结构及采用先进制造工艺，可以减轻零部件质量，但是同时也增加了零部件的设计开发成本。针对该问题，文章考虑零部件设计的初始输入条件，为零部件的轻量化设计提供了一个新的设计方向，即通过更改蓄电池支架的初始布置输入，来进行蓄电池支架的轻量化设计。

1 蓄电池支架设计流程

1.1 总布置输入

蓄电池支架的设计，通常都是根据提供的蓄电池布置方案进行结构设计，以满足其承载蓄电池的作用。通常蓄电池的布置都是在发动机舱纵梁上，有纵向布置和横向布置2种布置方案，如图1所示。蓄电池通过蓄电池支架固定在纵梁上，与纵梁支架呈悬臂式结构，因此蓄电池支架强度设计，需要通过更改材料、增加加强板或者增加板厚来提高，用以满足其使用要求。

1.2 蓄电池支架设计

根据布置提供的蓄电池位置输入，进行蓄电池支架的结构设计。以某款蓄电池横向布置的车型为例，进行蓄电池支架结构设计，蓄电池布置形式，如图2所示。蓄电池支架呈悬臂梁式固定在纵梁上，同时悬空在左悬置上方。考虑蓄电池支架的强度和刚度要求，需要在纵梁上侧的减振器主板上增加2个固定点，进行结构加强。根据该布置输入条件，进行蓄电池支架结构设计，支架结构示意图，如图3所示。支架1主要是用于蓄电池支架与减振器主板的固定，以提高蓄电池支架的动刚度。

2 轻量化设计

根据上述蓄电池支架的设计流程，可以看出布置输入对蓄电池支架的结构设计有重要的影响，因此考虑蓄电池支架的轻量化设计，必须从初始的蓄电池布置上进行分析。

2.1 布置输入

以上述横向布置蓄电池支架设计为例，从图2c中可以看出，目前蓄电池的布置还存在以下2种可调整的空间：1）如果蓄电池沿-Y方向进行移动，蓄电池质心移向纵梁，悬空在纵梁外的蓄电池部分减少，那么蓄电池支架的结构设计可以简化，Y向尺寸也可以相对减少；同时，因为蓄电池质量主要由纵梁承载，因此图3所示的支架1也可以取消，这样蓄电池支架的质量就会明显减少；2）从图2中还可以看出，蓄电池悬空在左悬置上方，而左悬置固定在纵梁上，因此可以降低蓄电池位置，同时蓄电池的固定除了蓄电池支架上的固定点，还需增加悬置上的安装点，这样蓄电池支架的承载力才能减少，结构设计也可以相应简化。

图4示出原蓄电池的布置输入，从图4中可以看出，蓄电池整体长度约228mm，Y向悬出纵梁外约192 mm，占蓄电池整体长度的84%；Z向高出纵梁约166mm。

2.2 优化设计

根据上述布置分析，蓄电池布置位置沿-Y方向移动，同时下移，如图5所示。从图5中可以看出，蓄电池布置更改后，蓄电池Y向悬出纵梁外131 mm，占蓄电池整体长度的57%；Z向高出纵梁138 mm。相对原先的布置输入，Y向长度减少约32%，Z向高度减少约17%。因此，蓄电池支架在Y向的长度及Z向的高度，也相应减少，整体质量减轻。

根据上述新的布置输入，蓄电池支架结构需从3个方面进行重新设计。1）因蓄电池悬空在悬置上方，所以在悬置上增加固定点；2）蓄电池安装在纵梁上的部分，通过在纵梁上增加支架，更改纵梁结构，与悬置共用新增加的支架来固定；3）考虑蓄电池支架轻量化设计要求，将蓄电池托盘跟蓄电池支架，采用塑料材质，设计成一个整体，采用注塑成型实现，如图6所示。

新的蓄电池布置，涉及到新增加的件有：悬置上的蓄电池固定支架、新增加纵梁支架及蓄电池托盘（即新的蓄电池支架），总共质量约为1.8 kg，而相应的原先的蓄电池支架总共质量约为2.4 kg，质量减轻约25%。

2.3 CAE分析

新的蓄电池支架与蓄电池托盘是一个整体，图7示出蓄电池托盘的有限元模型。该模型约束车身截面处所有自由度，针对各种工况在蓄电池质心施加表1中对应的重力加速度。经CAE分析结果显示，该布置形式的蓄电池支架结构在倒车上台阶工况、侧向冲击工况、前行制动工况、过坑工况，垂向冲击工况及组合工况下均满足强度设计要求，如图8所示。

表1 蓄电池托盘强度分析工况加速度列表（蓄电池质量为13.9 kg） g

3 结论

通过布置优化，进行蓄电池支架结构设计，可以很好地实现蓄电池支架的轻量化设计，同时保证蓄电池支架的设计强度要求。这说明，在白车身设计过程中，为满足轻量化的设计目标，除了传统的采用新材料、新工艺措施外，白车身前期的布置输入也起着非常重要的作用。良好的布置输入，不仅可以让整车布置美观，而且可以实现整车轻量化设计，同时也可以使钣金件结构设计简单，模具开发成本低，且满足其结构设计的强度要求。