基于强化路测试的后置蓄电池装置的优化设计

常开慧，杨东风，马雷刚，伍祥龙，杨兆飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

蓄电池作为两大整车电源之一，是汽车能稳定启动的保证，具有非常重要的作用，因此必须确保它的可靠性和安全性。近年来，因重卡油箱容积提升的需求，部分重卡车型的蓄电池装置开始考虑布置在车架尾部的内侧以节省总布置空间。因车架尾部工况较差，故我们在重卡后置蓄电池装置的设计中，会增加减振结构，蓄电池固定在蓄电池支架中，蓄电池支架与车架通过减振结构连接。本文以整车在强化路上的载荷谱测试为切入点，系统的介绍后置蓄电池装置的优化设计方法。

1 工况获取（载荷谱测试）

对于一辆重型卡车而言，尾部工况更为恶劣。在车辆行驶的过程中，车架尾部会产生更大的振动加速度和破坏力更强的振动频率，而这些振动和冲击最终会传递到安装在车架尾部的蓄电池装置上，导致蓄电池装置发生蓄电池支架开裂、变形，蓄电池开裂、磨损、漏液、馈电，线束磨损等失效。大量的强化路验证也完全表明了我们猜想的正确性。

为避免后置蓄电池装置的失效，从根本上解决问题，就必须有效遏制重型卡车尾部的恶劣工况。首先初步选定一个减振结构（要求Z向有较大刚度，避免蓄电池装置因减振结构的刚度不足在 Z向产生较大位移的弹跳），然后对车架与蓄电池装置进行载荷谱测试，获得精准工况，并在此测试数据的基础上优化蓄电池装置的设计方案。

测试在强化路上进行，强化路6.7km/周，包含卵石路、鱼鳞坑、搓板路、石块路等多种典型恶劣路况。在试验样车上搭载GPS传感器，在蓄电池与车架（蓄电池支架安装点附近）上安装加速度传感器。图1为载荷谱测试样车行驶轨迹，测试持续时间约420s。

图1 载荷谱测试

在车架与蓄电池的测试数据中各取一组进行分析，进而优化蓄电池装置的优化设计，其中所取的两组数据必须在同一时段内获得。

1.1 加速度谱

加速度是动载荷产生作用的最直接的量化表现，因此在测试获得的数据中，需要提取出车架和蓄电池的加速度谱。以各测试对象的加速度谱中的最大加速度作为研究依据，获得减振结构的隔振率，隔振率能够直观的反应出减振结构的减振效果。

车架行驶在不同路况的强化路上，跟随时间变化的X，Y，Z三个方向的加速度如图2：

图2 车架加速度时域信号

根据加速度谱可获得：车架在X方向的最大加速度约为2.99g，在Y方向的最大加速度约为4.89g，在Z方向的最大加速度约为9.72g。

图3 蓄电池加速度时域信号

蓄电池跟随时间变化的 X，Y，Z三个方向的加速度如图3。

根据加速度谱可获得：蓄电池在X方向的最大加速度约为9.00g，在Y方向的最大加速度约为4.40g，在Z方向的最大加速度约为5.32g。

1.2 功率谱密度

蓄电池装置的振动来源于车架，车架是激振源。通过测试数据提取得到车架的功率谱密度，功率密度谱在一定程度上显示车架的振动频率集中区域。激振源在 X，Y，Z三个方向的功率谱密度如图4-6所示：

图4 X向功率谱密度

图5 Y向功率谱密度

图6 Z向功率谱密度

根据测试数据获得：车架的在 X，Y，Z三个方向的激振频率均集中在f=22.5HZ。

2 设计减振结构的必要性（蓄电池耐振动分析）

在路试的过程中，蓄电池装置未增加减震结构的设计前，蓄电池发生开裂、漏液等失效。失效可能的主要因素如下：

（1）车架尾部振动大，蓄电池装置工作的工况差；

（2）蓄电池耐振动性能差。

为了确定蓄电池失效具体原因，特对蓄电池进行耐振动分析，以进行针对性的设计优化。

2.1 蓄电池耐振动试验

在测试中获得车架的激振频率主要集中在f=22HZ。根据GB-5008可知，蓄电池的耐振动试验在f=30HZ，Z向加速度为5g的工况下进行。

因频率越小，对蓄电池损害越大，加速度越大，对蓄电池损害越大。因此满足国标耐振动试验要求的蓄电池并不一定能适应强化路工况，需对蓄电池重新进行耐振动试验，试验工况为：f=22HZ，Z向加速度10g。

耐振动试验完毕后，视检蓄电池外观，无裂痕、无边形则蓄电池外观通过耐振动试验。

然后以整车启动电流放电 30s，并对蓄电池多个数据点进行电压测量，放电后电压不低于7.2V（针对12V蓄电池），则蓄电池通过耐振动试验。

本文中蓄电池在经耐振动试验8h后，检验合格，蓄电池通过耐振动试验（若试验不通过，则需对蓄电池进行重新选型，或者要求蓄电池供应商优化蓄电池内部受力结构）。

通过蓄电池的耐振动试验，我们可以知道蓄电池失效的主要原因是（1）车架尾部振动大，蓄电池装置工作的工况差。因此必须在蓄电池装置与车架之间增加减振结构。

3 减振结构的优化设计

3.1 分析计算

对比车架和蓄电池装置的加速度谱，发现：经过减振结构减振以后，蓄电池装置在Y向和Z向上的加速度都得到较大程度的弱化，极大的减小了后置蓄电池工作工况的恶劣性。但蓄电池装置在X向的加速度反而增加。

由隔振率T=lg20（代指车架加速度，代指蓄电池加速度）可得，减振结构 X向的隔振率 TX=-9.571, Y向隔振率TY=0.917, Z向隔振率TZ=5.235。

当 T＞0时，表示减振结构具有减振作用。即，减振结构在Y，Z方向上具有隔振作用，在X方向上不具备减振作用。

当ω/f＞，0＜K＜时，减振结构的隔振率随着其刚度的增加而增加。其中m为系统质量（本文指蓄电池装置的质量，110kg），ω为激振频率（本文即为车架的振动频率，22.5HZ），c为减振结构的阻尼（本文选定的减振结构阻尼为0.35），K为减振结构的刚度（本文选定减振结构的刚度为 X向30N/mm, Y向30N/mm, Z向260N/mm）,f为蓄电池装置固有频率(目前未知)。

当1＜ω/f＜时，减振结构对振动无减振作用。

当ω/f＜1时，减振结构对振动不仅无衰减作用，反而有放大作用。

当ω/f=1时，减振结构的激励端（车架）与被动端（蓄电池装置）发生共振。

通过计算得到：当0＜K＜278.4N/mm时，若ω/f＞，则减振结构的隔振率随着其刚度的增加而增加。因减振结构在X向刚度为30N/mm，即其在X向有减振作用，但蓄电池装置在X向加速度反而比车架大，即证明蓄电池装置在X向与车架发生了共振。

3.2 设计改进

要解决蓄电池装置在X向加速度过大的问题，可以参照下面两个方案：

（1）取消X向减振，使车架和蓄电池装置在X向为刚性连接。

（2）改变蓄电池支架的结构设计，使其固有频率改变。避免蓄电池装置和车架发生共振。

4 蓄电池支架的优化设计

蓄电池支架的失效模式包括开裂、断裂、变形等，失效原因主要是在动载作用下的强度不足，因此需要对蓄电池支架进行疲劳强度分析。

4.1 疲劳强度分析

输入测试获得的蓄电池装置与车架的强化路上的加速度谱，对蓄电池装置进行疲劳强度仿真分析（图7）。

在未进行测试的情况下，也可根据经验，给定工况，进行仿真分析。给定工况包括：蓄电池装置总成的X，Y，Z三个方向的加速度，车架的X，Y，Z三个方向的加速度，蓄电池装置总成的质量，蓄电池装置总成相对于车架的位置坐标。

图7 蓄电池装置疲劳强度分析

4.2 设计改进

分析结果显示，蓄电池支架主要失效位置在安装孔和加强筋处，失效尺寸较小。要解决此问题，则需在安装孔处增加垫片，增加加强筋厚度。

5 结语

（1）采集的载荷谱是蓄电池装置优化设计的主要依据，是蓄电池后装置工况的量化体现，是蓄电池耐振动试验、减震结构的优化设计和蓄电池支架的优化设计的必要输入。

（2）在进行蓄电池装置优化设计的时候，可先根据经验选定一个减振结构，并在此基础上进行载荷谱的采集和后续优化设计。

（3）减震结构的引入是针对重卡车型后置蓄电池装置的失效原因，优化蓄电池装置的工作工况，很好的解决了后置蓄电池装置的失效问题，为重卡的总布置让出了更多的空间，对油箱容积的提升有非常重要的意义。

参考文献

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