裝配圖純電動(dòng)客車電池框的布置位置對(duì)汽車動(dòng)力性能的影響,裝配,電動(dòng),客車,電池,布置,位置,對(duì)于,汽車,動(dòng)力,性能,機(jī)能,影響 2015屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 純電動(dòng)公交客車作為一種理想的清潔能源城市公共交通工具，在我國(guó)的發(fā)展具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，動(dòng)力電池作為整車的唯一能量來源，其在電動(dòng)車上的應(yīng)用就顯得格外重要。而電池框作為保護(hù)電池正常、安全工作的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和性能就顯得格外重要。 本文通過在已有柴油輕客平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行新能源電池布置，并根據(jù)電池及電池框的布置結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的電池框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。 本文研究了純電動(dòng)客車電池框的布置位置對(duì)汽車動(dòng)力性能的影響，分析了電池框在車身總布置上的設(shè)計(jì)，考慮電池框在電動(dòng)車總布置中所要滿足的條件，如離地間隙等條件進(jìn)行電池框在總布置方面的設(shè)計(jì)。 本文首先根據(jù)電池框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需滿足的相關(guān)要求運(yùn)用CATIA軟件建立了結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型,進(jìn)而建立電池框有限元模型,利用Hypermesh軟件,對(duì)電池框模型網(wǎng)格劃分、賦予零件材料屬性、模型裝配連接、以及創(chuàng)建低速碰撞、側(cè)向、上跳三種工況下的約束和載荷，進(jìn)而分析三種工況下的強(qiáng)度,通過分析得出電池框應(yīng)力集中區(qū)域，并對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化使其滿足強(qiáng)度要求。最后通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中，計(jì)算螺栓受力大小以便進(jìn)行螺栓選型。 關(guān)鍵詞：電池框；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析  Abstract Pure electric bus as a kind of ideal clean energy city public transportation, has unique advantages in the development of our country. With the rapid development of pure electric vehicles, power battery as the sole source of energy for vehicle, its application in the electric vehicle is especially important. And the battery box as a normal battery protection, work safety of the key components, its structure and properties is especially important. In this article, through the existing light diesel passenger platform, on the basis of new energy battery to decorate, according to the result of batteries and battery box layout and corresponding battery box structure design and strength analysis. This paper studies the position of the pure electric passenger car battery box layout of automobile dynamic performance, the influence of battery box are analyzed on the body layout design, considering the battery box in electric vehicles should satisfy the conditions set out in the general arrangement, such as ground clearance battery box for conditions in terms of the layout design. This paper based on the battery box structure design required to meet the relevant requirements using CATIA software established the structure of the three-dimensional entity model, finite element model and the battery box, by using Hypermesh software, meshing battery box model, give the parts material properties, model assembly connection, as well as create a low-speed collision, lateral, jump on three working conditions of constraint and load, strength of three working conditions is analyzed, through analysis the battery casing stress concentration area, and optimize the stress concentration area to make it meet the strength requirement. Finally, the dynamics simulation software Adams, calculate bolt stress size for selection. Keywords:battery box; Structure design; Strength analysis 目錄 第一章 概論 1 1.1 論文研究背景及意義 1 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究意義 2 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究概述 3 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 4 第二章 電池框總布置設(shè)計(jì) 6 2.1 總布置的要求 6 2.2 電池框的布置 7 2.3 安裝點(diǎn)的布置 10 第三章 電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 11 3.1.1 散熱要求 11 3.1.2 密封防水要求 11 3.1.3 電池更換便利性 12 3.1.4 壓緊限位要求 12 3.1.5 美觀性 12 3.1.6 鎖結(jié)構(gòu)的布置 13 3.2 電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.2.1 外形設(shè)計(jì) 13 3.2.2 散熱設(shè)計(jì) 14 3.2.3 密封防水設(shè)計(jì) 14 3.2.4 滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 14 3.2.5 壓緊限位機(jī)構(gòu) 15 3.2.6 鎖機(jī)構(gòu) 16 3.2.7 美觀性 17 第四章 電池框的強(qiáng)度分析 18 4.1電池框的有限元模型建立 18 4.1.1 前處理的選擇 18 4.1.2 材料的選擇 18 4.1.3 幾何清理 19 4.1.4 網(wǎng)格劃分 20 4.1.5 單元及材料屬性設(shè)置 20 4.1.6 不同工況下載荷和約束的施加 21 4.2電池框的強(qiáng)度求解及結(jié)果分析 23 4.2.1 低速碰撞 23 4.2.2 側(cè)向 25 4.2.3 上跳 27 4.3電池框的強(qiáng)度結(jié)果匯總 29 第五章 電池框的的螺栓受力分析 31 5.1電池框螺栓的受力分析 31 5.1.1 測(cè)量電池框的安裝坐標(biāo) 31 5.1.2 電池框安裝螺栓的模擬 32 5.1.2 電池框安裝螺栓的分析結(jié)果 32 5.3電池框安裝螺栓的結(jié)果 34 第六章 結(jié)論 36 致謝 38 參考文獻(xiàn) 39 第一章 概論 1.1 論文研究背景及意義 1.1.1研究背景 眾所周知，世界汽車如今的保有量保持高速度增長(zhǎng)。大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家轎車已經(jīng)普及到了千家萬戶，這使人們生活發(fā)生了巨大的變化。其中汽車的普及率最高的國(guó)家是美國(guó),平均每個(gè)家庭都擁有汽車 2~3 輛。雖然中國(guó)汽車工業(yè)在起步上較晚,但是自從改革開放以來,國(guó)際汽車龍頭產(chǎn)業(yè)紛紛在中國(guó)建立了合資企業(yè)，客觀上推動(dòng)了中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。2009 年中國(guó)汽車迎頭趕上,年產(chǎn)銷量超過1000萬輛，替代了美國(guó)排名世界第一的位置。但是，汽車工業(yè)的快速發(fā)展的同時(shí)也帶來環(huán)境污染和能源短缺等嚴(yán)重的問題。 目前能源短缺問題已成為全球性亟待解決的問題?，F(xiàn)在全球汽車的保有量不斷增加，但是由于傳統(tǒng)汽車所需要的能量幾乎完全依賴于石油，這使能源問題成為了制約汽車工業(yè)發(fā)展的重要原因。根據(jù)當(dāng)前已表明的世界范圍內(nèi)的石油總儲(chǔ)量，全球剩余的石油資源僅供人類可再使用40 年左右。而目前全球汽車每年所消耗的石油量就已經(jīng)超過了100億桶，占據(jù)了石油資源總消耗40%左右。在我國(guó)，石油資源匱乏的形勢(shì)更加嚴(yán)峻，自1993 年以來，我國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)，且進(jìn)口石油的數(shù)量在逐年遞增，對(duì)國(guó)外市場(chǎng)的原油依賴性也日益增大。過分的依賴原油進(jìn)口將嚴(yán)重影響我國(guó)的能源安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)2010 年機(jī)動(dòng)車所消耗的總石油量為1.38 億噸，大約占全國(guó)石油消費(fèi)的 43%左右。預(yù)計(jì)到 2020年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車的石油需求量將達(dá)到2.56 億噸左右，大約為當(dāng)年全國(guó)的石油總需求量的57%。日漸匱乏的石油資源將成為制約我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的重要原因，甚至將進(jìn)一步影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的整體健康發(fā)展。 能源危機(jī)是一大問題，但是汽車尾氣帶來的排放污染也不容忽視。隨著我國(guó)汽車保有量的逐年增加，汽車尾氣污染物排放總量日趨上升。據(jù)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，汽車尾氣是國(guó)內(nèi)主要城市大氣污染的主要來源之一，占大氣污染物總排放量的 60%以上，被公認(rèn)為是大氣污染的“頭號(hào)殺手”。尤其是近幾年，二氧化碳?xì)怏w所形成的溫室效應(yīng)越來越顯著，全球性的氣候變暖對(duì)人類構(gòu)成了嚴(yán)峻考驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的形勢(shì)更為嚴(yán)峻，目前，在全球大氣環(huán)境污染最嚴(yán)重的 20 個(gè)城市之中,我國(guó)已經(jīng)有16 個(gè)城市入列。在北京市，汽車尾氣的排放量對(duì)大氣污染物中 HC、NO、CO 的分擔(dān)率百分比分別為 73.5%,46%和 63.4%。上海地區(qū)則更為嚴(yán)重，分別為 96%，56%和86%。研究已表明，機(jī)動(dòng)車尾氣可排出上百種不同的有害物質(zhì)，主要污染物有碳?xì)浠衔?、固體懸浮微粒、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、鉛、硫化合物。其中，碳?xì)浠衔镏饕獦?gòu)成為多環(huán)芳香烴等劇毒物質(zhì)，而多環(huán)芳香烴中的苯為致癌物質(zhì)；氮氧化合物對(duì)我們的呼吸系統(tǒng)有著較大危害，同時(shí)氮氧化合物也是光化學(xué)煙霧的主要組成成分。汽車尾氣在損害人體健康的同時(shí)，還影響著人類的居住環(huán)境；硫化合物有著強(qiáng)烈的刺激性氣味，達(dá)到一定濃度時(shí)則會(huì)產(chǎn)生“酸雨”，造成水源和土壤的酸化，影響森林和農(nóng)作物的生長(zhǎng)；二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍?zhǔn)住Ｔ谌蛐缘母鞣N氣候會(huì)議中，人們不斷地提出低碳經(jīng)濟(jì)、清潔發(fā)展等全新概念，控訴著汽車業(yè)給全球環(huán)境所帶來的巨大危害。 1.1.2研究意義 電動(dòng)汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”，噪聲低，是解決能源問題與環(huán)境問題的重要手段。相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車在很大的優(yōu)勢(shì)。 (1) 無污染，噪聲低 電動(dòng)汽車本身不排放污染大氣的有害氣體，廢氣的排出量也比燃油汽車減少了 92%－98%。即使把所耗電量等值換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒以外，其他污染物均顯著減少。由于電廠大多建在城市的郊區(qū)甚至更遠(yuǎn)，對(duì)人類傷害也較少。而且發(fā)電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放也使得清除各種有害排放物較為容易，相關(guān)技術(shù)也較為成熟。普通的燃油汽車由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理的制約，必須經(jīng)歷“充氣”、“排氣”等工況過程而產(chǎn)生噪音。汽車噪聲為城市中主要的噪音污染源之一，噪聲對(duì)人體的神經(jīng)、心血管、內(nèi)分泌、聽覺、消化、免疫系統(tǒng)都存在不同程度的危害。而電動(dòng)車與普通燃油汽車不同，運(yùn)行時(shí)基本聽不到噪音。 (2) 能源效率高，多樣化市內(nèi)行車，為等候紅綠燈等情況，必須不斷地停車、制動(dòng)。這些工況卻正是汽車“無用”但耗能的時(shí)段，能源利用率較低。結(jié)果不僅造成了大量的能源浪費(fèi)，還使得空氣污染更加嚴(yán)重。而電動(dòng)汽車則可利用其“再生制動(dòng)”能力將汽車減速時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，并儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，大大地提高了能源的使用效率。另外，經(jīng)研究表明，同等的原油經(jīng)過粗煉，送至發(fā)電廠發(fā)電，再充入電池，然后由電池驅(qū)動(dòng)汽車，這種方法要比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車的能量利用效率高。因此其有利于減少二氧化碳排放量和能源的節(jié)約。 此外，電力可以通過多種方式獲得，如水力、煤、核能等，可以很大程度上緩解人類對(duì)石油資源的依賴。另外電動(dòng)汽車還可以充分地利用夜間用電低谷期富余的電力進(jìn)行充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能得到充分利用，大大提高了其經(jīng)濟(jì)效益。 (3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)久耐用 相比于傳統(tǒng)的燃油汽車，電動(dòng)汽車大多為電連接而非機(jī)械連接，因而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)部件也較少。除了定期需要更換電池外，電動(dòng)車基本上無需日常的維護(hù)，整車壽命也比燃油車長(zhǎng)。 純電動(dòng)汽車同其兩種新能源汽車相比，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上不但沒有重大制約而且成本可以大幅降低，而限制純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問題是續(xù)航能力不理想，所以主要適用于城市內(nèi)使用。 綜上所述：本論文以某燃油客車改型為純電動(dòng)汽車為依托，根據(jù)該電動(dòng)汽車總布置的要求布置電池框的位置，對(duì)電池框進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。 本文首先確定電池的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)電池模塊的形狀尺寸來布置電池框在整車上的空間位置，根據(jù)電池框性能及強(qiáng)度要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該電池框不同于一般電池框的地方有以下幾點(diǎn)： （1） 空間緊湊，可容納6塊標(biāo)準(zhǔn)電池模塊。 （2） 可滿足電池快速換裝的需要。 1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究概述 1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前對(duì)電動(dòng)車安全性能的研究大多集中在動(dòng)力系統(tǒng)方面,而對(duì)動(dòng)力電池的載體，即電池包的結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性的研究較少。 通過查閱相關(guān)資料，對(duì)電池框在汽車總布置方面的資料主要如下： 2012年江蘇大學(xué)的李楠，何仁【1】等研究了動(dòng)力電池的布置對(duì)純電動(dòng)公交客車制動(dòng)效能的影響。對(duì)純電動(dòng)公交客車的動(dòng)力電池布置提出了兩種方案，在空載、半載和滿載的情況下，分析兩種方案對(duì)制動(dòng)力分配系數(shù)的要求，同時(shí)分析了整車質(zhì)心位置對(duì)客車制動(dòng)效能的影響，獲得質(zhì)心位置的允許范圍。 2013年?yáng)|風(fēng)有限公司李仲奎【2】等人對(duì)動(dòng)力電池在電動(dòng)轎車上的布置做了研究，探討了動(dòng)力電池在純電動(dòng)轎車車身上的布置，并通過實(shí)際樣車的開發(fā)驗(yàn)證了分析結(jié)構(gòu)的正確性，還對(duì)車身布置空間不足的情況下，做了改善。 2013年西南交通大學(xué)母洋文【3】等人針對(duì)某企業(yè)開發(fā)的純電動(dòng)城市客車，設(shè)計(jì)了三種不同動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方案。 通過查閱相關(guān)資料，對(duì)電池框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的資料主要如下： 2010年武漢理工大學(xué)車杜蘭【4】等人對(duì)電池包散熱系統(tǒng)做了研究，分析了溫度對(duì)電池組性能和壽命的影響，分析了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在的一些問題和相關(guān)的解決方案，怎樣合適的設(shè)計(jì)電池包散熱系統(tǒng)。 海馬轎車有限公司的李東峰【5】等人對(duì)點(diǎn)對(duì)汽車電池包的密封機(jī)構(gòu)做了研究。對(duì)電池包的密封做了合理的世紀(jì)，并進(jìn)行了浸水試驗(yàn)和氣密性實(shí)驗(yàn)，對(duì)密封性做了很好地驗(yàn)證。 鄭州日產(chǎn)汽車有限公司王瑤【6】等人對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池快換系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，利用鎖止，滾動(dòng)導(dǎo)向，壓緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的快速拆卸和安裝。 鄭州日產(chǎn)汽車公司的李博【7】等人基于MPV對(duì)動(dòng)力電池的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了研究。以車體的縱梁和電池托架為承載部件，利用有限元對(duì)車架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。 2012年梁金華【8】等人對(duì)純電動(dòng)車電池組的散熱必要性進(jìn)行了初步的分析，通過測(cè)量國(guó)內(nèi)某純電動(dòng)車電池組在某些工況下的性能參數(shù)隨溫度變化的情況，通過建立電池組的熱模型，分析純電動(dòng)車的電池組如果不加冷卻裝置時(shí)這一方案的可行性。 2013年南京汽車有限公司蒲金鵬【9】等人對(duì)電池箱體鎖緊裝置進(jìn)行了分析，針對(duì)存在的問題，對(duì)換電純電動(dòng)客車電池箱體的鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。 通過查閱相關(guān)資料，對(duì)電池框在汽車電池框的強(qiáng)度分析方面的資料主要如下： 海馬轎車有限公司電動(dòng)事業(yè)部的陶銀鵬【10】等人從CAE的模態(tài)分析，靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)分析，疲勞分析，輕量化分析對(duì)電池包的強(qiáng)度和剛度做了分析。 1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 在結(jié)構(gòu)分析方面，國(guó)外對(duì)電動(dòng)車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)的資料較多，而針對(duì)電池框的設(shè)計(jì)可查的資料很少。 美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室做了許多有關(guān)電動(dòng)車能源儲(chǔ)備的研發(fā)，并針對(duì)電動(dòng)車適用的電池包做了相當(dāng)多的研究和實(shí)驗(yàn)。并且運(yùn)用相關(guān)計(jì)算機(jī)輔助工具和實(shí)驗(yàn)來分析研究電池包的各種性能。同時(shí)也特別針對(duì)電池包熱管理方面做了很多的研究。除了考慮到散熱設(shè)計(jì)，還考慮到電氣設(shè)計(jì)/分析與控制。 第二章 電池框總布置設(shè)計(jì) 電池作為純電動(dòng)車唯一的能量來源，對(duì)純電動(dòng)車的正常工作有決定性的作用。就目前的技術(shù)來說電動(dòng)汽車主要有以下三種充電模式：緩慢充電、快速充電、快速更換。緩慢充電主要是需要利用充電樁來充電的，不僅在充電的時(shí)候會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，而且充電樁的建造和維護(hù)成本較高；快速充電雖說節(jié)約時(shí)間，但是由于快速充電的技術(shù)還不成熟，會(huì)對(duì)電池造成損傷，嚴(yán)重影響電池的使用壽命。而快速更換電池對(duì)于其它兩種充電方式就有很多優(yōu)勢(shì)： (1) 會(huì)節(jié)約大量時(shí)間，和平時(shí)汽車的加油時(shí)間差不多，可以大幅度提高車輛以及電池的重復(fù)使用率； (2) 具備專業(yè)的電池養(yǎng)護(hù)設(shè)備，提高電池使用壽命； (3) 電池的價(jià)格比較高，換電站的建立可以租用電池而不用購(gòu)買，節(jié)約成本。 本章節(jié)主要研究某傳統(tǒng)的燃油輕型客車改裝為輕型電動(dòng)客車后電池框的安裝位置。由于電池?cái)?shù)量多，尺寸大，質(zhì)量大，對(duì)電池框自身及車體強(qiáng)度有很高的要求。為減少對(duì)原有車體強(qiáng)度的破壞，盡量減少專用件模、夾、檢具投資成本，要求在車身不發(fā)生太大變化的條件下，對(duì)電池框進(jìn)行安裝布置。而電池框作為容納和裝載電池的重要部件，對(duì)電池能否正常安全的工作起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)電池在電動(dòng)車上的位置非常重要，電池位置的合理與否會(huì)直接影響車輛的載荷分布及動(dòng)力性能。 所以本課題對(duì)電池框在此電動(dòng)車上的布置做了分析。 2.1總布置的要求 為滿足車輛的各項(xiàng)性能要求，需要布置六塊電池，每塊電池容量為10度，重量為92kg/塊，尺寸為825mm×500mm×130mm，通過快換充電方式實(shí)現(xiàn)，車內(nèi)同時(shí)布置小型充電機(jī)，電動(dòng)車的續(xù)航里程為200km。 車身電池的模塊如圖所示： 圖3.1電池模塊的結(jié)構(gòu) 本課題在布置電池框的位置時(shí)要考慮滿載離地間隙≥180mm的要求這樣的離地間隙保證了客車在路面上的通過性，防止在不平或砂石路面上鉤掛，保證較大的縱向通過角，防止頂起失效。由于是快換方式，要便于拆卸安裝，所以在總布置的設(shè)計(jì)中要保證電池外側(cè)距離車體外側(cè)下邊緣的距離≤100mm。受已有電池模塊結(jié)構(gòu)所限，該電池最佳布置方式為拉出方向沿著寬度為500mm的方向。在總布置的過程中，考慮車身底部的空間大小，進(jìn)行電池框的布置。而且由于是將原來的輕型客車改裝為電動(dòng)車，為了生產(chǎn)的需要，在總布置時(shí)，盡量減少對(duì)現(xiàn)有白車身的改動(dòng)量。在總布置之后，要進(jìn)行軸荷的校核，而且在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮快換電池的方便性，及在工廠裝配時(shí)的方便性，以免在拆裝時(shí)出現(xiàn)問題。 表2.1為此電動(dòng)車的基本參數(shù)： 表2.1 車輛基本參數(shù) 外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）（mm） 6350c2036X2590 前/后懸（mm） 915/1225 軸距（mm） 4210 前/后輪距（mm） 1734/1728 接近角/離去角（°）(空載) ≥20°/ 16° 最小轉(zhuǎn)彎直徑 ≤小轉(zhuǎn)彎直 前輪中心到地板上平面距離（mm）（空載/滿載） 210/185 車輪滾動(dòng)半徑 0.353 后輪中心到地板上平面距離（mm）（空載/滿載） 263/216 最小離地間隙 ≥180 乘員數(shù)（含駕駛員） 10~14 內(nèi)高（mm） 1925 2.2電池框的布置 圖2.2 原燃油客車的地板 圖2.1是原燃油客車的地板圖，本課題研究的內(nèi)容就是將此燃油客車改裝為電動(dòng)客車，本論文就是要對(duì)此燃油客車改裝為電動(dòng)客車時(shí)的電池框進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。 目前市場(chǎng)上的電動(dòng)車上電池的布置位置大致有三種：駕駛艙下，乘客過道下方，后備箱內(nèi)。電池框如果布置在駕駛艙下或乘客座椅下會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)力性能有很大的幫助，還會(huì)有利于傳動(dòng)軸的載荷分布。但是因?yàn)轳{駛艙下的空間有限，還需要放置空調(diào)、動(dòng)力裝置等，而且車輛的碰撞一般都發(fā)生在車輛的前部。若布置在這一位置，電池很容易被擠壓變形，導(dǎo)致電池殼體破裂，電池液泄露，有可能造成爆炸等現(xiàn)象，這樣就會(huì)導(dǎo)致電池在電動(dòng)車的布置中對(duì)乘客的危險(xiǎn)系數(shù)增大。如果將電池框布置在后備箱內(nèi)，由于電池框在此處沒有遮擋，有利于電池框的拆卸。但是會(huì)占用后備箱的空間，同時(shí)造成輕客的尾部質(zhì)量增大，影響電動(dòng)車的操縱穩(wěn)定性。而且布置在后備箱中離后艙的乘客很近，一旦發(fā)生爆炸或火災(zāi)則會(huì)對(duì)乘客的傷害較大。 根據(jù)原燃油客車的地板布置可以看出，當(dāng)將燃油客車改成電動(dòng)車車型時(shí)，會(huì)去掉油箱，排氣管路等部件。而且由于這個(gè)車型中間不存在傳動(dòng)軸，我們有足夠的空間布置電池框。如果將電池框布置在車身地板的下方，會(huì)有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： （1） 可有效利用地板下方的空間，使此輕型客車空間利用率增大。 （2） 安全性較好，車輛發(fā)生前后撞擊時(shí)電池不會(huì)受到直接影響。 （3） 將電池組布置在中間位置，電池的操縱穩(wěn)定性和通過性都會(huì)較好。 （4） 維修便利性好，更換電池方便易操作。 通過多方面比較后，本次設(shè)計(jì)決定將電池框布置在車身地板下。 布置結(jié)果如下，見圖2.3，2.4所示： 圖2.3電池框總布置側(cè)視圖 圖2.4電池框總布置仰視圖 （1） 考慮電池框的離地間隙。考慮電池艙底板厚度后，則不滿足離地間隙要求。動(dòng)力電池距離滿載地面線為180.44mm，增加電池框后，電池框底部距離滿載為166.473mm。之后可通過調(diào)整懸架硬度解決，將前懸抬高20mm，此時(shí)電池艙底部離地間隙為186.473mm，符合通過性要求。同時(shí)需對(duì)白車身局部進(jìn)行更改，避讓電池艙。 （2）布置6塊電池距離側(cè)圍下邊緣Y向距離65mm＜100mm，符合快換要求。 （3）軸荷分配校核，下表為軸荷校核所需的整備質(zhì)量和GVW。 表2.2 電動(dòng)客車整備質(zhì)量及GVW 重量 前左輪 前右輪 后左輪 后右輪 總質(zhì)量 整備 865 832 793 801 3291 GVW 1016 946 1192 1154 4308 上表記錄了改裝后的電動(dòng)客車的整備質(zhì)量及全車重的數(shù)據(jù)。 由于此電動(dòng)車為前輪驅(qū)動(dòng)，所以要求前軸軸荷分配大于40%。 下面為此電動(dòng)客車的軸荷分配計(jì)算： 對(duì)于整備質(zhì)量： 前軸軸荷分配為：（865+832）/3291 X 100%=51.6% 對(duì)于GVW: 前軸軸荷分配為：（1016+946）/4308 X 100%=45.5% 由于前軸的軸荷分配比均大于40%，所以電池框在電動(dòng)車上的整體布置滿足車輛的軸荷分配要求。 2.3安裝點(diǎn)的布置 為保證電池框的安裝強(qiáng)度，安裝點(diǎn)應(yīng)盡量布置在車身上的橫梁及縱梁上，如果不能安裝在橫梁及縱梁上，應(yīng)布置的橫梁及縱梁附近，避免車身的大規(guī)模改動(dòng)。具體見圖2.5及2.6： 圖2.5 電池框的安裝位置 圖2.6電池框上安裝點(diǎn)的位置 上圖為電池框在車身上的安裝位置及電池框上的安裝位置，紅色代表電池框的安裝位置，電池框的安裝點(diǎn)盡量分布在車身的橫梁與縱梁上，減小了原有車身的改動(dòng)量保證了電池框的安裝強(qiáng)度。 第三章電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 3.1.1 散熱要求 對(duì)于電動(dòng)汽車，電池是動(dòng)力的唯一能量來源，所以電池的性能嚴(yán)重影響電動(dòng)車的整體性能。而電池的溫度與電池的性能密切相關(guān)，40—50℃的溫度會(huì)明顯加速電池的衰老，更高的溫度還會(huì)引起電池的熱失控。純電動(dòng)客車電池承受的負(fù)載和熱負(fù)荷較傳統(tǒng)的燃油汽車增大很多。在車輛行駛的過程中，電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不能將電池工作過程中產(chǎn)生的大量的熱釋放出去，不僅會(huì)影響電池的工作性能和使用壽命，甚至可能帶來熱失控，帶來巨大的安全隱患。 通過研究表明，假如電池框與外界絕熱，即表示對(duì)外的對(duì)流換熱系數(shù)為0。根據(jù)得到的仿真結(jié)果得到，電池組在放電倍率1C時(shí)，最高溫升約為13℃。這是在極端條件下得到的電池的溫升，即最大的放電電流，最差的散熱條件下測(cè)的。但是在城市工況下運(yùn)行，電池的放電倍率會(huì)較低，溫升會(huì)更小。如果能保證電池的初始溫度在合適的溫度下，如果在環(huán)境比較好的條件下比如：慢充以及換電模式下這種溫升比較容易保證。這時(shí)電池放電結(jié)束時(shí)的最高溫度也不會(huì)很高。我國(guó)夏季最高環(huán)境溫度一般在40℃左右，如果我們以此作為電池的初始溫度的話，在環(huán)境溫度為36℃的晴朗天氣條件下，將電動(dòng)車置于水泥路面上暴曬，測(cè)得電池溫度約為39℃，該電池所能達(dá)到的最高極限溫度約為 53℃。而且如果車輛行駛，空氣的流動(dòng)將會(huì)使對(duì)流換熱的效果更好，溫升會(huì)低一些。所以只要電池的溫度在電池的放電溫度范圍之內(nèi)，電池就會(huì)正常的運(yùn)行。但是如果持續(xù)的高溫會(huì)影響電池的壽命。電池內(nèi)阻會(huì)隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)而增加，在使用年限后期時(shí)內(nèi)阻甚至?xí)黾拥诫姵氐某跏純?nèi)阻，對(duì)于磷酸鐵鋰電池，1C 放電，絕熱條件下電池最高溫升將達(dá)到 24℃左右。如果電池初始溫度為是夏季的40℃，電池最終的工作溫度會(huì)超過廠家所規(guī)定的運(yùn)行安全的上限，不利于電動(dòng)車的安全。可見，隨著電池的溫度升高，會(huì)伴隨著電池性能衰減，電池內(nèi)阻的增大，電池溫升的大幅上升，所以電池必須考慮散熱的問題。 3.1.2 密封防水要求 純電動(dòng)車由于其惡劣的環(huán)境，需防止電池進(jìn)水短路，影響電動(dòng)車的正常運(yùn)行乘客的安全。而且對(duì)于電動(dòng)客車除了要能夠防止電池受到雨水的侵蝕，而且還要能夠防止水從不同角度的噴射、飛濺的水流的侵入，所以一般電動(dòng)車的電池都要求有一定的防水等級(jí)。 在電動(dòng)客車的行駛過程中，難以避免在雨水較多的路段行駛，在這段路中，由于電池框安裝在電動(dòng)車的底部，難免電池框內(nèi)會(huì)有積水，所以在設(shè)計(jì)電池框時(shí)，除了要做好基本的防水工作外，還要求能將電池框內(nèi)的水迅速排出。即在設(shè)計(jì)電動(dòng)客車的電池框時(shí)，要注意電池的的密封防水的要求，防止電池進(jìn)水造成短路，影響電動(dòng)車的正常運(yùn)行。 3.1.3 電池更換便利性 在電池框的底部設(shè)置有滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，減小標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝與拆卸時(shí)前后移動(dòng)的阻力。在電池框的下部應(yīng)設(shè)置有滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)設(shè)置有限位壁板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝定位，并通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的滑輪等機(jī)構(gòu)，減小標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝與拆卸時(shí)前后移動(dòng)的阻力。安裝電池模塊的滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，會(huì)加快電池模塊的更換速度，實(shí)現(xiàn)電池模塊的快速更換。所以在設(shè)計(jì)電池框時(shí)，為避免更換繁瑣費(fèi)力，滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是必不可少的。 3.1.4 壓緊限位要求 在電池框的內(nèi)部應(yīng)設(shè)有壓緊機(jī)構(gòu)，用于標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。防止電池模塊在電池框內(nèi)的竄動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池模塊的固定。一些電動(dòng)汽車上的壓緊機(jī)構(gòu)由固定基座、蝶形導(dǎo)向螺栓、楔形壓緊塊和滑動(dòng)塊組成，通過蝶形導(dǎo)向螺栓與固定基座的導(dǎo)軌左右滑動(dòng)，從而擠壓標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊相對(duì)電池箱內(nèi)壁的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的固定。電池在電池框內(nèi)的隨意竄動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致電池線束的脫落，電池殼體的損壞，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮壓緊機(jī)構(gòu)。 3.1.5 美觀性 由于是改裝的輕型客車，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮整體的美觀性，即電池框的艙門與汽車車身的配合，要保證過渡圓滑。電池框本身的車身是原來的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)盡量不改變?cè)瓉碥嚿淼男螤?。所以在設(shè)計(jì)電池框時(shí)，要注意電池框的艙門與車身的連接處，不要使連接處的車身顯得突兀，影響整體的美觀性。 3.1.6 鎖結(jié)構(gòu)的布置 由于本課題研究的是快速更換的電動(dòng)汽車。車載動(dòng)力電池在車輛運(yùn)行過程中，會(huì)隨車體一起經(jīng)受震動(dòng)與顛簸，因此，考慮快速更換裝置時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)必不可少。 快速更換系統(tǒng)的電池框作為電動(dòng)車上的重要部件，其夾緊和定位系統(tǒng)必須準(zhǔn)確，在極端的情況下也能進(jìn)行操作，能順利的鎖緊打開，方便電池的更換，可以全面限制電池各方向的自由度，能可靠的將電池鎖緊。 3.2電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于電池框的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，除考慮強(qiáng)度外，還要考慮散熱、防水、滾動(dòng)導(dǎo)向、壓緊、鎖止等因素，具體的結(jié)構(gòu)如圖３.１所示： 圖３.１電池框總體結(jié)構(gòu) 下文對(duì)電池框的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了相應(yīng)的論述。 3.2.1外形設(shè)計(jì) 電池框起到了容納和支撐電池的作用，考慮到要節(jié)省空間，還要適應(yīng)不同的工況，所以本次設(shè)計(jì)的電池框的整體外形為長(zhǎng)方形，采用邊框設(shè)計(jì)，外表面采用鈑金蒙皮。因?yàn)槊繅K電池有92kg，所以選取的材料要有足夠的剛度。本次設(shè)計(jì)最終選取厚度為2mm的鈑金件焊接而成。由于電池重量較大，本次在電池框的設(shè)計(jì)的過程中，在電池框的底部設(shè)計(jì)了高為5mm的加強(qiáng)筋。根據(jù)電池的位置，電池模塊的大小，設(shè)計(jì)電池框的長(zhǎng)寬高，由于電池為835 X 130 X 500，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)電池的形狀進(jìn)行外形的基本設(shè)計(jì)。電池長(zhǎng)為825mm，我們要進(jìn)行電池的限位，而且快速更換時(shí)要有足夠的活動(dòng)空間，不能太緊，否則會(huì)導(dǎo)致電池的散熱不均勻。所以在容納一個(gè)電池模塊的電池框的長(zhǎng)度我們?cè)O(shè)計(jì)為841mm，兩邊在設(shè)計(jì)時(shí)左右空余1mm的空間，有利于電池組的散熱和拆裝。對(duì)于電池的寬度，由于電池后面有安裝電池的線束，我們要設(shè)計(jì)安裝線束的孔，安裝電池線束的孔要適合，本次設(shè)計(jì)電池框線束的孔長(zhǎng)為185mm，寬為84mm。電池框的后面主要靠限位塊限位塊，前面則是靠鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位。電池的框的總高度為166mm，下面是靠導(dǎo)向機(jī)構(gòu)定位，上面主要靠壓緊機(jī)構(gòu)定位。 3.2.2 散熱設(shè)計(jì) 在現(xiàn)在的電動(dòng)車上，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種冷卻的辦法，如強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和相變材料吸熱等方法。但繁重的散熱裝置會(huì)增加了電池框整體的體積和質(zhì)量，消耗電池的一部分能量。所以在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，并不是所有電動(dòng)車都安裝了冷卻裝置，特別是純電動(dòng)車，比如日產(chǎn)的Leaf純電動(dòng)車。 由于本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)車是快換電池系統(tǒng)，所以我們可以不需要在電池框內(nèi)設(shè)計(jì)繁重的散熱系統(tǒng)。但是為了電池的基本散熱，在電池框的底部設(shè)計(jì)了通風(fēng)槽，采用風(fēng)冷散熱，因?yàn)槲覀兗纯梢怨?jié)省材料，同時(shí)也可以減少整體電池框的質(zhì)量，防止電池框的斷裂，開通風(fēng)槽也不至于電池產(chǎn)生過多的熱量排不出去，導(dǎo)致電池的性能降低。 3.2.3 密封防水設(shè)計(jì) 由于電池本身具有一定的防水等級(jí)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，為電池框的防水設(shè)計(jì)的同時(shí)，也要為電池框的散熱考慮。 為了避免在雨水較多的路段導(dǎo)致電池框內(nèi)積水，所以在電池框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到排水的機(jī)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)是在電池框的底部開了排水孔，保證在積水的路面或特殊的情況，即電池框內(nèi)進(jìn)水時(shí)，能迅速通過排水孔孔將積水排出，防止長(zhǎng)久的積水對(duì)電池和電路系統(tǒng)造成損壞，影響電動(dòng)車運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性。 3.2.4 滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 我們本次在設(shè)計(jì)電池框時(shí)采用的是滑輪導(dǎo)向。圖３.２為電池框的滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)： 　　　　　　　　　　　　　圖3.２電池框的滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)的電池框的滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在承載一塊電池模塊的電池框中，共設(shè)計(jì)了左右四個(gè)滑輪，由于每個(gè)電池有92kg的質(zhì)量，而在將電池模塊推入電池框內(nèi)時(shí)，電池的全部重量是承載在這幾個(gè)滑輪上的。所以在設(shè)計(jì)滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)，保證滑輪在電動(dòng)車的運(yùn)行過程中不發(fā)生損壞。為了保證電池框的滑輪的可靠性，在電池框的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了左右四個(gè)滑輪，保證滑輪受力均勻，同時(shí)能有效保證電池框的強(qiáng)度，防止滑輪在電動(dòng)車行駛過程中損壞，保證了汽車行駛的可靠和穩(wěn)定性。 電池框的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的高度是根據(jù)電池模塊的下部的高度設(shè)計(jì)完成的。因?yàn)殡姵氐男螤畈⒉皇峭耆拈L(zhǎng)方形，下面有凹進(jìn)去的部分，是適用于電池導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安裝。這樣安裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后，電池模塊就可以輕松從滑輪上推入。 圖３.3為電池模塊與滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的位置圖： 電池模塊 滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 加強(qiáng)筋 圖3.3 電池模塊與滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置圖 從上圖可以看清楚電池與滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安裝位置，考慮到電池與電池框的安裝配合公差，滾輪與電池的配合公差，電池的拆卸便利，我們?cè)O(shè)置了厚為5mm的加強(qiáng)筋，電池框與電池下部留了3mm的距離，即有利于電池的散熱，也保證了電池框的安裝公差和尺寸配合，同時(shí)防止了電池的來回碰撞。 3.2.5 壓緊限位機(jī)構(gòu) 在本次設(shè)計(jì)中電池框的左右前后限位機(jī)構(gòu)是通過限位塊來進(jìn)行壓緊限位的。裝載一個(gè)電池的電池框的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為841mm，因?yàn)殡姵氐拈L(zhǎng)度為825mm，總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為825mm，可以防止電池在狹小的空間里過熱，無法有效散熱，但是為了防止在電動(dòng)車運(yùn)行過程中，電池左右晃動(dòng)幅度過大，造成電池性能的較低，甚至是損壞，本次設(shè)計(jì)中在電池框的左右側(cè)壁上設(shè)計(jì)了7mm厚的電池限位塊，防止電池的左右晃動(dòng)，電池左右限位塊如圖３.４所示： 圖3.４電池框的左右限位機(jī)構(gòu) 在電池框設(shè)計(jì)中，電池框的后部也設(shè)計(jì)了電池限位塊，電池的前面則通過前門的鎖緊機(jī)構(gòu)限位，防止電池在電池框內(nèi)的前后晃動(dòng)。電池框的后面設(shè)置了和左右一樣的限位塊，電池框的厚度為16.5mm。防止電池的前后晃動(dòng)。 對(duì)于電池的上下限位系統(tǒng)，主要是通過十字限位塊進(jìn)行限位的。簡(jiǎn)要的示意圖如圖３.５所示： 電池框 壓緊機(jī)構(gòu) 圖3.５電池框的壓緊機(jī)構(gòu) 從圖中可以看出，電池的上下限位是通過十字限位塊進(jìn)行限位的，當(dāng)換入新的電池時(shí)，將電池裝入電池框中，通過螺栓將十字限位連接在電池框上。十字限位塊壓緊電池，防止電池的上下竄動(dòng)。 3.2.6 鎖機(jī)構(gòu) 電池框的鎖緊機(jī)構(gòu)是設(shè)置在電池框的前門上，當(dāng)快速更換電池時(shí)，電池裝入電池框，然后關(guān)上電池艙門，通過電池的鎖結(jié)構(gòu)將電池鎖緊，防止電池在電池框內(nèi)的竄動(dòng)。如圖３.６所示： 圖3.６電池框的鎖機(jī)構(gòu) 電池的鎖結(jié)構(gòu)是與電池框的十字限位結(jié)構(gòu)連接在一起的，十字限位機(jī)構(gòu)上裝有類似掛鉤的部件，在電池框艙門鎖緊時(shí)，電池框鎖止機(jī)構(gòu)勾住十字限位機(jī)構(gòu)，即保證電池的鎖緊的，也保證電池的十字限位機(jī)構(gòu)對(duì)電池壓緊。此結(jié)構(gòu)保證了電池的鎖緊，防止電池上下左右竄動(dòng)，有效保證電動(dòng)車行駛的穩(wěn)定和和可靠性。 3.2.7 美觀性 為了保證電動(dòng)車整體的美觀性，本次電池框的設(shè)計(jì)中將電池框的艙門設(shè)計(jì)為弧形，保證與電動(dòng)車的車身無縫連接，不破壞電動(dòng)車整體的美觀性。電池的艙門設(shè)計(jì)如圖３.７所示： 圖3.７電池框的艙門 上圖為電池框艙門，是電池框艙門關(guān)閉狀態(tài)的情況，從圖中可以看出，電池框的艙門是一個(gè)弧形的機(jī)構(gòu)，與車身的側(cè)圍完美連接，保證了改裝之后的輕型客車整體的美觀性。  第四章電池框的強(qiáng)度分析 4.1電池框的有限元模型建立 4.1.1前處理的選擇 本論文的前處理是基于hyperworks中的hypermesh進(jìn)行的，hypermesh擁有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。本論文采用的是在CATIA中建立三維模型，然后將三維模型轉(zhuǎn)化為*igs格式導(dǎo)入hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 4.1.2 材料的選擇 電池框的強(qiáng)度不僅在快速更換的結(jié)構(gòu)中舉足輕重，對(duì)整個(gè)電動(dòng)車的安全行駛也是至關(guān)重要的。因?yàn)殡姵乜蛟诓煌墓r下運(yùn)行的結(jié)果也是不同的，所以在電池框的設(shè)計(jì)不僅要考慮電池框的安全運(yùn)行，而且要注意在整個(gè)汽車上的搭配關(guān)系，例如電池框的總重量，電池框的防腐化性質(zhì)等，由于電池框的側(cè)壁是通過焊接完成的，所以材料的焊接特性對(duì)電動(dòng)車能否安全行駛也是至關(guān)重要的，要求在焊接完成之后焊接周圍的材料強(qiáng)度不發(fā)生變化。因?yàn)殡姵乜蜷L(zhǎng)期存放電池，所以要求電池框具有良好的耐腐蝕性，在電池框完成之后，要對(duì)電池框涂層，增加電池框的防腐蝕性，所以也要要求電池框所選用的材料具有良好的附著能力。 基于上面的條件，本次設(shè)計(jì)中，選用的材料為如下，這些材料在汽車上有著廣泛的應(yīng)用，車身，車門還有很多零部件都是采用這種材料。表4.1和圖4.1為電池框所采用的材料的圖表和不同材料在電池框的位置布置： 表4.1 電池框材料 名稱 顏色顯示 材料 吊掛支架 DL510 電池框骨架 DC01 連接支架 45# 圖4.1電池框材料顯示 從圖中可以看出電池框不同的部位采用的材料不同，因?yàn)槿齻€(gè)部位所受的力不同，所以在設(shè)計(jì)過程中，采用了三種不同的材料。這三種材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不同，采用三種不同的材料既可以盡可能滿足電池框的強(qiáng)度，防止電池框在電動(dòng)車行駛過程中發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，同時(shí)也可以節(jié)省材料。電池框所選用材料的機(jī)械屬性如表4.2所示： 表4.2電池框材料機(jī)械屬性 屬性 材料 彈性模量E (MPa) 泊松比Nu 密度ρ (T/mm3) 屈服強(qiáng)度σs (MPa) 抗拉強(qiáng)度σb (MPa) 斷裂伸長(zhǎng)率 DL510 210000 0.3 7.86E-9 355 510 0.24 45# 355 600 0.16 DC01 140 270 0.32 上表顯示了電池框的不同部位的材料的屬性，不同的地方要求的強(qiáng)度不同，所以選用的電池框的各部分的材料也不同。對(duì)于在行駛過程中受力較大的部件，如吊掛支架，選用的材料的抗拉極限就相對(duì)較大。 4.1.3 幾何清理 CAD的模型在導(dǎo)入hypermesh后，進(jìn)行有限元分析時(shí)，一些幾何信息會(huì)不可避免的出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其在導(dǎo)入曲面時(shí)會(huì)縫隙、重疊、邊界錯(cuò)誤等信息，導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量差，求解精度降低，因此在網(wǎng)格劃分之前，要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何清理，消除錯(cuò)位，壓縮相鄰曲面之間的邊界，修正模型在導(dǎo)入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，而且要對(duì)不必要的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣才能產(chǎn)生正確的簡(jiǎn)化部件模型，便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分和分析，確保網(wǎng)格間的正確連接，獲得較為滿意的網(wǎng)格樣式和質(zhì)量，從而提高整個(gè)網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量，提高計(jì)算精度。 因?yàn)殡姵乜虻慕Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本論文采用的是將三維模型導(dǎo)入，然后抽取中面，而且在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，由于電池框中含有圓角，小孔等結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，加快計(jì)算效率，要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何清理，修正所導(dǎo)入模型的缺陷，清除電池框上不必要的幾何特征，在不影響計(jì)算精度的前提下轉(zhuǎn)化為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型。以便在網(wǎng)格劃分時(shí)獲得較高質(zhì)量的網(wǎng)格。 在進(jìn)行幾何清理前，由于電池框都是有薄板焊接而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本論文采用的是在幾何清理前抽取中面，在幾何清理中，具體的簡(jiǎn)化原則為： （1）去掉倒角、倒棱等結(jié)構(gòu)。 （2）去掉半徑小于3mm的圓孔。 4.1.4 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格的劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響求解的時(shí)間和精度。網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響了計(jì)算的效率，一般情況下，網(wǎng)格越密越貼近集合，計(jì)算出的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，但是會(huì)增加求解的時(shí)間，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也越高。 由于電池框是由2mm鈑金件沖壓焊接而成的，對(duì)于電池框的整體尺寸，它的厚度尺寸非常小，因此在計(jì)算時(shí)采用的是帶有厚度的殼單元。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，不用劃分為實(shí)體單元，使用二維網(wǎng)格即可。 在網(wǎng)格網(wǎng)格劃分之后，需對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)質(zhì)量差的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。 本次設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)格尺寸為10×10mm ；局部加密。總的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為297578，總的網(wǎng)格數(shù)為269442。 對(duì)于電池框上的螺栓采用的是RB2單元進(jìn)行模擬螺栓連接的。 4.1.5 單元及材料屬性設(shè)置 電池框骨架是由2mm的DC01焊接而成，連接支架和滾輪是由45#焊接成，而吊掛支架是采用DL510制成的。網(wǎng)格劃分之后，要設(shè)置不同部位的材料屬性參數(shù)。設(shè)置材料的機(jī)械屬性，各材料的機(jī)械屬性如表4.2所示。 4.1.6 不同工況下載荷和約束的施加 本文主要討論了三種工況，汽車的低速碰撞、側(cè)向和上跳，這三種工況的載荷情況和需要滿足的要求如下表所示： 表4.3 電池框強(qiáng)度分析工況及要求 電池框強(qiáng)度分析工況及要求 工況 加速度（g) 應(yīng)力要求 X Y Z 低速碰撞 -11 -1 ≤σb 側(cè)向 1 -1 ≤0.4 Xσb 上跳 3 ≤0.4 Xσb 1.本工況只適用于電池框耐久性能考核（碰撞除外）； 2.σb為材料的抗拉極限。 4.1.6．1 低速碰撞 低速碰撞指汽車速度較低時(shí)發(fā)生碰撞。 本文對(duì)汽車的低速碰撞進(jìn)行模擬，相關(guān)的約束及載荷如下: 約束吊掛支架及車身的連接孔的自由度123456。 1、2、3即約束X、Y、Z平動(dòng)自由度，4、5、6即約束X、Y、Z轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 下圖為低速碰撞時(shí)的加載曲線： t 0.1s 0.05S -11g -1g 低速碰撞加載曲線 0 X向曲線 Z向曲線 圖4.2低速碰撞的加載曲線 4.1.6．2側(cè)向 汽車在高速行駛過程中進(jìn)行超車時(shí)，兩車處于并列行駛狀態(tài)，這是一種非常危險(xiǎn)的工況，由于速度較高，若并行的一輛車偏離軌道或進(jìn)行非正常轉(zhuǎn)向，則兩車容易發(fā)生側(cè)向碰撞。 本文對(duì)汽車的側(cè)向進(jìn)行模擬，相關(guān)的約束及載荷如下: 約束吊掛支架及車身的連接孔的自由度123456。 下圖為汽車側(cè)向工況的加載曲線： 0.1s 0.05S -1g 1g 側(cè)向加載曲線 0 Z向曲線 X向曲線 圖4.3側(cè)向的加載曲線 4.1.6．3 上跳 電池框在汽車行駛過程中上跳，X向的加速度為3g. 本文對(duì)汽車的上跳工況進(jìn)行模擬，相關(guān)的約束及載荷如下 約束吊掛支架及車身的連接孔的自由度123456。 下圖為汽車上跳工況的加載曲線： 0.1s 0.05S 3g 上跳加載曲線 0 X向曲線 圖4.3上跳的加載曲線 4.2 電池框的強(qiáng)度求解及結(jié)果分析 使用 Hyperview 查看結(jié)果文件，打開文件過程有別于查看其自身計(jì)算結(jié)果文件，而是通過選項(xiàng)卡導(dǎo)入，在選項(xiàng)卡中找到計(jì)算的結(jié)果文件，才能成功的將文件成功導(dǎo)入。由于左右電池框所處的環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)稱的，所以在本文中只討論右側(cè)電池框的強(qiáng)度分析。 4.2.1低速碰撞 圖4.5電池框低速碰撞的X向位移云圖 從電池框的低速碰撞位移云圖可以看出電池框在發(fā)生低速碰撞時(shí)在X方向的最大的位移位置發(fā)生在吊掛支架處和連接支架與車身的連接處，X向的最大位移為-2.00mm。 圖4.6電池框的低速碰撞Z向位移云圖 從電池框的低速碰撞位移云圖可以看出電池框在發(fā)生低速碰撞時(shí)在Z方向的最大的位移位置發(fā)生在吊掛支架與電池框的連接處，電池框在發(fā)生低速碰撞時(shí)Z向的最大位移為-1.50mm。 圖4.7電池框低速碰撞的應(yīng)力云圖 上圖為電池框在低速碰撞時(shí)的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在發(fā)生低速碰撞時(shí)，電池框的最大應(yīng)力集中在電池框的吊掛支架處，最大應(yīng)力為351.11MPa。從應(yīng)力云圖可以看出，電池框在發(fā)生低速碰撞時(shí)，電池框底部不受力，所以在電池框設(shè)計(jì)時(shí)主要研究的是吊掛支架的材料和吊掛支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況，吊掛支架具有一定強(qiáng)度時(shí)，才能保證電池框的安全可靠性，保證電動(dòng)車能安全行駛。 圖4.8材料為DC01部分在低速碰撞工況下的應(yīng)力云圖 圖4.9材料為45#部分在低速碰撞工況下的應(yīng)力云圖 圖4.10材料為DL510部分在低速碰撞工況下的應(yīng)力云圖 上面三幅圖反映的是電池框的不同部位的材料不同，受力也不同，上面三幅圖顯示了各個(gè)部位受力最大的地方，比較發(fā)現(xiàn)，電池框的骨架受力最大的地方在后圍側(cè)板，是由于后圍側(cè)板與電池框的吊掛支架連接，電池框及電池的全部質(zhì)量大部分是靠吊掛支架承受，最大應(yīng)力為140.035MPa。電池框的連接支架中，最大的受力位置也發(fā)生在螺栓連接處，最大應(yīng)力為289.563MPa。整個(gè)電池框的最大應(yīng)力為351.137MPa，出現(xiàn)在電池框的吊掛支架處。所以在汽車遇到低速碰撞的過程時(shí)，最可能發(fā)生斷裂的部位應(yīng)該是吊掛支架。 4.2.2 側(cè)向 圖4.11電池框側(cè)向的Y向位移云圖 從電池框的側(cè)向位移云圖可以看出電池框在汽車側(cè)向時(shí)在Y方向的最大的位移位置在電池框的側(cè)板上，Y向的最大位移為-1.063mm。 　　圖4.12電池框側(cè)向的Z向位移云圖 從電池框的側(cè)向位移云圖可以看出電池框在側(cè)向時(shí)在Y方向的最大的位移位置發(fā)生在連接支架處，電池框在發(fā)生低速碰撞時(shí)Z向的最大位移為-0.9001mm。從圖中可以看出在側(cè)向時(shí)，電池框的Z向位移較小。 圖4.13電池框在側(cè)向工況下的應(yīng)力云圖 上圖為電動(dòng)車側(cè)向時(shí)電池框的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在電動(dòng)車側(cè)向時(shí)，電池框的最大應(yīng)力集中在電池框的吊掛支架處，最大應(yīng)力為129.0MPa。從應(yīng)力云圖可以看出，電動(dòng)車側(cè)向行駛時(shí)，主要應(yīng)力發(fā)生在電池框的吊掛支架處，但是相比于電動(dòng)車的低速碰撞工況，它的應(yīng)力較小。所以電池框的主要破壞會(huì)發(fā)生在低速碰撞的工況下。 圖4.15材料為DC01部分在側(cè)向工況下的應(yīng)力云圖 圖4.16材料為45#部分在側(cè)向工況下的應(yīng)力云圖 圖4.17材料為DL510部分在側(cè)向工況下的應(yīng)力云圖 上面三幅圖反映的是電池框側(cè)向工況時(shí)，不同部位的材料不同，導(dǎo)致受力也不同，上面三幅圖顯示了各個(gè)部位受力最大的地方，比較發(fā)現(xiàn)，電池框的骨架受力最大的地方在前面的連接支架處，是由于電動(dòng)車側(cè)向時(shí)，主要的載荷集中在了前面的連接支架處，最大應(yīng)力為129.031MPa。電池框的連接支架中，最大的受力位置也發(fā)生在螺栓連接處，最大應(yīng)力為27.998MPa。整個(gè)電池框的最大應(yīng)力為129.0MPa，出現(xiàn)在電池框的骨架處。我們從圖中可以看出，電池框在側(cè)向工況時(shí)，最大受力的地方在骨架與連接支架的地方，我們要對(duì)這部分進(jìn)行優(yōu)化處理，防止斷裂。 4.2.3上跳 圖4.18電池框上跳工況下的X向位移云圖 從電池框的上跳位移云圖可以看出電池框在汽車上跳時(shí)在X方向的最大的位移位置在電池框的前面連接支架處，Z向的最大位移為-3.10mm。較前面兩種工況，電池框上跳時(shí)的位移較大。 圖4.19電池框在上跳工況下的應(yīng)力云圖 上圖為電池框在上跳工況時(shí)的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在上跳工況中，電池框的最大應(yīng)力集中在電池框的吊掛支架處，最大應(yīng)力為266.7MPa。從應(yīng)力云圖可以看出，電池框在發(fā)生上跳時(shí)，電池框底部幾乎不受力，受力部位大部分在前面的連接支架上，其他部位幾乎不受力。 圖4.20材料為DC01部分在上跳工況下的應(yīng)力云圖 圖4.21材料為45#部分在上跳工況下的應(yīng)力云圖 圖4.22材料為DL510部分在上跳工況下的應(yīng)力云圖 上面三幅圖反映的是上跳工況時(shí)，不同部位的材料不同，導(dǎo)致受力也不同，上面三幅圖顯示了各個(gè)部位受力最大的地方，比較發(fā)現(xiàn)，電池框的骨架受力最大的地方在前面的連接支架處，最大應(yīng)力為138.215MPa。電池框的連接支架中，最大的受力位置也發(fā)生在連接支架的骨架上，最大應(yīng)力為39.653MPa。整個(gè)電池框的最大應(yīng)力為266.681MPa，出現(xiàn)在電池框的吊掛支架處。我們從圖中可以看出，電池框在上跳工況時(shí)，最大受力的地方在吊掛支架處，我們要對(duì)這部分進(jìn)行優(yōu)化處理，防止斷裂。 4.3電池框的強(qiáng)度結(jié)果匯總 下表為電池框三種工況下的位移和應(yīng)力： 表4.4電池框三種工況下的位移 位移mm 低速碰撞 側(cè)向 上跳 電池框 -2（X) 1(Y) -1.5(Z) -1.8(Z) -3.1(Z） 表4.5 電池框三種工況下的應(yīng)力 應(yīng)力MPA 低速碰撞 應(yīng)力要求 側(cè)向 上跳 應(yīng)力要求 電池框 DC01 140 ≤270 129 138 ≤ 108 DL510 351 ≤ 510 128 267 ≤ 204 45# 290 ≤ 600 28 40 ≤ 240 從表格中可以看出電池框的骨架部分在側(cè)向工況和上跳工況中，是對(duì)應(yīng)力要求的標(biāo)準(zhǔn)不符合，要進(jìn)行后期的優(yōu)化，優(yōu)化后判斷在上面兩種工況中是否符合標(biāo)準(zhǔn)。在電池框的連接支架中，電池框在上跳過程中是不符合工況的應(yīng)力要求，有可能會(huì)發(fā)生斷裂，下一步需要通過改變材料或?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化防止電池框的斷裂。  第五章 電池框的的螺栓受力分析 電池框的連接一般選用螺栓緊固方式，通過綜合考慮電池及電池框的質(zhì)量，碰撞的加速度和接合面的摩擦系數(shù)來確定螺栓規(guī)格。螺栓緊固的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，維修方便。 5.1電池框螺栓的受力分析 由于前面兩個(gè)電池框各承受360kg重量的電池，且左右兩個(gè)電池框的受力基本相同。所以在本次論文中重要討論右側(cè)電池框的受