论文部分内容阅读
摘 要：主要介绍复合材料蓄电池托盘在某车型上的研发和应用。根据布置需求，该车型蓄电池托盘需满足三种规格蓄电池安装、两种动力的ECU、TCU安装、以及发动机线束的安装。充分利用PP材料一体注塑成型特性，通过集成设计、CAE分析和产品结构优化，采用精益化设计手段降低产品成本，解决复合材料蓄电池托盘成本比钣金蓄电池托盘成本高的问题，完成复合材料蓄电池托盘试制和验证，最终得到多功能、平台化、低成本的汽车蓄电池托盘。
关键词：蓄电池托盘 复合材料 多功能 平台化 低成本
Development and Application of Multifunctional Platform Low-cost Composite Material Car Battery Tray
Zhu Wancai
Abstract：The article mainly introduces the development and application of composite battery trays on a certain vehicle model. According to the layout requirements， the battery tray of this model needs to meet three specifications of battery installation， two power ECU， TCU installation， and engine wiring harness installation. The article makes full use of the integrated injection molding characteristics of PP material， through integrated design， CAE analysis and product structure optimization， and adopts lean design methods to reduce product costs， solve the problem that the cost of composite battery trays is higher than that of sheet metal battery trays， and complete composite battery trays trial production and verification， and finally get a multi-functional， platform-based， low-cost car battery tray.
Key words：battery tray， composite material， multi-function， platform， low cost
1 应用背景
随着汽车轻量化技术的发展，复合材料在汽车上的应用越来越广泛，其应用方向也正在由内、外饰装饰件向结构件和功能件延伸。蓄电池托盘通常需提供蓄电池安装、线束安装、ECU、TCU安装等接口，导致零件结构复杂，钣金的蓄电池托盘零件多、焊点多、成本高。长玻纤增强PP材料是长玻纤增强复合材料的一种，与常见的短玻纤增强材料相比，主要用10～12mm长度的玻璃纤维增强树脂基体，可以更明显地提高材料的强度和刚性，并提高抗冲击性能，同时保持了短纤维复合材料易于加工的特点[1]。通过集成设计减少零件数量，以及注塑一体成型工艺解决钣金蓄电池托盘零件多问题。
2 问题描述
根据布置需求，该项目蓄电池托盘需满足44AH、45AH、55AH三种规格蓄电池安装、两种动力的ECU、TCU安装、以及发动机线束安装要求。钣金的蓄电池托盘（图1）存在结构复杂、重量重、零件多、焊点多、成本高、防腐能力差等缺点。为满足蓄电池托盘轻量化、平台化要求，降低开发成本和提升蓄电池托盘防腐蚀能力，项目放弃开发钣金托盘的方案，决定开发复合材料汽车蓄电池托盘。
3 蓄电池托盘应用要求
3.1 安装要求：该车型需满足44AH、45AH、55AH三种规格电池，两种ECU、一种TCU，以及提供发动机线束安装（图2）。
3.2 平台化要求：为了减少零件种类以及少开发零件，节约开发费用，开发一种蓄电池托盘满足不同车型共用，提出了平台化要求。
3.3 成本要求：随着汽车市场竞争的不断加剧，各大汽车主机厂纷纷把竞争力提升的焦点放在高质量与低成本上。为了在该车型推广复合材料蓄电池托盘，成本要求低于钣金托盘成本。
3.4 性能要求：蓄电池托盘一般位于汽车前舱内，通过支架固定在前纵梁上;蓄电池托盘需承载重达15kg左右的蓄电池，在运行过程中要承受颠簸振动，以及加速、减速或转向等的侧面受力;工作环境最高温度约为120℃，最低温度国内一般设置一40℃：蓄电池托盘容易接触到水或机油等介质，要注意防腐。所以蓄电池托盘必须满足强度和防腐要求。
4 结构设计及优化
4.1 材料选择：随着长纤增强塑料技术的进步，同时受成本压力的驱动，长玻纤增强PP材料正在逐步取代部分短纤增强PA材料应用于汽车结构件[2]。PP-LGF30成本较低，刚性较好，冲击强度较好，是常用材料，具有采購成本低优势，作为本次复合材料蓄电池托盘开发的材料选择。
4.2 结构设计：零件的刚性不仅与材料刚性有关，还与零件的厚度及结构有很大关系。按照等效刚度设计原则[3]，参照钣金蓄电池托盘进行初步结构转化，使用壁厚为3.5 mm的PP-LGF30基本可以达到钣金蓄电池托盘的刚性，同时该壁厚也满足常用塑料件的壁厚要求，经CAE分析，满足强度要求，且安全裕度较高，满足设计要求。 4.3 结构优化设计：经计算按壁厚3.5mm开发，蓄电池托盘重1.3kg，成本32元/件，成本超过钣金托盘，需进行降成本设计。在目标成本指导下，采用2.5mm壁厚，并對托盘受力面设置“井”字型加强筋，蓄电池安装面底部筋的厚度为2mm、高5mm、间距14mm的超多筋条设计，TCU、ECU安装面筋厚度为1.8mm、高2.5mm、间距33mm。TCU、ECU安装面通过两个立面相连形成四面“环形”加强结构。立面上增加立向筋条防止蓄电池窜动并提升安装面刚度。蓄电池挂钩孔，蓄电池托盘与车身连接孔处壁厚均加厚到5mm，提升局部强度。经CAE校核，强度满足要求，且安全裕度较高。优化后蓄电池托盘（图3）重0.8kg，成本20.5元/件，满足项目要求。
5 复合材料蓄电池托盘验证
按照试验大纲要求，对蓄电池托盘进行了各项性能及路试搭载试验，测试结果见表1。复合材料蓄电池托盘经过材料试验、子系统试验和道路耐久等试验，验证结果无异常及缺陷，产品性能可靠，满足量产要求。
6 收益分析
6.1 通过一个零件的集成设计，短链设计优势明显;
6.2 较钣金蓄电池托盘，减重1kg，减重高达55%，零件数量减少8个，焊点减少43个，节约工装费用20万元，单车成本减少5元;
6.3 彻底解决钣金蓄电池托盘生锈问题，提升前舱感知质量;
6.4 推动低成本蓄电池托盘在其他车型快速应用。
7 展望
复合材料汽车蓄电池托盘的应用，可以减轻零件质量、减少零件数量，大幅降低开发费用，解决钣金蓄电池托盘的腐蚀问题，提升前舱感知质量。此外还方便了包装运输和生产装配，具有良好的实用价值。因此复合材料在未来汽车轻量化中必将扮演重要角色。
参考文献：
[1]吴靖，长玻纤增强热塑性复合材料的研究进展.
[2]鲁道夫·施陶贝尔（Rudof Stauber），路德维希·福尔拉特（Ludwig voIlrath）.汽车工程用塑料外部应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
[3]唐志玉，徐佩弦，塑科制品设计师指南[M].北京：国防工业出版社，1993.
作者简介：朱万才：（1990—），男，壮族，广西北流人，助理工程师，本科，从事汽车车身研发工作。
关键词：蓄电池托盘 复合材料 多功能 平台化 低成本
Development and Application of Multifunctional Platform Low-cost Composite Material Car Battery Tray
Zhu Wancai
Abstract：The article mainly introduces the development and application of composite battery trays on a certain vehicle model. According to the layout requirements， the battery tray of this model needs to meet three specifications of battery installation， two power ECU， TCU installation， and engine wiring harness installation. The article makes full use of the integrated injection molding characteristics of PP material， through integrated design， CAE analysis and product structure optimization， and adopts lean design methods to reduce product costs， solve the problem that the cost of composite battery trays is higher than that of sheet metal battery trays， and complete composite battery trays trial production and verification， and finally get a multi-functional， platform-based， low-cost car battery tray.
Key words：battery tray， composite material， multi-function， platform， low cost
1 应用背景
随着汽车轻量化技术的发展，复合材料在汽车上的应用越来越广泛，其应用方向也正在由内、外饰装饰件向结构件和功能件延伸。蓄电池托盘通常需提供蓄电池安装、线束安装、ECU、TCU安装等接口，导致零件结构复杂，钣金的蓄电池托盘零件多、焊点多、成本高。长玻纤增强PP材料是长玻纤增强复合材料的一种，与常见的短玻纤增强材料相比，主要用10～12mm长度的玻璃纤维增强树脂基体，可以更明显地提高材料的强度和刚性，并提高抗冲击性能，同时保持了短纤维复合材料易于加工的特点[1]。通过集成设计减少零件数量，以及注塑一体成型工艺解决钣金蓄电池托盘零件多问题。
2 问题描述
根据布置需求，该项目蓄电池托盘需满足44AH、45AH、55AH三种规格蓄电池安装、两种动力的ECU、TCU安装、以及发动机线束安装要求。钣金的蓄电池托盘（图1）存在结构复杂、重量重、零件多、焊点多、成本高、防腐能力差等缺点。为满足蓄电池托盘轻量化、平台化要求，降低开发成本和提升蓄电池托盘防腐蚀能力，项目放弃开发钣金托盘的方案，决定开发复合材料汽车蓄电池托盘。
3 蓄电池托盘应用要求
3.1 安装要求：该车型需满足44AH、45AH、55AH三种规格电池，两种ECU、一种TCU，以及提供发动机线束安装（图2）。
3.2 平台化要求：为了减少零件种类以及少开发零件，节约开发费用，开发一种蓄电池托盘满足不同车型共用，提出了平台化要求。
3.3 成本要求：随着汽车市场竞争的不断加剧，各大汽车主机厂纷纷把竞争力提升的焦点放在高质量与低成本上。为了在该车型推广复合材料蓄电池托盘，成本要求低于钣金托盘成本。
3.4 性能要求：蓄电池托盘一般位于汽车前舱内，通过支架固定在前纵梁上;蓄电池托盘需承载重达15kg左右的蓄电池，在运行过程中要承受颠簸振动，以及加速、减速或转向等的侧面受力;工作环境最高温度约为120℃，最低温度国内一般设置一40℃：蓄电池托盘容易接触到水或机油等介质，要注意防腐。所以蓄电池托盘必须满足强度和防腐要求。
4 结构设计及优化
4.1 材料选择：随着长纤增强塑料技术的进步，同时受成本压力的驱动，长玻纤增强PP材料正在逐步取代部分短纤增强PA材料应用于汽车结构件[2]。PP-LGF30成本较低，刚性较好，冲击强度较好，是常用材料，具有采購成本低优势，作为本次复合材料蓄电池托盘开发的材料选择。
4.2 结构设计：零件的刚性不仅与材料刚性有关，还与零件的厚度及结构有很大关系。按照等效刚度设计原则[3]，参照钣金蓄电池托盘进行初步结构转化，使用壁厚为3.5 mm的PP-LGF30基本可以达到钣金蓄电池托盘的刚性，同时该壁厚也满足常用塑料件的壁厚要求，经CAE分析，满足强度要求，且安全裕度较高，满足设计要求。 4.3 结构优化设计：经计算按壁厚3.5mm开发，蓄电池托盘重1.3kg，成本32元/件，成本超过钣金托盘，需进行降成本设计。在目标成本指导下，采用2.5mm壁厚，并對托盘受力面设置“井”字型加强筋，蓄电池安装面底部筋的厚度为2mm、高5mm、间距14mm的超多筋条设计，TCU、ECU安装面筋厚度为1.8mm、高2.5mm、间距33mm。TCU、ECU安装面通过两个立面相连形成四面“环形”加强结构。立面上增加立向筋条防止蓄电池窜动并提升安装面刚度。蓄电池挂钩孔，蓄电池托盘与车身连接孔处壁厚均加厚到5mm，提升局部强度。经CAE校核，强度满足要求，且安全裕度较高。优化后蓄电池托盘（图3）重0.8kg，成本20.5元/件，满足项目要求。
5 复合材料蓄电池托盘验证
按照试验大纲要求，对蓄电池托盘进行了各项性能及路试搭载试验，测试结果见表1。复合材料蓄电池托盘经过材料试验、子系统试验和道路耐久等试验，验证结果无异常及缺陷，产品性能可靠，满足量产要求。
6 收益分析
6.1 通过一个零件的集成设计，短链设计优势明显;
6.2 较钣金蓄电池托盘，减重1kg，减重高达55%，零件数量减少8个，焊点减少43个，节约工装费用20万元，单车成本减少5元;
6.3 彻底解决钣金蓄电池托盘生锈问题，提升前舱感知质量;
6.4 推动低成本蓄电池托盘在其他车型快速应用。
7 展望
复合材料汽车蓄电池托盘的应用，可以减轻零件质量、减少零件数量，大幅降低开发费用，解决钣金蓄电池托盘的腐蚀问题，提升前舱感知质量。此外还方便了包装运输和生产装配，具有良好的实用价值。因此复合材料在未来汽车轻量化中必将扮演重要角色。
参考文献：
[1]吴靖，长玻纤增强热塑性复合材料的研究进展.
[2]鲁道夫·施陶贝尔（Rudof Stauber），路德维希·福尔拉特（Ludwig voIlrath）.汽车工程用塑料外部应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
[3]唐志玉，徐佩弦，塑科制品设计师指南[M].北京：国防工业出版社，1993.
作者简介：朱万才：（1990—），男，壮族，广西北流人，助理工程师，本科，从事汽车车身研发工作。