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纯电动汽车架构设计(三):后悬架型式和车身拓扑结构

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13传统燃油车悬架的局限性

对于采用地板下平板电池的电动汽车而言,电池宽度主要受限于侧碰和柱碰时的门槛侵入量,同时也受后悬架形式和前车身拓扑结构影响。动力电池长度则主要受后悬架形式和车身拓扑结构约束。

后悬架空间相对于前悬架要富余一些,所以衍生出了多种形式的后悬架。传统燃油车后悬架,大致可以分成下面几种:

1)扭力梁型悬架,也就是常说的板车悬架。这种悬架几乎无法对轮胎跳动有任何主动控制,并且先天带有过度转向倾向。有的扭力梁悬架会用瓦特连杆来增加车轮侧向支撑力,但仍然无法主动控制车轮前束和内倾。在纯电动汽车上,扭力梁悬架中间无法布置驱动电机,而且扭力梁的存在会严重限制动力电池长度和宽度,所以这种悬架是不适合电动车的。但现在很多采用传统架构的电动车采用的还是这种悬架,一般是继承燃油车原型而来。

图30 扭力梁式后悬架

2)麦弗逊式后悬架,也叫双连杆、三连杆和连杆支柱式后悬架。由两根横杆和一根拖曳臂组成。其中一根横杆与拖曳臂一起到下摆臂作用,和滑柱一起控制车轮外倾,另一根横杆控制车轮前束,拖曳臂还能控制车轮X方向位置。虽然看上去和麦弗逊前悬架的差别很大,但功能相似,老款凯美瑞和老款蒙迪欧就采用了这种悬架。这种悬架对车轮外倾角的控制有先天不足,侧向支撑也差一些;为提高侧倾中心,下连杆一般比较长,无法布置驱动电机;对动力电池的宽度限制也较大。

图31 麦弗逊后悬架

3)拖曳臂多连杆后悬架。在麦弗逊后悬架上增加一个上摆臂,就变成现在A级和B级车上最常见的一种多连杆悬架,一般叫四连杆悬架,也叫欧式拖曳臂悬架或刀锋臂悬架。这种悬架用在君越、福克斯、新汉兰达、现代名图等多种车型上,性能比麦弗逊式悬架好,但是由于拖曳臂的存在,车轮跳动过程中X方向位移比较大,对车轮控制仍然有瑕疵。

图32 拖曳臂多连杆后悬架

拖曳臂后悬架经过调整后,有能力布置驱动电机,比如大众BUDD-e 概念车,和大众混动Tiguan 就是采用这种悬架来搭载后驱动电机。但是因为拖曳臂的存在,动力电池宽度受到很大限制。

14电动汽车后悬架选择

如前述,扭力梁式、麦弗逊式和刀锋臂式后悬架都不太适合纯电动汽车,纯电动汽车悬架应该在图33所示的H臂悬架和五连杆悬架之间进行选择。这两种悬架都是双叉臂悬架的变种,只是前者将下叉臂变形为H臂,后者则将上下叉臂均改为连杆。两种悬架形式都属于高端悬架,都能调校出良好的底盘性能,区别在于H臂的刚度更好,能得到更干脆的路感,而五连杆悬架的舒适性会更好。

图33 奥迪Q5后悬架从H臂变更为五连杆

目前已经上市的全新电动车架构产品,后悬架主要采用H臂形式。如特斯拉系列、捷豹I-pace 和法拉第未来 FF91。大众MEB平台从公布的图片上看是采用了五连杆后悬架。由于没有拖曳臂,这两种悬架对电池宽度方向都没有限制,电池宽度都可以做到碰撞需求边界。

由于H臂悬架是利用H臂上的连杆来抵抗转向节翻滚,H臂本身尺寸也比较大,因此后轮最大转向角度比五连杆悬架要小。采用五连杆后悬架的大众MLB evo 平台,其后轮转向角度能达到10°,而H臂悬架车型的后轮转向角度一般无法超过4°。

从设计上来看,H臂悬架各连杆的功能解耦要更好一些,开发难度较五连杆悬架低很多。

H臂悬架通过下H臂本身内侧两个点的限制就可以完全限制车轮X方向的运动,翻转也是通过H臂上的小连杆限制的。而五连杆则通过各个连杆的配合来限制转向节运动,需要至少两根杆件的内硬点在X方向延伸较多,才能保证后转向节前后方向与翻转方向的限制刚度,以实现对后车轮较好的力学控制。

图34 五连杆悬架硬点分布

因此,理论上来说,五连杆后悬架对电池长度的限制要比H臂后悬架大。尽管通过精心设计可以将五连杆悬架本体布置在轮胎侧投影以内,但是安装连杆的副车架也会对电池长度产生影响,如图35中捷豹I-pace 和大众 MEB平台的对比。另外,五连杆悬架在宽度方向占用的尺寸通常也比H臂略大,使后桥驱动电机布置难度增加。

图35 捷豹I-paceH臂悬架(左)与大众 MEB五连杆悬架(右)对电池长度的影响

所以我们的观点是,H臂后悬架相比五连杆后悬架更适合纯电动车型,开发难度也较低。H臂悬架的主要承力部件是下摆臂(H臂),因为电动车一般比同等级的燃油车重20%,而且重心靠后,所以下摆臂受力大幅高于传统车,设计时一定要保证强度足够。

15车身正碰拓扑结构

对于传统燃油车,正面碰撞时的传力路径如图36所示。来自前纵梁的碰撞力一部分传递到地板纵梁,另外一部分分散到门槛梁和中通道。

图36 传统车正碰传力路径

对于电动车,要在地板底下布置平板式动力电池,需要为电池让出布置空间,所以从前轮胎内侧延伸到地板下部的传力纵梁会被打断。因为没有排气管路,车身中通道也没有存在的意义。所以我们期望的传力路径是前端吸能盒—前纵梁—门槛梁,如图37所示。但这种传力路径真正实现起来难度很大,主要原因是前纵梁和门槛梁在Z向和Y向都有很大的间距。

图37 期望的电动车正碰传力路径

电动车的车身拓扑结构设计,应该至少在一个方向上解决前纵梁和门槛梁间距过大问题。这样就出现了两种方案,分别着眼于减少Y向间距和Z向间距。

第一种方案以Y向平滑过渡为目的,保留了地板纵梁,如图38所示,这种方案我们称之为地板纵梁方案。为布置电池包,地板纵梁向外侧偏移,前纵梁根部向外弯曲,与地板纵梁搭接。

图38 地板纵梁方案

地板纵梁方案在传统燃油车的基础上实现起来比较容易,所以国内油改电车型都采用这种方案,国外像雪佛兰Bolt和日产Leaf等传统车企开发的车型也都采用此方案。但这并不意味着地板纵梁方案是落后的,比如法拉第未来FF91作为全新架构电动车型,也采用了地板纵梁方案。

地板纵梁方案最大的缺点是电池宽度受限,只能达到车身宽度的60%左右,影响整车续驶里程。

为增加动力电池的宽度,可以将地板纵梁方案做一些改进,例如捷豹I-pace,用一个类似短斜梁的结构来代替贯穿前后的地板纵梁,短斜梁前端接机舱纵梁末端,后端搭接到门槛梁,如图39所示。采用此方式,动力电池的中后部可以做的很宽,但前端必须收窄以适应短斜梁,所以动力电池呈滑板形状,如图40。

图39 I-pace连接前纵梁和门槛梁的斜梁结构

图40 I-pace的滑板形电池

第二种方案以减少Z向间距为目标,前纵梁向下加大截面高度,这种方案我们称为前纵梁加深方案。前纵梁横截面Z向尺寸相比传统车大约增加50-80mm后,吸能能力有明显提升;纵梁截面力合力点下移,缩短了前纵梁根部力矩的力臂;前纵梁和门槛梁在Z向将产生一定重叠量。前纵梁加深后,偏置碰时的前壁板侵入会有明显改善。

前纵梁加深方案最大的好处是无需地板纵梁,电池可以充分利用左右门槛梁之间的空间,电池的宽度可以达到车身宽度的70%以上,对于提升整车续驶里程极为有利。

一些新兴电动车企业的产品,例如特斯拉Model X、Model S和蔚来ES8,采用了前纵梁加深方案,如图41。这种方案导致的一个问题是加深的前纵梁与驱动半轴干涉,需要在前纵梁上开孔或者开豁口来避让半轴运动包络。

图41 特斯拉ModelS的前纵梁

无论是采用地板纵梁方案还是前纵梁加深方案,都需要在电池前部(前壁板和地板搭接处)布置一粗壮横梁,使正面碰撞时的载荷能够从前纵梁向两侧门槛梁有效传递。

无论采用何种方案,都要保证前纵梁与门槛梁的过渡结构走向顺滑,否则这个部位在正面碰撞时极易弯折。过渡结构布置在驾驶员歇脚板和前轮包络之间,要保证它走向顺滑,歇脚板空间很可能受到侵占,只能将歇脚板和R点后移,这将影响乘员舱空间利用率。因为轿车的歇脚板位置比SUV低,这个问题尤其明显。如图42所示的特斯拉Model S,纵梁和门槛梁之间的过渡件就导致了驾驶员脚部后移,所以它的CP点相对靠后,也浪费了一部分舱内空间。

图42 特斯拉ModelS歇脚板后移

前纵梁与门槛梁或地板纵梁之间的平滑过渡,通常要占用动力电池前端两个角的空间,所以动力电池大多不是直角矩形,而是采用前端收窄形式。例如Bolt和FF91的动力电池,前端明显收窄成圆角,只是没有I-pace电池那样夸张而已。

16车身侧碰拓扑结构

考虑电动车续航能力的要求,动力电池一般设计得比较宽,车身两侧保留的碰撞变形区域较窄,所以车身侧碰拓扑结构设计应以保护动力电池为重点。要保证在50公里侧碰和32公里斜柱碰工况下,车身结构的变形区域控制在电池模组之外,模组不能受到撞击和挤压。通常侧碰时的车体变形比较好控制,柱碰则是难点。

对于保留地板纵梁的车型,最稳妥的方案是将门槛梁做的比较粗壮,宽度大于140mm,地板纵梁宽度大于80mm,在门槛梁和地板纵梁之间再保留80mm以上的间隙作为缓冲区,如图43所示。门槛梁和地板纵梁之间还可以布置支撑件来吸收侧面撞击时的能量。

图43 门槛梁和纵梁之间的缓冲区

上述方案能够从容应对侧碰和柱碰工况,但门槛梁外边缘与电池框架边梁的Y向间距通常需要大于300mm,电池包宽度受到很大限制。

为了提升空间使用率,可以将地板纵梁与门槛梁之间的缓冲区减少甚至取消。然后在电池框边梁与模组之间,或者电池框边梁与模组之间保留一定间隙作为碰撞缓冲区,要求二者之和大于50mm。这样左右两侧大约可以节省出100mm的宽度用于布置电池模组。

对于没有地板纵梁的车型,门槛梁宽度应大于160mm,并且应做到外侧弱内侧强,同样也要求电池框边梁两侧间隙之和大于50mm。如图44所示。

图44 电池边梁两侧缓冲区

有人建议将电池框架结构作为重要传力路径,在发生碰撞时承受一部分碰撞载荷,我们并不赞同这种思路。我们的观点是,电池框架应该做强且应加强与车身的连接,这样可以有效保护电池模组和提升车身整体刚强度;但同时又要尽量减少碰撞工况下电池框架承受的载荷,以保证高压电安全。所以电池框侧边梁可通过增加料厚或者提升材料牌号来加强,但侧边梁宽度应尽可能减少。电池框边梁宽度减少意味着两侧碰撞缓冲区增加,侧碰和柱碰时电池框架受力更小而且有更多的变形空间。

17本章小结

电动车后悬架应摒弃其它传统燃油车悬架形式,只采用H臂形式。传统的车身纵梁结构会被电池打断,需要新的车身拓扑结构设计。前纵梁到门槛梁的过渡设计尤其重要,这一区域会影响前部人体设计原点,这个问题在轿车设计中会尤其明显。为应对侧碰和柱碰,门槛梁必须足够粗壮,电池框架侧边梁两侧还应留足够的缓冲空间。

18全文总结

我们用三篇文章勾画了一个不计成本的纯电动车架构草图。对于一个合理的纯电动车架构,我们认为它应该有以下几个特点:

  • 采用后驱或者以后驱为主的四驱形式,以应对前后轴荷比例的变化,这样也可改善急加速时轮胎打滑问题。如果采用四驱形式,建议前驱采用感应电机,以避免两驱模式行驶时的反电动势阻力。

  • 采用双横臂前悬架,不仅能提升底盘性能,还能减少对大轮辋和轮胎尺寸的限制。

  • 采用单层电芯的平板型动力电池,布置在地板下方。电芯的形式和尺寸在设计前期进行合理规划。

  • 车型为MPV或者SUV形式,尽量避免轿车形式,以应对布置平板电池导致的整车高度增加。

  • 造型方面实现前后悬缩短和CP点前移,并通过加大轮胎、压低车门水切和增加侧围下方装饰件等手段来克服侧面臃肿感。

  • 采用H臂后悬架形式,对电池宽度和长度限制最小,且能保证后部动力总成的安装空间。

  • 车身方面,前碰拓扑结构采用前纵梁加深方案或者地板纵梁方案;侧碰拓扑结构则是采用强壮的门槛梁,并在电池框侧边梁两侧留一定缓冲间隙。

实际开发中企业必然会受到成本、供应链、过往平台惯性等一系列限制,导致产品不可能完全按照上述架构进行设计。但我们认为纯电动车应会逐渐向上述架构方案靠拢。例如基于传统车架构的BOLT,采用了地板下的平板电池,造型方面也实现了前后悬缩短和CP点前移;再如新上市的荣威Marvel X,虽然还未脱离传统车架构,但也采用了地板下平板电池、后驱为主的驱动方式和H臂后悬架。

因此我们应站在顶层设计的层面上来考虑纯电动车的架构,避免后期发生颠覆性修改。即使基于传统架构进行开发,也应尽力向完善的纯电动架构靠拢,不能只在燃油车基础上做“打补丁”式的适应性改进。

通过一万余字的阐述,关于电动车架构设计的研究结果已经全部写入三篇文章中,相比2017年3月的live课程,有不少修改与补充。但电动车架构设计是一项极为庞大繁杂的工作,我们这三篇文章只能在有限几个技术点上给大家一点参考。我们对于零部件集成化设计、高压电安全、同轴差速器的一些心得也没有在这三篇文章中体现,以后会陆续写一些文章来介绍。

作者:王朋波
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首次发布时间:2019-01-09
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