doi:10.3969/j.issn.l005-2550.2021.03.025收稿日期：2021-01-08某商用车底盘后背动力电池框与
车架连接方式分析
潘学玉
(东风商用车有限公司技术中心，武汉430056)
摘要：动力电池安全性是新能源车型开发过程中关注的焦点。针对某款纯电动商用车底盘后背动力电池框与车架连接结构，依据螺栓紧固原理，结合该车在生产线上的装配流程，本
文提出了优化纯电动车型后背动力电池框与车架连接结构的方案，并通过仿真分析、实车测试
关键词：纯电动商用车；底盘；动力电池框；连接方式
中图分类号：U467文献标识码：A文章编号：1005-2550(2021)03-0135-05
Analysis of the Connection Mode Between the Back Power Batteiy
Box and Frame of a Commercial Vehicle Chassis
PAN Xue-yu
(Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center,Wuhan430056,China)
Abstract:The safety of power battery is the focus in the development of new energy vehicle.Aimmg at the connection structure between the back power battery box and frame of a
battery electric commercial vehicle,according to the principle of bolt fastening and the
assembly process of the battery electric commercial vehicle on the production line,this paper
puts forward a scheme to optimize the connection structure between the back power battery
fox and frame of batteiy electric commercial vehicle,which is verified by simulation analysis
and trial vehicle test.
Key Words:Battery Electric Commercial Vehicle;Chassis;Power Battery Box;Connection Mode
135
汽¥14® / AUTO SCI-TECH
2020年第3期
潘学玉
毕业于重庆大学，起重运输 与工程机械专业，现就职于东风 商用车技术中心，任高级工程
师、东风公司一级人才库专家。 长期从事商用车底盘悬架系统设
计工作，主研起草空气悬架国家
标准三项(863计划项目2006AA
110117-f 项)，获湖北省质监局
重点项目资助奖一项，东风公司 科•扌支进步奖九项，东风公司标准
制订奖三项，授权发明专利四
项，东风公司优秀论文奖三项。
刖 a
随着我国节能减排要求的不断提高，新能源汽 车的发展被国家列为战略新兴产业之一，纯电动车 型开发获得了快速发展。然而，随着前期市场暴露 出的动力电池安全性问题，各主机厂都把纯电动车
型动力电池安全防护放在重中之重的位置O
由于离地高，防水、防尘效果好，动力电池
置于车架之上、驾驶室之后的布置方式受到越来
越多设计者的青睐。
针对动力电池自重大、防振性能要求高，某 新能源车型在开发初期采用4点连接提高动力电池
框与车架单侧连接的可靠性。通过分析这4点连接 的紧固方式，出了结构中存在的约束干涉问
题、前上、下支架接触面贴合设计不当问题及其 动力电池框在车辆Y 方向存在间隙难以打紧问题。
针对上述原因，结合车型开发中的装配工艺流 程，采用取消中间连接点，同时取消前上、下支
架接触面贴合的方案，经过仿真分析、实车验证 可以提高该处连接可靠性。
1问题描述
某车型为4X2中型环卫纯电动车型，开发初期 动力电池框和车架连接方式如图1所示，1-前上支
架，2-前下支架，3-车架，4-前立板，5-U 形螺
栓，6-动力电池框支架，7-后立板，8-动力电池 框动力电池框8的底座和车架3的上翼面贴合，车 辆单侧二者存在4点紧固连接。前上支架1固定在 动力电池框8的底板上，前下支架2和车架3的腹面
连接。前上支架1和前下支架2通过螺栓连接。前 立板4、后立板7的上端均通过螺栓和动力电池框
8的底板连接，它们的下端均与车架3的腹面连
接。动力电池框8的后端有焊接支架6，倒穿的U 形
螺栓把车架3的纵梁和动力电池框8的后端紧固在 一起。
为了确保新能源车型动力电池的安全，在新
车走合试验中，试验人员把3辆新能源车型的动力 电池框和车架连接处的紧固螺栓力矩纳入重点管
控，每200km 复紧检测一次，结果发现以上4点连 接处的螺栓松脱、拧紧力矩衰减问题突出，直接
影响电池框连接可靠性。
2原因分析
2.1结构上存在约束干涉
如图1所示，动力电池框8和车架3单侧有4处 约束，分析如下：
(1)前立板4、后立板7上半部分通过螺栓和
电池框8的底座相连，其下半部分通过螺栓和车架
3相连。螺栓在整车的Y 方向打紧后，在Z 方向，电
1-前上支架2-前下支架3-车架4-前立板5-U 形螺栓6-动力电池框支架,
7-后立板8-动力电池框
图1动力电池框支架与车架连接方式
136
某商用车底盘后背动力电池框与车架连接方式分析
池框8的底座和车架3之间不能相对运动。(2)欲使U 型螺栓、前上支架1和下支架2的
连接螺栓连接产生轴向夹紧力，则需要车架3和电
池框8的底座在Z 方向能够相对移动，解除约束。因此，前立板4、后立板7两点的约束和两端 的约束互相干涉，直接影响连接可靠性。取消部
分约束，减少零部件数量，消除干涉，实现降低
重量、降低成本本，并且提高了连接质量。
2.2前端支架贴合设计不当
前端上支架1和下支架2贴合，通过螺栓打 紧。由于实际存在的加工误差，当动力电池框8的 底座和车架3的上翼面贴合时，很难保证前端上支 架1和下支架2同步贴合。如果支架1和支架2提前
贴合，动力电池框8的底座和车架3上翼面就会有
间隙，则动力电池和电池框前端的重量就会通过
支架1和支架2之间的贴合面传递，容易造成前 上、下支架承载损坏。并且，由于缝隙的存在，
造成U 形螺栓打紧力矩为虚，容易松动。
2.3没有考虑装配工艺
742
图2动力电池框装配工艺
如图2所示，在生产线上，前下支架2、前立
板4和后立板7与车架3先装配好，然后车架3翻转 正立后再装动力电池框8。为了使动力电池框8落
装车架3上翼面时方便，立板4、立板7与动力电池
框8的外表面在Y 方向必然存在间隙。间隙致使立 板4、立板7与动力电池框8在Y 方向的紧固螺栓难 以打紧。
3解决方案
(1)取消前上、下支架接触面贴合，加大前
上、下支架之间的距离，使动力电池框8的底座和 车架3的上翼面始终贴合，保证动力电池及电池框
的重量主要由车架上翼面承担。
(2)取消前立板4及紧固螺栓、同时取消将
后立板7与动力电池框8相连的螺栓，解除电池框
8的底座和车架3在Z 方向移动的约束，使前上、下
支架之间的紧固螺和U 形螺栓的拧紧力矩最大程度
的转化为Z 方向(轴向)的夹紧力，使动力电池框
8和车架3更容易打紧。
4方案验证4.1仿真分析验证
4.1.1仿真分析载荷与边界条件
(1) 仿真模型尽量模拟实车，计算时对模型
总成施加Z 向3g, X 向Y 向0.5动口速度冲击。
(2) 重量与U 形螺栓拧紧力矩：动力电池重
2.It，电池框620kg, U 型螺栓拧紧450Nm~550Nm 。
4丄2强度分析结果
对三种连接方案分别进行仿真计算，分析对
象应力分布只是数值不同，分布部位相同，三种 连接方案强度分析的应力值统计见表1，应力分布 如图3、图4、图5、图6、图7。
—9 233EHH
Contour Plot
Element Stresses (2D & 3D)(¥*onMis98» Miax) Analysis system Simple Average 图3前上、下支架应力云图(单位：MPa)
图4前立板板应力云图(单位：MPa )
表1最大应力分布
结构特点
前上支架1、前下前立板4应力 支架2应力/Mpa /Mpa 后立板7应 力/Mpa 动力电池框支U 型螺栓应力架6应力/Mpa /Mpa
连接方式14点连接92.335.741.659.8
133.1
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/ AUTO SCI-TECH
2020年第3期
Element Stresses (2D & 3D)(vonMis0&. Max) Analysis system Simple Average —4 164E401
结构特点前上支架1、前下
支架2应力/Mpa 前立板4应力 /Mpa 后立板7应力/Mpa 动力电池框支 架6应力/Mpa U 型螺栓应力 /Mpa
连接方式2在连接方式1的基础 上，取消前立板4及
紧固螺栓
87.9无42.860.1135.7
连接方式3
在连接方式1的基础
上，取消前立板4、 保留后立板7但取消 其与动力电池框底座
连接的螺栓
87.3无18.357.5123.2
图3图4图5图6图7
备注
1、支架、立板材料均为DL510;
2、U 形螺栓材料400，屈服极限为785 Mpa
Contour Plot
图5后立板板应力云图（单位：MPa ）
Contour Pld
Element Stresses (2D & SDXwonMises. Max) Analysis system Simple Average —5.977E4J1—5319EQ r 4.662E^O1
4004EP13.346E4012.689E4O1
2.Q31E4011 373E^O1No result 图6 U 螺栓连接板应力云图（单位：MPa ）
图7 U 型螺栓应力云图（单位：MPa ）
前上支架、前下支架、立板、动力电池框底
板支架的材料均为DL510，表中最大应力值均在安 全范围之内；U 形螺栓极限为785 Mpa，应力值也 在安全范围之内。连接方式3取消了前立板4及其
紧固螺栓、取消后立板7与动力电池框8之间的连 接螺栓，与连接方式1相比，各关注部位的应力均
有一定程度的减低。
4.2实车验证
根据理论分析，结合CAE 仿真计算结果，对 连接方式］（原结构）进行了改进设计，采用连接
方案3，即在原来4点连接的基础上取消前立板4, 取消后立板7与动力电池框8底座之间的4颗连接螺 栓。为了实车验证改进方案的有效性，在车辆满载
23t 状态下，在国道进行走合试验时，每隔200kmM
管控螺栓的拧紧力矩检测一次，同_部位连续测量
3次。中间如有松动，及时复紧后继续试验。
图8纳入力矩管控的螺栓及编号
纳入力矩管控的螺栓如图8所示。实车验证结 果和理论分析、CAE 仿真结果一致。改进前、后
螺栓拧紧统计数据如表2所示。
138
某商用车底盘后背动力电池框与车架连接方式分析
表2管控螺栓力矩检测统计
部位
鲫
m
紧
东风商用车勁
紧
Nm
栓
®/
螺
強
uff
固
号
JT-
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩O⑫⑬⑭
原状态
6
3
1
48
11
08
11
6913081
5
21±2
31
75
83
56
8
67
1±
力
4
6
8
6778
8
8
05
1111
9
64力
1
579281
2
115
9
3
7
73
3
11
115
83
9
05
119
5
64
9
8
力
3
8
07
116
88
7
3
改进后
11
67
11
78
9
3
115
59
6
1
无无无无无无无84
5
6
6
19
2
11
54
1±
47
1±9
3
1
27
1
无无无无无无无07
6
3
灯
3
61±9
5
43
9
5
无无无无无无无97
5
1.M14螺栓初装力矩T=160Nm±24Nm，力矩衰减W30%为可接受,
即力矩M0.7T=0.7x(160-24)=95Nm为合格；
2.U形螺栓力矩520~620Nm为合格
5结果分析与建议
在取消前上、下支架贴合设计，使车架上翼面和电池框底座始终保持接触承载的基础上，对动力电池框与车架三种连接方式进行理论分析、仿真计算和实车验证，得到如下结论：
1、当去掉前立板4及其紧固螺栓、后立板7与动力电池框8之间的连接螺栓后，连接方式3前上、下支架及其U形螺栓处的应力值较连接方式1的应力值还略有降低，说明前立板4和后立板7与动力电池框的连接属于过约束，使此结构中存在干涉问题，降低了连接可靠性。
2、比较实车改进前后关注部位管控螺栓拧紧力矩保持情况，发现改进方案连接方式3的前上、下支架紧固螺栓拧紧力矩、U形螺栓拧紧力矩均在控制目标范围之内，力矩保持能力较结构改进前有较大改善。
综上，取消前上、下支架贴合设计，同时取
消前立板4及紧固螺栓、取消后立板7与电池框8底座之间的连接螺栓，解除动力电池框与车架在整
车Z方向的约束，有利于前上、下支架连接螺栓和U形螺栓打紧，提高动力电池框和车架连接强度，进而提高动力电池的安全性。并且，取消前立板4及其紧固螺栓，取消后立板7的紧固螺栓，减少了零部件数量、重量和成本。
参考文献：
[1]濮良贵.机械设计[M].北京.高等教育出版社.2013.
[2]成大先.机械设计手册[M].北京.化学工业出版社.2010.
[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京.高等教育出版社.2016.
[4]孙桓.机械原理[M].北京.高等教育出版社.2006.
⑸胡骅.电动汽车[M].北京.人民交通出版社.2012.
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证的角度分析了底盘后背动力电池框与车
架连接各部件的受力状况，以使设计和实
际应用紧密结合，具有较高的应用价值和
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