CN103979016B - 轻量化电动汽车车身骨架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车技术领域，特别是一种轻量化电动汽车车身骨架；包括采用碳纤维增强复合材料制成的左侧车身架、右侧车身架、车顶和前玻璃托架，所述左侧车身架、所述右侧车身架分别与所述车顶和所述前玻璃托架通过胶接和螺栓紧固方式进行装配得到一空间笼形管状车身骨架；所述四大块各以合边区域为分片线，进一步分为内外两片，内外片在合边区胶接连接；本发明将复合材料在车身的应用形式从以往的单面板提升为双面管状空间结构，将乘员保护区域设计成一个空间管状笼形骨架结构，通过管柱、拓扑空间的结构特性来提高车身骨架的整体强度，另外，采用四大块八小片的设计方法兼顾了成形效率，同时能有效保证成形质量。

Description

轻量化电动汽车车身骨架

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别是一种采用碳纤维材料制作的轻量化电动汽车车身骨架。

背景技术

面临着能源危机和环境污染的双重压力，电动汽车成为全球发展的热点。目前电动汽车产业发展面临的难点有：(1)动力电池的储能密度不高，导致电池组体积大，质量大；(2)有效载重效率低，只有1/4～1/5，大部分能源消耗在移动非有效载荷。轻量化技术可以通过减轻自重来提高有效载荷率，从而延长续驶里程，尤其在当前动力电池成本高、储能水平不足时，对促进电动汽车产业化意义重大。

碳纤维等先进复合材料相对于传统金属材料，更加轻质、强度更高，且具有设计自由度大、耐锈蚀、成形工艺性好等优点，尤其适合电动汽车的个性化设计和小批量投产。先进复合材料已经得到不少国外汽车厂商的青睐，并将其作为未来电动汽车的重要材料。

目前，汽车厂商对电动汽车轻量化的研究大多局限于单面的复合材料车身板开发，本研究团队在国内首次将复合材料的应用从单面车身板提升为双面合体骨架结构，提高车身结构的承载性能。在开发过程中，以下问题尤为关键：一是如何通过拓扑结构的设计实现车身骨架的相互加强，以具有良好的结构强度；二是面向制造的分块分片设计方法，如何将整体结构进行划分，使其便于加工，有效保证成形效率和成形质量。

发明内容

本发明的目的是通过结构的拓扑空间设计和轻量化碳纤维增强复合材料的应用，开发出轻质、高强的电动汽车乘员安全保护笼形车身骨架，并将该车身骨架进行合理分块分片设计，便于成形制造，又能保证成形质量。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述车身骨架按四大块八小片的方法设计，包括以下四大块：

左侧车身架；

右侧车身架；

车顶；

前玻璃托架；

所述的侧车身架、右侧车身架、车顶和前玻璃托架采用碳纤维增强复合材料制成的，所述左侧车身架、所述右侧车身架分别与所述车顶和所述前玻璃托架分别设置有相互配合的凸凹结构，通过胶接和螺栓紧固方式进行装配形成一空间笼形管状车身骨架。

优选地，所述四大块中的每一大块分别以合边区为分模面，进一步分为内、外片，即：

所述左侧车身架分为左侧内车身片和左侧外车身片；

所述右侧车身架分为右侧内车身片和右侧外车身片；

所述车顶分为内车顶和外车顶；

所述前玻璃托架分为前玻璃内托架和前玻璃外托架；

内、外两片上设计有合边重叠区域供内片和外片胶接连接使用。

优选地，所述的四大块中相互连接的每两大块之间至少具有一个榫接结构，以便于把这两大块进行连接。

优选地，所述左侧车身架与所述右侧车身架镜向对称，所述左侧车身架和所述右侧车身架分别包括由“A”柱、“B”柱、整体式“C”柱和底部“山”字结构构成的框式结构，所述框式结构形成了整体式车门框架。

优选地，所述车顶包括呈“王”字型分布的前端横向梁、中间横向梁、后端横向梁和一根纵向梁，所述前端横向梁、中间横向梁、后端横向梁和所述前玻璃托架的两端分别设置有榫接眼，所述左侧车身架和所述右侧车身架在与所述榫接眼相对应的位置设置有榫接头，通过榫接，所述左侧车身架和所述右侧车身架分别与所述车顶和所述前玻璃托架进行衬套榫接形成一空间笼形管状车身骨架。

优选地，所述左侧内车身片和所述右侧内车身片分别设置有若干个U型开口，通过所述的U型开口实现所述空间笼形管状车身骨架与车底架相扣接。

优选地，所述左侧内车身片和所述左侧外车身片在门框处的合边区形成左侧车门胶条的安装位置；所述右侧内车身片和所述右侧外车身片在门框处的合边区形成右侧车门胶条的安装位置。

优选地，所述前端横向梁与前挡风玻璃上沿形成配合，所述前端横向梁与所述左侧车身架、所述右侧车身架、所述前玻璃托架构成了前挡风玻璃框架，所述前端横向梁预留了胶条安装间隙；所述后端横向梁为了与后箱翻盖结构配合预留了胶条安装位，所述胶条安装位同时起到导水作用。

优选地，呈“王”字形的所述车顶与所述左侧车身架和所述右侧车身架形成四个框架，用于镶嵌车顶覆盖块，以形成个性化的车顶风格。

优选地，所述左侧车身架和所述右侧车身架在门铰链和锁钩的安装位置上预埋了金属加强片以起到局部加强和安装支撑的作用。

优选地，所述左侧车身架和所述右侧车身架在受力比较大的区域采用加厚铺层、加入隔板或充入发泡材料的方式进行内部增强，以提高所述左侧车身架和所述右侧车身架的承载强度。

优选地，所述左侧车身架、所述右侧车身架、所述车顶和所述前玻璃托架所采用碳纤维增强复合材料的铺层厚度为2mm～3mm，并采用热压罐成形工艺进行加工。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用了空间笼形的设计理念，将乘员保护区域设计成一个空间管状骨架结构，同时将复合材料在车身的应用形式从以往的单面板提高为双面管状空间结构，通过管柱、拓扑空间的结构特性来提高车身骨架的整体强度；

2、本发明提供了方便车身骨架制造的分块分片方法，即四大块八小片设计方法，四大块为左侧车身架、右侧车身架、车顶和前玻璃托架，八小片为把四大块中的每一大块又分成内外两片，即左侧内车身片、左侧外车身片、右侧内车身片、右侧外车身片、内车顶、外车顶、前玻璃内托架和前玻璃外托架，相对于目前现有的中线两大块和接头处若干小件的设计，更加易于加工，并且能保证成形质量和连接可靠性。

3、本发明采用了碳纤维增强复合材料，相对于目前同行采用的玻璃纤维等复合材料，力学性能更加优秀；同时成形采用了该领域最先进的热压罐成形工艺，相比于同行采用的手糊，袋压等方法，产品强度、一致性和轻量化水平更具优势。

附图说明

图1为本发明的分解示意图；

图2为本发明的另一个分解示意图；

图3为车身采用加厚铺层方式的结构示意图；

图4为车身采用加入隔板方式的结构示意图；

图5为车身采用充入发泡材料方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图5对本发明作进一步阐述：

实施例一：

如图1所示一种轻量化电动汽车车身骨架，车身骨架采用碳纤维材料制成，并采用“四大块八小片”的设计方法进行设计和生产。

四大块分别为左侧车身架1、右侧车身架2、车顶3以及前玻璃托架4，左侧车身架1、右侧车身架2分别与车顶3和前玻璃托架4通过胶接和螺栓紧固方式进行装配得到一空间笼形管状车身骨架。

八小片由四大块中的每一块以合边区为分模面，分成内外两片而得，如图2所示，左侧车身架1分为左侧内车身片11和左侧外车身片12，右侧车身架2分为右侧内车身片21和右侧外车身片22，车顶3分为内车顶31和外车顶32，前玻璃托架4分为前玻璃内托架41和前玻璃外托架42；内外两片上设计有合边重叠区域供内片和外片胶接连接使用，内片和外片胶接后的部件呈中空管状结构。

车顶3包括呈“王”字型分布的前端横向梁301、中间横向梁302、后端横向梁303和纵向梁304，前端横向梁301、中间横向梁302和后端横向梁303上分别设置有左侧安装衬套33和右侧安装衬套34，左侧安装衬套33和右侧安装衬套34分别形成榫接眼。

前玻璃托架4包括挡风玻璃底部框架401、与左侧车身架1配合的左车身安装衬套43402和与右侧车身架2配合的右车身安装衬套44403。

前端横向梁301与前挡风玻璃上沿形成配合，前端横向梁301与左侧车身架1、右侧车身架2、前玻璃托架4构成了前挡风玻璃框架，前端横向梁301预留了胶条安装间隙；后端横向梁303为了与后箱翻盖结构配合预留了胶条安装位，胶条安装位同时起到导水作用。

左侧车身架1与右侧车身架2左右对称，即，右侧车身架2是左侧车身架1的镜像并具有相同的构件，在本实施例中以左侧车身架1为例对其结构进行详细的说明。

如图2所示，左侧车身架1为大致垂直的侧壁包括由“A”柱101、“B”柱102、整体式“C”柱103和底部“山”字结构104构成的框式结构，该框式结构形成了整体式车门框架。其中“A”柱101上设置有挡风玻璃侧框架1011、车顶侧部框架1012和后车窗框架侧面件1013。左侧内车身片11和左侧外车身片12在门框处的合边区域形成前后车门胶条的安装位，同时在门铰链和锁钩的安装位置上预埋了金属加强片以起到局部加强和安装支撑的作用。

左侧车身架1上设置有与前玻璃托架4和车顶3榫接的榫接头13、前梁扣位槽14，底部扣位槽15，后斜扣位槽16和后横扣位槽17。左侧车身架1上的前梁扣位槽14、底部扣位槽15、后斜扣位槽16和后横扣位槽17分别与车架上对应宽度的型架铝管进行装配，并通过粘接和螺栓连接的方式进行固定连接。

左侧内车身片11上还设置有若干个U型开口18，通过U型开口18实现空间笼形管状车身骨架与车底架的连接。

左侧车身架1通过榫接头13与车顶3上的左侧安装衬套33进行榫接，右侧车身架2通过榫接头13与车顶3上的右侧安装衬套34进行榫接，“王”字形结构的车顶3与左侧车身架1和右侧车身架2的车顶侧部框架1012形成四个框架，用于镶嵌车顶覆盖块，以形成个性化的车顶风格。

前玻璃托架4通过左车身安装衬套43和右车身安装衬套44分别与左侧车身架1和右侧车身架2进行榫接。榫接位置通过螺栓和粘接的方式进行固连。为方便榫接，左侧车身架1、右侧车身架2和前玻璃托架4在成形时预埋有转接头5。

左侧车身架1、右侧车身架2、车顶3以及前玻璃托架4采用碳纤维增强复合材料制成，应用的成型工艺是热压罐成型工艺。工序包括预浸布铺设，透气毡、脱模布铺设，热压罐加热加压成形，合边区涂胶，热压罐合模内外片固化连接等。采用的模具材料可以是金属或者聚合材料。

根据本发明的车身骨架成型工艺，本实施例的成型模具采用的是玻璃纤维/环氧树脂模具，为了保证出模的需要，左侧车身架1、右侧车身架2、车顶3以及前玻璃托架4的模压部分设计成为带有一定锥度的设计。

在设计过程中，左侧车身架1、右侧车身架2、车顶3以及前玻璃托架4的厚度需要根据整体车身结构的受力载荷和成型参数要求设计。经过实验测试和结构拓扑优化设计，最终确定最佳的铺层厚度是2mm～3mm，并在承载要求较高的区域如接头、B柱102等区域，采用局部加强提高该区域的承载强度。

为提高本发明的车身骨架的承载强度在承载要求较高位置(应力较集中的位置)进行了局部加强。

实施例二：

如图3所示，在本实施例一的基础上，本实施例采用加厚铺层700的方式对承载要求较高位置，如“A”柱101、“B”柱102和底部“山”字结构104，进行局部加强。该方案的特点是在产品铺层过程中，合理选定和设计局部增强区域，并在碳纤维铺层的过程中，通过增加碳纤布层数，达到提高区域整体强度的目的。该方案的优点是在生产流程中进行细化设计，操作简单且增强效果明显。

实施例三：

如图4所示，在本实施例一的基础上，本实施例采用加入隔板800的方式对承载要求较高位置，如“A”柱101、“B”柱102和底部“山”字结构104，进行局部加强。该方案的特点是在完成了产品铺层之后，在中空区域的内外分片之间，通过布设隔板800的方式进行增强，起到内部加强筋的作用。隔板800的选材可以采用碳纤维等硬质材料，隔板形式可以为交错的纵横板形式。该方案能够大幅度的提高中空结构的整体刚度强度和耐撞性，但需要进行额外的隔板加工和交错设计。

实施例四：

如图5所示，在本实施例一的基础上，本实施例采用充入发泡材料900的方式对承载要求较高位置，如“A”柱101、“B”柱102和底部“山”字结构104，进行局部加强。该方案的特点是在产品固化成型之后，对于中空区域采用泡沫发泡填充的方式，形成泡沫填充三明治结构。该方案不仅能够更好的提高中空结构的刚度和缓冲吸能能力，同时也能起到降噪减震的效果。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述车身骨架按四大块八小片的方法设计，包括以下四大块：

左侧车身架；

右侧车身架；

车顶；

前玻璃托架；

所述左侧车身架、所述右侧车身架分别与所述车顶和所述前玻璃托架分别设置有相互配合的凸凹结构，通过胶接和螺栓紧固方式进行装配形成一空间笼形管状车身骨架；

所述四大块中的每一大块分别以合边区为分模面，进一步分为内、外片，即：

所述左侧车身架分为左侧内车身片和左侧外车身片；

所述右侧车身架分为右侧内车身片和右侧外车身片；

所述车顶分为内车顶和外车顶；

所述前玻璃托架分为前玻璃内托架和前玻璃外托架；

内、外两片上设计有合边重叠区域供内片和外片胶接连接使用；

左侧车身架、右侧车身架、车顶以及前玻璃托架采用碳纤维增强复合材料制成，应用的成型工艺是热压罐成型工艺，工序包括预浸布铺设，透气毡、脱模布铺设，热压罐加热加压成形，合边区涂胶，热压罐合模内外片固化连接；

所述左侧车身架和所述右侧车身架在受力比较大的区域采用加厚铺层、加入隔板或充入发泡材料的方式进行内部增强，以提高所述左侧车身架和所述右侧车身架的承载强度。

2.如权利要求1所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述的四大块中相互连接的每两大块之间至少具有一个榫接结构，以便于把这两大块进行连接。

3.如权利要求1所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述左侧车身架与所述右侧车身架镜向对称，所述左侧车身架和所述右侧车身架分别包括由“A”柱、“B”柱、整体式“C”柱和底部“山”字结构构成的框式结构，所述框式结构形成了整体式车门框架。

4.如权利要求1所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述车顶包括呈“王”字型分布的前端横向梁、中间横向梁、后端横向梁和一根纵向梁，所述前端横向梁、中间横向梁、后端横向梁和所述前玻璃托架的两端分别设置有榫接眼，所述左侧车身架和所述右侧车身架在与所述榫接眼相对应的位置设置有榫接头，通过榫接，所述左侧车身架和所述右侧车身架分别与所述车顶和所述前玻璃托架进行衬套榫接形成一空间笼形管状车身骨架。

5.如权利要求1所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述左侧内车身片和所述右侧内车身片分别设置有若干个U型开口，通过所述的U型开口实现所述空间笼形管状车身骨架与车底架相扣接。

6.如权利要求1所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述左侧内车身片和所述左侧外车身片在门框处的合边区形成左侧车门胶条的安装位置；所述右侧内车身片和所述右侧外车身片在门框处的合边区形成右侧车门胶条的安装位置。

7.如权利要求4所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述前端横向梁与前挡风玻璃上沿形成配合，所述前端横向梁与所述左侧车身架、所述右侧车身架、所述前玻璃托架构成了前挡风玻璃框架，所述前端横向梁预留了胶条安装间隙；所述后端横向梁为了与后箱翻盖结构配合预留了胶条安装位，所述胶条安装位同时起到导水作用。

8.如权利要求4所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：呈“王”字形的所述车顶与所述左侧车身架和所述右侧车身架形成四个框架，用于镶嵌车顶覆盖块，以形成个性化的车顶风格。

9.如权利要求1至8任意一项所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述左侧车身架和所述右侧车身架在门铰链和锁钩的安装位置上预埋了金属加强片以起到局部加强和安装支撑的作用。

10.如权利要求9所述的轻量化电动汽车车身骨架，其特征在于：所述左侧车身架、所述右侧车身架、所述车顶和所述前玻璃托架所采用碳纤维增强复合材料的铺层厚度为2mm～3mm，并采用热压罐成形工艺进行加工。