CN114340983B - 用于电动车辆的后部结构 - Google Patents

Abstract

一种用于电动车辆的后部结构，该后部结构具有包括后部部分、前部部分和过渡区的后纵梁，使得在发生后部碰撞的情况下，后部部分和过渡区两者都能够变形以使能量吸收的量最大化。

Description

用于电动车辆的后部结构

技术领域

本发明涉及用于具有电动动力系的机动车辆的后部结构，该机动车辆在下文中称为电动车辆。本发明还涉及用于制造这种后部结构的方法。

背景技术

与大气中的二氧化碳水平的增加以及与当地空气污染水平相关的环境问题和法规正在推动电动型机动车辆的兴起。与常规的内燃机车辆相比，电动车辆的发动机更小、没有油箱并且没有排气系统。另一方面，电动车辆具有相当大的电池组，这在内燃机中是不存在的。

车辆的后部结构被设计成承受后部碰撞。用于评估车辆安全性的后部碰撞试验的示例是联邦机动车辆安全标准301(FMVSS301)，其中，车辆受到重量为1361kg的正在移动的可变形障碍物的撞击，该障碍物以80km/h的速度移动并以70％的重叠撞击车辆的后部。

后纵梁是车辆的后部结构的一部分，后纵梁从车辆的后端纵向延伸至后地板面板下方。后纵梁包括：

-后部部分，该后部部分基本上在与后保险杠组件相同的高度处沿纵向方向延伸并在其后端部处附接至后保险杠组件，

-前部部分，该前部部分基本上在比后部部分更低的高度处沿纵向方向延伸并且附接至车辆侧向加强结构，

-过渡区，该过渡区至少包括将后部部分和前部部分联结的上弯曲部和下弯曲部。

后纵梁的当前概念考虑到了在发生后部碰撞时吸收能量的需要，同时保护通常位于后排乘客座椅下方的燃料箱。事实上，燃料箱的完整性对乘客的安全至关重要。燃料箱破裂会导致燃油泄漏和火灾隐患等其他问题。

后纵梁的当前设计如下：

-后部部分在后部碰撞期间例如通过受控屈曲吸收能量，

-前部部分和过渡区用作防侵入元件以保护燃料箱。

这种后纵梁设计存在一些局限性。事实上，在后部冲击的能量高于后部结构的能量吸收能力的情况下，过渡区和后部部分会将剩余的碰撞能量以动能的形式传递至车身和乘员。在这种情况下，车辆将被向前推动或撞击位于前方的障碍物，并且乘员的安全可能会受到影响。

发明内容

本发明的目的之一是在电动车辆的情况中克服这些限制，考虑到没有燃料箱，通过提出一种对后纵梁的能量吸收潜力进行优化的设计来克服这些限制。

为此，本发明涉及一种用于电动车辆的后部结构，其中，过渡区的极限拉伸强度与平均厚度的乘积被包括在后部部分的极限拉伸强度与平均厚度的乘积的1倍与1.5倍之间，并且其中，过渡区由断裂应变为至少0.6且临界弯曲角为至少75°的材料制成。

通过应用上述发明，不仅可以通过后部部分的受控屈曲变形而且可以通过过渡区在其上弯曲部和下弯曲部中的双重弯曲变形来吸收后部碰撞期间的能量。

依据单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的根据本发明的后部结构的其他可选特征：

-制造后纵梁的材料在部分上的极限拉伸强度为至少700MPa。

-后部部分配备有几何变化部，几何变化部局部地改变后部部分的横截面。

-后纵梁的至少部分通过对在热冲压后的拉伸强度为至少1000MPa的材料进行热冲压而制成。

-后纵梁的至少部分通过对压制-硬化钢进行热冲压而制成，压制-硬化钢的成分按重量％计包含：

-0.20％≤C≤0.25％，1.1％≤Mn≤1.4％，0.15％≤Si≤0.35％，≤Cr≤0.30％，0.020％≤Ti≤0.060％，0.020％≤Al≤0.060％，S≤0.005％，P≤0.025％，0.002％≤B≤0.004％，剩余部分为铁和由加工产生的不可避免的杂质。

-后纵梁的至少部分通过对拉伸强度为至少950MPa的材料进行冷冲压而制成。

-后纵梁的至少部分通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.13％<C<0.25％，2.0％<Mn<3.0％，1.2％<Si<2.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.22％<Si+Al<2.5％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，Ti<0.05％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：8％与15％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体，其中，马氏体与贝氏体分数的总和在70％与92％之间。

-后纵梁的至少部分通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.15％<C<0.25％，1.4％<Mn<2.6％，0.6％<Si<1.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.0％<Si+Al<2.4％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：10％与20％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体。

-后纵梁通过对定制焊接坯料进行冲压而形成。

-后纵梁通过对定制轧制坯料进行冲压而形成。

本发明还涉及一种用以制造前述后部结构的方法，该方法包括以下步骤：

-提供坯料

-将坯料冲压成后纵梁3的形状

-将后纵梁3附接至后保险杠组件5

-将后纵梁3附接至侧向加强结构11。

附图说明

本发明的其他方面和优点将在阅读通过示例给出并参照附图做出的以下描述后呈现，其中：

-图1是根据本发明的车辆的整体立体图

-图2是根据本发明的后部结构的整体立体图

-图3是根据本发明的左手侧后纵梁的单独立体图

-图4A、图4B和图4C是描绘了根据本发明的车辆使用上述FMVSS301标准化碰撞进行的后部碰撞测试模拟的一系列图。图4A描绘了碰撞发生前的情况，图4B描绘了碰撞后60ms的情况，图4C描绘了碰撞后100ms的情况。

具体实施方式

在下面的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“横向”和“纵向”是根据所安装车辆的通常方向定义的。更具体地，术语“上”和“下”是根据车辆的高度方向定义的，术语“前”、“后”和“纵向”是根据车辆的前/后方向定义的，并且术语“横向”是根据车辆的宽度定义的。通过“大致平行”或“大致垂直”表示可以偏离平行方向或垂直方向不多于15°的方向。

更具体地，术语“断裂应变”和“临界弯曲角”表示由Pascal Dietsch等人在Metallurgical Research Technology(冶金研究技术)，2017年第6期第114卷中的“Methodology to assess fracture during crash simulation:fracture straincriteria and their calibration(碰撞模拟期间评估断裂的方法：断裂应变标准及其校准)”中限定的断裂应变标准和临界弯曲角标准。临界弯曲角限定了在已经根据标准化VDA-238-100标准而变形的样品的拱背上检测到第一个裂纹的角度。断裂应变是在已经达到临界弯曲角时于材料内在变形点处的相关联的等效应变。

屈服强度、极限拉伸强度以及均匀延伸率和总延伸率根据2009年10月出版的ISO标准ISO 6892-1进行测量。

部件或部件的一部分的平均厚度是用于制造所述部件的板材的相应区域的厚度。

术语“受控屈曲”表示承受压缩载荷的部件的变形模式，其中，该部件通过该部件的连续局部屈曲变形而形成一系列连续波来逐渐吸收压缩载荷的机械能。因此，该部件的在变形之后沿压缩载荷的方向测量的长度小于该部件的沿所述方向的初始长度。换句话说，当部件通过受控屈曲对压缩载荷做出反应时，该部件以与在瓶的顶部与底部之间施加了压缩载荷的塑料瓶的相同的方式折叠到自身上。

参照图1和图2，对用于电动车辆2的后部结构1进行描述。后部结构1至少包括两个后纵梁3和后保险杠组件5。后保险杠组件5例如包括后保险杠梁7和两个后碰撞盒9。后纵梁3在其后端部处例如通过焊接连接至后保险杠组件5。后纵梁3还在其前端部处、在车辆两侧上附接至车辆侧向加强结构11。

在特定实施方式中，后部结构1还包括在两个后纵梁3之间沿着大致横向方向延伸的防侵入横向构件13。

在特定实施方式中，电动车辆2包括靠近车辆的后部位于防侵入横向构件13后面的电动发动机15。

电动车辆2还包括位于地板面板19下方的电池组17。所述电池组17用于储存电能，该电能将通过电动发动机或多个电动发动机为车辆提供动力。

参照图1和图3，每个后纵梁3至少包括：

-后部部分20，后部部分20基本上在与后保险杠组件5相同的高度处沿纵向方向延伸并且在后部部分20的后端部处附接至后保险杠组件5。在特定实施方式中，后部部分20配备有几何变化部25，几何变化部25被设计成局部地改变后部部分20的横截面，从而在后部部分20的压缩载荷的情况下充当机械触发部。因为几何变化部25与后部部分20的其余部分具有不同的截面，因此，在几何变化部的横截面比后部部分20的主体更小的情况下，几何变化部将先于后部部分20的主体通过屈曲而变形，或者在几何变化部的横截面比后部部分20的主体更大的情况下，几何变化部将迫使屈曲变形发生在两个几何变化部之间。有利的是，通过沿着后部部分20的长度安置若干个这样的几何变化部25，可以在碰撞的情况下促进变形的受控屈曲模式，并且控制后部部分20的受控屈曲的确切行为。应当注意的是，这种几何变化部通过延伸可以包括后部部分20内的其中材料已经沿着部分横截面被去除的区域。在横截面内的这种孔的存在将局部减少横截面，并且因此作为优选发生屈曲的区域。

-前部部分24，前部部分24基本上在比后部部分20更低的高度处沿纵向方向延伸并且附接至车辆侧向加强结构11，

-过渡区22，过渡区22至少包括上弯曲部21和下弯曲部23，所述上弯曲部21是将后部部分20的前部联结至后纵梁3的其余部分的拐折区域，并且所述下弯曲部23是将前部部分24的后部联结至后纵梁3的其余部分的拐折区域。过渡区22由其后端上的上弯曲部21和其前端上的下弯曲部23定界。所述弯曲部21、23的存在使得后纵梁3能够包括在不同高度处沿纵向方向延伸的两个不同的水平部分、即后部部分20和前部部分24。

前部部分24例如通过点焊而附接至侧向加强结构11。例如，后部部分24附接至侧梁或C柱下部，这两者都是侧向加强结构11的部分。这种附接例如可以通过点焊到后部部分24的以下平坦表面中的一者上来实现：凸缘26、竖向壁28或底壁30。

制造过渡区22的材料的断裂应变为至少0.6且临界弯曲角为至少75°。这确保了上弯曲部21和下弯曲部23将在碰撞期间弯曲和变形，从而确保在不断裂的情况下的最大能量吸收，这将在后面进行详细描述。

制造过渡区22的材料是这样的，即过渡区22的极限拉伸强度与平均厚度的乘积被包括在后部部分20的极限拉伸强度与平均厚度的乘积的1倍与1.5倍之间。材料的极限拉伸强度与平均厚度的乘积是该材料在给定载荷下变形倾向的量度。该乘积越大，材料越不容易变形。本发明的设计确保了，一旦后部部分20完全变形，过渡区22将接管后纵梁3中的能量吸收作用，这将在后面进行详述。

让我们更仔细地观察在发生后部碰撞、比如FMVSS301标准化碰撞的情况下的事件顺序，如图4A、图4B和图4C所示：

-图4A描绘了在可移动的可变形障碍物撞击后部结构之前的后部结构。在附图上描绘出了将由可移动的可变形障碍物施加的冲击力F。冲击力F具有纵向方向并且将自身作用在车辆的宽度的70％上：车辆的左手侧完全被障碍物覆盖，而车辆的右手侧的30％不受障碍物的冲击。

-如图4B所描绘的，障碍物首先冲击后保险杠梁7，后保险杠梁7将冲击力F传递至碰撞盒9，碰撞盒9通过受控的屈曲而变形并且碰撞盒9自身将冲击力F传递至后纵梁3。由于靠近车辆的左手侧重叠了70％，因此左手侧后纵梁3比右手侧后纵梁3更容易陷入碰撞情境。后纵梁3在后部碰撞事件中的关键作用在该阶段很明显。由冲击产生的冲击力F首先传递至后部部分20，后部部分20将通过受控的屈曲变形，从而通过机械变形吸收部分冲击能量。

-如图4C所描绘的，一旦后部部分20被完全压坏，那么过渡区22受到冲击力F的压力。因为前部部分24附接至侧向加强结构11，所以前部部分24在后部碰撞期间不会移动。这产生了对冲击力F的反作用力R。因此，过渡区22受到冲击力F和反作用力R的综合作用，从而基本上纵向地将冲击力F和反作用力R施加在相反的方向上和两个不同的高度处。冲击力F遵循后部部分20的高度，并且反作用力R遵循前部部分24的高度。在F和R的综合作用下，过渡区22在应力集中最高的区域、即上弯曲部21和下弯曲部23中变形。F和R的综合作用在上弯曲部21和下弯曲部23中产生弯矩，这引起在这些区域中的弯曲变形，从而将碰撞的大量能量吸收。

应当注意的是，前部部分24在碰撞期间没有明显变形，因为前部部分24附接至侧向加强结构11的元件。这确保了位于后纵梁3的每个后纵梁的前部部分24之间的空间在后部碰撞期间不会被侵入。因此，可以在该空间中设置敏感元件、比方说例如电池组17的后端部，该电池组17的后端部因此可以延伸直至后地板面板的后端部。电池组17越大，可以存储的能量越多，并且因此车辆的里程越长，这是设计电动车辆中的关键点。通过保证每个后纵梁3的前部部分24之间的防侵入区域，本发明允许设计延伸直至后地板面板的后端部的长的电池组17。

因为过渡区22的最小断裂应变为0.6且临界弯曲角为至少75°，所以上弯曲部21和下弯曲部23在F和R的综合作用下不会断裂，而是会变形。如果过渡区22的最小断裂应变和临界弯曲角太小，那么在上弯曲部和下弯曲部中将会迅速出现裂纹，随后部件会发生灾难性故障。这将导致过低的碰撞能量吸收并且可能造成对于乘客的关键安全问题以及对于电池组的损坏。

如前所述，过渡区22的极限拉伸强度与平均厚度的乘积至少等于或大于后部部分20的极限拉伸强度与平均厚度的乘积。这允许控制后纵梁3内的变形的顺序，从而确保后部部分20首先通过受控屈曲变形，然后才开始过渡区22的变形顺序。在后部部分20还装备有几何变化部25的特定实施方式中，后部部分20在压缩载荷下将具有甚至更大的变形倾向，这将增加碰撞期间事件顺序的稳健性。

如上所述的确保后纵梁3的行为在碰撞期间遵循预定的变形顺序对于车辆设计者来说是重要的。事实上，设计者因此能够预测发生了什么并据此进行规划，以确保对乘客和车辆的关键部件的最佳保护。

如前所述，过渡区22的极限拉伸强度与平均厚度的乘积不大于后部部分20的极限拉伸强度与平均厚度的乘积的1.5倍。实际上，如果过渡区22过于刚性并且在碰撞的冲击下不容易变形，那么过渡区22将充当防侵入区，而不会显著变形。这将极大地减少由后纵梁3所吸收的能量，从而增加由于碰撞传递的动能，这也可能使车辆的乘客和周围车辆的乘客处于危险之中。

在特定实施方式中，制造后纵梁3的材料具有至少700MPa的极限拉伸强度。有利的是，这保证了后纵梁3的结构稳定性，并且还确保了后纵梁3在碰撞期间变形时将吸收大量能量。

在特定实施方式中，后纵梁3的至少部分通过对在热冲压后具有至少1000MPa的拉伸强度的材料进行热冲压而制成。有利的是，热冲压技术的使用能够生产出在成形后具有高阻力且没有回弹问题的复杂形状。此外，在最终部件上使用机械阻力大于1000MPa的高强度材料确保了碰撞期间的高能量吸收。

例如，上面提到的压制-硬化钢按重量％计包含：0.20％≤C≤0.25％，1.1％≤Mn≤1.4％，0.15％≤Si≤0.35％，≤Cr≤0.30％，0.020％≤Ti≤0.060％，0.020％≤Al≤0.060％，S≤0.005％，P≤0.025％，0.002％≤B≤0.004％，剩余部分为铁和由加工产生的不可避免的杂质。

在特定实施方式中，后纵梁3的至少部分通过对具有至少950MPa的拉伸强度的材料进行冷冲压而制成。有利的是，在最终部件上使用机械阻力大于950MPa的高强度材料确保了碰撞期间的高能量吸收。此外，使用冷冲压而不是前面实施方式中提到的热冲压可以降低制造成本。

例如，后纵梁3通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.13％<C<0.25％，2.0％<Mn<3.0％，1.2％<Si<2.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.22％<Si+Al<2.5％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，Ti<0.05％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：8％与15％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体，其中，马氏体与贝氏体分数的总和在70％与92％之间。

在另一示例中，后纵梁3通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.15％<C<0.25％，1.4％<Mn<2.6％，0.6％<Si<1.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.0％<Si+Al<2.4％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：10％与20％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体。

根据特定实施方式，后纵梁3通过对定制焊接坯料进行冲压而制成。定制焊接坯料可以由不同厚度和强度水平的材料制成以用于冷冲压。替代性地，定制焊接坯料可以由不同厚度和强度水平的材料制成以用于热冲压。有利的是，使用不同的等级和厚度允许设计者有更大的灵活性来优化零件的性能和重量。此外，通过在后部部分20中施用下述材料使得能够进一步控制后纵梁3的变形顺序：所述材料使得极限拉伸强度乘以平均厚度小于过渡区22的极限拉伸强度乘以平均厚度。如上所述，这将迫使后部部分20在后部碰撞的情况下首先变形。

根据特定实施方式，后纵梁3通过对定制轧制坯料进行冲压而制成。这提供了与前面解释的定制焊接坯料的情况类似的优点。例如，后部部分20将由平均厚度低于过渡区22的材料制成。

在特定实施方式中，后纵梁3由平均厚度包括在0.8mm与2.0mm之间的材料制成。例如，后纵梁3通过对定制焊接坯料进行热冲压而制成，该定制焊接坯料具有对应于前部部分24和过渡区22的第一部分以及对应于后纵梁3的后部部分20的第二部分，第一部分包括平均厚度为1.1mm且热冲压后极限拉伸强度高于1000MPa的材料，第二部分具有平均厚度为0.9mm且热冲压后极限拉伸强度高于1000MPa的材料。

现在将对用于制造上述后部结构的方法进行描述。该方法包括以下步骤：

-提供坯料

-将坯料冲压成后纵梁3的形状

-将后纵梁3附接至后保险杠组件5

-将后纵梁3附接至侧向加强结构11。

Claims (8)

1.一种用于电动车辆(2)的后部结构(1)，所述后部结构(1)至少包括两个后纵梁(3)，每个后纵梁至少包括：

-后部部分(20)，所述后部部分(20)基本上在与后保险杠组件(5)相同的高度处沿纵向方向延伸并且在所述后部部分的后端部处附接至所述后保险杠组件(5)，

-前部部分(24)，所述前部部分(24)基本上在比所述后部部分(20)更低的高度处沿纵向方向延伸并且附接至车辆侧向加强结构(11)，

-过渡区(22)，所述过渡区(22)至少包括将所述后部部分(20)和所述前部部分(24)联结的上弯曲部(21)和下弯曲部(23)，

其中，所述过渡区(22)的极限拉伸强度与平均厚度的乘积被包括在所述后部部分(20)的极限拉伸强度与平均厚度的乘积的1倍与1.5倍之间，其中，所述过渡区(22)由断裂应变为至少0.6且临界弯曲角为至少75°的材料制成，并且其中，所述后纵梁(3)通过对在热冲压后的拉伸强度为至少1000MPa的材料进行热冲压而制成。

2.根据权利要求1所述的后部结构(1)，其中，所述后部部分(20)配备有至少一个几何变化部(25)，所述至少一个几何变化部(25)局部地改变所述后部部分的横截面。

3.根据权利要求1所述的后部结构(1)，其中，压制-硬化钢的成分按重量％计包含：

0.20％≤C≤0.25％，1.1％≤Mn≤1.4％，0.15％≤Si≤0.35％，Cr≤0.30％，0.020％≤Ti≤0.060％，0.020％≤Al≤0.060％，S≤0.005％，P≤0.025％，0.002％≤B≤0.004％，剩余部分为铁和由加工产生的不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的后部结构(1)，其中，所述后纵梁(3)的至少部分通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.13％<C<0.25％，2.0％<Mn<3.0％，1.2％<Si<2.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.22％<Si+Al<2.5％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，Ti<0.05％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：8％与15％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体，其中，马氏体与贝氏体分数的总和在70％与92％之间。

5.根据权利要求1所述的后部结构(1)，其中，所述后纵梁(3)的至少部分通过对具有以重量％计包括下述各者的化学组成的材料进行冷冲压而制成：0.15％<C<0.25％，1.4％<Mn<2.6％，0.6％<Si<1.5％，0.02％<Al<1.0％，其中，1.0％<Si+Al<2.4％，Nb<0.05％，Cr<0.5％，Mo<0.5％，其余部分为Fe和不可避免的杂质并且具有包括下述各者的显微组织：10％与20％之间的残余奥氏体；其余为铁素体、马氏体和贝氏体。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的后部结构(1)，其中，所述后纵梁(3)通过对定制焊接坯料进行冲压而形成。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的后部结构(1)，其中，所述后纵梁(3)通过对定制轧制坯料进行冲压而形成。

8.一种用以制造根据权利要求1至7中的任一项所述的后部结构(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供坯料

-将所述坯料冲压成所述后纵梁(3)的形状

-将所述后纵梁(3)附接至所述后保险杠组件(5)

-将所述后纵梁(3)附接至所述侧向加强结构(11)。