CN114340980A - 用于电动车辆的前部结构 - Google Patents

Abstract

一种用于电动车辆的前部结构，该前部结构包括下仪表板、座椅横向构件和通道鼻部，使得通道鼻部设计成以其后部部分抵抗侵入的同时以其前部部分吸收能量，从而优化在正面碰撞期间该部分中的能量吸收并且防止电池组因下仪表板的向下推动影响而受到破坏。

Description

用于电动车辆的前部结构

技术领域

本发明涉及用于具有电动动力系的机动车辆的前部结构，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前部结构的方法。

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***。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。

这些显著的差异正在引起机动车辆的全球架构的变化。电动车辆的设计必须适应新的动力系，并且必须利用由于较小的发动机以及没有排气***和油箱而提供的额外空间。另一方面，电动车辆还需要考虑新的要求、比如电池组的额外重量，并且需要在发生事故的情况下对电池组进行保护。

在内燃发动机上，客舱的底部结构包括通道，该通道容纳位于地板面板下方的排气***。通道在前座椅之间延伸，并且穿过后地板面板的中间。通道通过通常被称为鼻部的前部部分连接至下仪表板结构，鼻部向上弯曲成适应于发动机舱中的排气歧管的形状。

在电动车辆的情况下，没有排气***意味着不需要这样的通道。然而，令人关注的是，保留通道的一部分、即前部部分或鼻部，以便适于为位于地板面板下方的与电池组相关的设备腾出空间。例如，将电力管理***容纳在通道鼻部中可能是令人关注的。此外，通道鼻部可以为电力管理***和电池组本身提供接入点，这是与电池组相关联的安全要求之一。

车辆的前部结构必须能够通过吸收车辆结构内的能量并通过保证在车辆乘员占据的关键区域内不会发生侵入来承受正面碰撞。在电动车辆的情况下，对电池组在发生碰撞的情况下的性能提出了进一步的要求。事实上，如果电池组受到破坏，危险的化学物质可能会从电池单元中释放出来，从而造成健康和火灾隐患。

一种此类正面碰撞测试是联邦机动车辆安全标准208(FMVSS 208)，其中，车辆以56km/h的速度撞击横跨车辆的整个宽度的刚性障碍物。

上述独立的通道鼻部的存在对正面碰撞期间电池组的完整性提出了问题。事实上，通道鼻部所附接至的下仪表板在正面碰撞期间会具有将鼻部向下推动的趋势。这主要是因为下仪表板相对于竖向方向倾斜，其中，下仪表板的顶部比下仪表板的底部更靠近车辆的前部。在碰撞的影响下，前部碰撞管理***将倾向于向前推动下仪表板的上部部分，从而将下仪表板调整为采取竖向方向。这又具有将鼻部的后部朝向电池组向下推动的影响，这可能导致电池组的灾难性破裂，并且对乘客和救援队的安全带来严重的其他问题。

发明内容

本发明的目的之一是通过提出下述设计来克服这些限制：该设计在优化通道鼻部的能量吸收能力的同时确保通道鼻部不会被朝向电池组向下推动。

为此，本发明涉及用于电动车辆的前部结构，该前部结构包括下仪表板、座椅横向构件和通道鼻部，座椅横向构件沿大致横向方向延伸并且在任一端部处附接至车辆的侧向加强结构，通道鼻部包括：

-前部部分，该前部部分至少附接至下仪表板，

-后部部分，该后部部分至少附接至座椅横向构件，其中，后部部分的极限拉伸强度与平均厚度的乘积大于或等于前部部分的极限拉伸强度与平均厚度的乘积，并且其中，前部部分由断裂应变为至少0.6和临界弯区角为至少75°的材料制成。

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。

通过应用上述发明，可以在正面碰撞期间控制通道鼻部的变形，从而避免损坏电池组。所描述的发明还允许通过为前部部分赋予能量吸收的作用来优化被吸收的能量的量。

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

-制造通道鼻部的材料在部分上的极限拉伸强度为至少700MPa。

-前部部分配备有至少一个几何变化部，所述至少一个几何变化部局部地改变前部部分的横截面。

-通道鼻部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。

-前述压制-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。

-通道鼻部的至少部分通过对拉伸强度为至少950MPa的材料进行冷冲压制成。

-通道鼻部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。

-通道鼻部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。

-通道鼻部通过对定制焊接坯料进行冲压而形成。

-通道鼻部通过对定制轧制坯料进行冲压而形成。

本发明还涉及用于制造前述后部结构1的方法，该方法包括以下步骤：

-提供坯料

-将坯料冲压成通道鼻部的形状

-将通道鼻部附接至下仪表板

-将通道鼻部附接至座椅横向构件。

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是根据本发明的前部结构的整体立体图

-图3是根据本发明的通道鼻部的单独立体图

-图4A和图4B描绘了根据本发明的车辆使用上述FMVSS 208标准化碰撞的后部碰撞测试模拟。图4A描绘了碰撞发生前的情况，图4B描绘了碰撞后100ms的情况。每个附图由从客舱的前部拍摄的俯视图和立体图组成。

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，该部件通过因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作出反应时，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相同的方式折叠到自身上。

参照图1和图2，对具有电池组2的电动车辆16的前部结构1进行描述，电池组2位于客舱5的地板面板4下方。前部结构1至少包括：

-下仪表板3，下仪表板3将客舱5和前发动机舱7分隔，

-座椅横向构件9，座椅横向构件9在大致横向方向上延伸，并且在任一端部处附接至车辆的侧向加强结构13，

-通道鼻部15，通道鼻部15基本上位于客舱5在宽度方向上的中部。

前部结构1在车辆的任一侧上连接至侧向加强结构17。侧向加强结构17包括例如以下元件：沿着车身的底部纵向延伸的侧梁8；位于前门的前部处的前柱或A柱10，前门的下部部分连接至侧梁8且上部部分延伸直至车顶；位于前门与后门之间的中柱或B柱12；以及位于后门后面的后柱或C柱14。

下仪表板3是在客舱5的下部前端处封闭客舱5的大面板。下仪表板在其两侧连接至侧向加强结构17并且在其底端部处连接至地板面板4的前端部。下仪表板通常具有用于驾驶员所用的转向柱或踏板的若干个孔6。下仪表板的主要功能是将客舱5与发动机舱7分隔，并且因此在正面碰撞的情况下不具有主要的结构作用。下仪表板通常由软材料制成，能够变形为车辆设计者对该部件所要求的复杂形状，并且具有较低的平均厚度，从而不加重车辆的总重量。例如，下仪表板3由设计成进行深冲压的钢制成，其具有包括在0.5mm与0.9mm之间的平均厚度以及低于350MPa的极限拉伸强度。

下仪表板3与竖向面板相比通常是倾斜的，下仪表板3的底部部分比下仪表板3的顶部部分更靠后。这是由于发动机舱7的一般形状并且由于底盘在车辆的下部前部部分中的机械元件的需要。

座椅横向构件9是设计成增强车辆的整体刚性并为侧向加强结构17提供支撑的结构部件。在图2所描绘的特定实施方式中，座椅横向构件9具有带有两个侧壁和一个顶壁的U形形状的横截面。也可以设计管状座椅横向构件9或任何其他被认为适合座椅横向构件9的功能的形状。

在特定实施方式中，座椅横向构件9附接至地板面板4。例如，如图2中描绘的，座椅横向构件9通过将座椅横向构件9焊接在地板面板4的顶部上而被附接。

在发生侧向碰撞的情况下，座椅横向构件9用作防侵入部件，从而保护驾驶员和乘客免受冲击物的侵入。因此，座椅横向构件通常使用非常高强度的钢制造，座椅横向构件当安装在车辆上时不需要表现出高延展性，因为并不期望座椅横向构件在冲击作用下通过变形来吸收能量，而是期望座椅横向构件尽可能地保持其形状和长度。例如，座椅横向构件由具有极限拉伸强度高于1800MPa的材料制成，并且在成形前具有包括在1.3mm与2.0mm之间的材料平均厚度。

座椅横向构件9在车辆的任一侧上附接至侧向加强结构17。例如，座椅横向构件9通过点焊附接至侧向加强结构17。例如，座椅横向构件9通过将座椅横向构件9焊接到侧梁8上而附接至侧向加强结构17。

参照图2和图3，通道鼻部15具有两个侧壁30和一个顶壁32。由通道鼻部15的内部界定的内部容积可以例如用于容纳电池组2的电力管理***。在特定实施方式中，通道具有孔18，例如位于顶壁32内的孔18，以用于接近容纳在内部容积内的元件。通道鼻部15至少包括前部部分21和后部部分23。前部部分21至少附接至下仪表板3、例如通过将通道鼻部15的凸缘25焊接到下仪表板3上而附接至下仪表板3。后部部分23至少附接至座椅横向构件9、例如通过将后部部分的凸缘27焊接到座椅横向构件9上而附接至座椅横向构件9。

通道鼻部15被设计成使得后部部分23的极限拉伸强度与平均厚度的乘积大于或等于前部部分21的极限拉伸强度与平均厚度的乘积。该乘积反映了载荷下的变形能力。因为后部部分23上的变形能力大于或等于前部部分21上的变形能力，所以当部件承受载荷、例如在两个端部上施加压缩载荷时，前部部分21将具有先于后部部分23变形的趋势。通道鼻部15也被设计成使得前部部分21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。这允许前部部分21在正面碰撞期间变形而不断裂，这将在下面进一步详细描述。

在特定实施方式中，通道鼻部15在前部部分21和/或后部部分23的部分上还附接至地板面板4。例如，通道鼻部15通过将凸缘25点焊至地板面板4而被附接。

在正面碰撞、例如由前面描述的标准化碰撞测试FMVSS 208模拟的正面碰撞的情况下，冲击力将首先具有将发动机舱7压缩的影响，如图4B中所描绘。由此被压缩的发动机舱7然后将其载荷施加到下仪表板3上，该下仪表板3将变形，如图4B所示。载荷也将传递至通道鼻部15。因为前部部分21具有先于后部部分23变形的趋势，如先前所解释，因此前部部分21将由于被传递的冲击力而变形。更准确地，被传递的冲击力F将被由座椅横向构件9施加的反作用力R抵消，如图4中所描绘。在由机械力F和R的联合作用产生的压缩载荷下，前部部分21将通过折叠到自身上而变形，从而机械地吸收来自碰撞的大量能量。这有助于前部结构的整体能量吸收，这起到保护车辆乘员以及电池组2的作用。

此外，前部部分21通过折叠到自身上而防止后部部分23在传递的冲击力的作用下移动，这防止后部部分23突入到位于通道鼻部15下方的电池组2中。

在图3、图4A和图4B中描绘的特定实施方式中，前部部分21配备有几何变化部22。所述几何变化部局部地改变前部部分21的横截面，并且因此充当用于在压缩载荷下变形的触发部。有利的是，这允许车辆设计者对在压缩载荷下开始变形的位置进行控制。

在图3中描绘的特定实施方式中，后部部分23在其后端处包括台阶部29，该台阶部设计成适应后部横向构件9的形状。实际上，因为地板面板4下方的容积通常由电池组2占据，所以设计有位于地板面板4的上方的座椅横向构件9是有利的。在这种情况下，有利的是，在后部部分23的后端处包括台阶部29，该台阶部具有与座椅横向构件9的形状互补的形状。这将允许使后部部分23与座椅横向构件9之间的附接表面最大化，并且这还将增加支撑和阻力效果，以在正面碰撞期间通过阻力R来抵消传递的冲击力F。

在特定实施方式中，制造通道鼻部15的材料具有至少700MPa的极限拉伸强度。有利的是，这保证了通道鼻部15的结构稳定性，并且还确保了在碰撞期间通道鼻部15在变形时将吸收大量能量。

在特定实施方式中，通道鼻部15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并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，通道鼻部15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，通道鼻部15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，通道鼻部15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，通道鼻部15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平均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平均厚度和强度水平的材料制成以用于热冲压。有利的是，使用不同的等级和平均厚度允许设计者更灵活地优化部件的性能和重量。例如，前部部分21由平均厚度和/或极限拉伸强度低于后部部分23的材料制成。

根据特定实施方式，通道鼻部15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，前部部分21将由平均厚度低于后部部分23的材料制成。

在特定实施方式中，通道鼻部15由平均厚度包括在0.8mm与2.0mm之间的材料制成。例如，通道鼻部15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21的第一部分和对应于后部部分23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1500MPa的材料。可以验证的是，后部部分23的极限拉伸强度与平均厚度的乘积即1200MPa·mm高于前部部分21的极限拉伸强度与平均厚度的乘积即1100MPa·mm。

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

-将坯料冲压成通道鼻部的形状

-将通道鼻部附接至下仪表板

-将通道鼻部附接至座椅横向构件。

Claims (11)

1.一种用于电动车辆(2)的前部结构(1)，所述前部结构(1)包括下仪表板(3)、座椅横向构件(9)和通道鼻部(15)，所述下仪表板(3)将乘客舱(5)和前发动机舱(7)分隔，所述座椅横向构件(9)沿大致横向方向延伸并且在任一端部处附接至侧向加强结构(17)，所述通道鼻部(15)包括：

-前部部分(21)，所述前部部分(21)至少附接至所述下仪表板(3)，

-后部部分(23)，所述后部部分(23)至少附接至所述座椅横向构件(9)，

其中，所述后部部分(23)的极限拉伸强度与平均厚度的乘积大于或等于所述前部部分(21)的极限拉伸强度与平均厚度的乘积，并且其中，所述前部部分(21)由断裂应变为至少0.6和临界弯曲角为至少75°的材料制成。

2.根据权利要求1所述的前部结构(1)，其中，制造所述通道鼻部(15)的材料在部分上的极限拉伸强度为至少700MPa。

3.根据权利要求1或2所述的前部结构(1)，其中，所述前部部分(21)配备有至少一个几何变化部(22)，所述至少一个几何变化部(22)局部地改变所述前部部分的横截面。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)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。

5.根据权利要求4所述的前部结构(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。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)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。

7.根据权利要求6所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)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。

8.根据权利要求6所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)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。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)通过对定制焊接坯料进行冲压而形成。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的前部结构(1)，其中，所述通道鼻部(15)通过对定制轧制坯料进行冲压而形成。

11.一种用以制造根据权利要求1至10中的任一项所述的前部结构(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通道鼻部(15)的形状

-将所述通道鼻部附接至所述下仪表板(3)

-将所述通道鼻部附接至所述座椅横向构件(9)。

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