某乘用車刮水器行人保護結構的優化設計

寇青林，王宜海，張鐵凱，張 勇

（1.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.南通友星線束有限公司，江蘇 南通 226009）

汽車行人保護標準，是一項基于保護行人安全的汽車技術標準。C-NCAP是China-New Car Assessment Program（中國新車評價規程）的縮寫。C-NCAP是將在市場上購買的新車型按相關要求進行碰撞安全性能測試，評價結果按星級劃分并公開發布，旨在給消費者系統、客觀的車輛信息，促使企業按照更高的安全標準開發和生產，從而有效減少道路交通事故的傷害及損失。

C-NCAP要求對一種車型進行車輛速度50km／h對剛性固定壁障100%重疊率的正面碰撞、車輛速度64 km／h對可變形壁障40%重疊率的正面偏置碰撞、可變形移動壁障速度50 km／h與車輛的側面碰撞等3種碰撞試驗，根據試驗數據計算各項試驗得分和總分，由總分多少確定星級。評分規則非常細致嚴格，最高得分為51分，星級最低為1星級，最高為5+。

考慮到C-NCAP法規的要求，目前新車型的研發階段就要考慮整車對行人的傷害值。在汽車與行人碰撞過程中，行人的頭部會撞擊到發動機艙與前風窗玻璃之間的刮水器輸出軸，若該輸出軸非常堅硬，就會刺進被撞行人的頭部，從而造成嚴重傷害，C-NCAP會依據該傷害進行扣分。刮水器輸出軸在碰撞時對行人的傷害和如何優化輸出軸結構減輕傷害是本文研究的重點。

1 模型的建立和行人保護頭型試驗

本文就兒童頭部的模型碰撞進行分析，具體參考C-NCAP要求，在兒童頭部的碰撞區域內選取21個點進行硬點傷害值分析。

1.1 碰撞模型的建立

頭部模型如圖1所示，它的參數如下：①直徑為165±1 mm， 質量為3.5±0.07 kg； ②慣性矩0.008~0.012kgm2；③質心 （頭型幾何中心）偏差在±2mm內；④球體皮膚14±0.5 mm厚；⑤覆蓋面積至少為球體的一半。

圖2為頭部模型與整車前艙機蓋做碰撞時的示意圖。

1.1.1 碰撞區域的劃分和傷害值的要求

按照法規要求選取發動機罩WAD1000到WAD1700（WAD： 包絡線）的區域進行兒童頭部分析，選取WAD1700到發動機后參考線區域進行成人頭部碰撞分析，按照標準進行劃分時發動機后參考線在WAD1700前端，所以無成人頭部碰撞區域，碰撞區域劃分如圖3所示。

法規要求2／3測試區域內傷害值HIC<1700（HIC：頭部傷害指標），1／2兒童頭部測試區域傷害值HIC<1000。

1.1.2 碰撞區域碰撞點的選取

選點原則：通過斷面比對，選擇發動機罩沿著碰撞方向有可能與發動機艙硬點接觸的點及危險點作為分析的參考點，選取點如圖4所示。

由圖4可知，刮水器的兩個輸出軸已經作為危險點被選在了測試范圍內，分別為C13和C19。選取的各個測試硬點坐標見表1。后面將會對這選取的21個硬點進行傷害值的模擬測試。

1.2 硬點的傷害值測試

通過對選取的測試點進行模擬仿真，就可以得出各個測試點的傷害值曲線圖，如圖5所示。

以JAC正在研發的某車型為例，如果采用傳統的刮水器輸出軸 （非潰縮結構），兩個輸出軸的傷害值分別為：C13的HIC=3 481，C19的HIC=1 816，都不能滿足法規規定的HIC小于1700的要求。

表1 選取的硬點坐標圖

由圖6可知，在選取的21個硬點中，刮水器輸出軸的硬點傷害值不能滿足行人保護的法規要求，下面就對這兩個硬點的結構斷面進行分析。

1.3 輸出軸的傷害值分析

由圖7可知，刮水器輸出軸的硬點傷害值過大，是由于碰撞時輸出軸對頭部模型有了一定的入侵量，而且硬點不會出現潰縮和斷裂。所以為了滿足法規的需求，需要對刮水器輸出軸的結構進行優化設計。

2 刮水器潰縮結構設計

刮水器常用的潰縮結構是弱化輸出軸的結構，目的是在刮水器輸出軸受到一定外力的情況下刮水器輸出軸硬點能夠向下潰縮，降低兩個輸出軸對行人頭部的傷害。

2.1 速度螺母的結構

將速度螺母設計成輸出軸在一定壓力下可以下沉，這個壓力低于5.5 kN，具體是沿軸向的分力達到2.7±0.5 kN左右，輸出軸的速度螺母斷裂，輸出軸即會下沉，和軸承座斷裂可以起到一樣的行人保護效果。

如圖8所示，速度螺母是刮水器輸出軸的限位機構。當刮水器正常工作時，速度螺母可以滿足輸出軸的正常轉動而不會出現脫落。當在輸出軸施加外力時，結構弱化過的速度螺母就會斷裂，輸出軸會在瞬間向下移動。

2.2 速度螺母的設計

速度螺母的設計要點要能夠滿足兩個條件，即在5.5kN的外力作用下，刮水器輸出軸在要求的時間內，向下潰縮的位移量能夠滿足傷害值HIC小于1 700。基于以上的要求，速度螺母的設計要求如下：①速度螺母能夠在要求的外力2.7 kN壓力下發生脫離，輸出軸受力和速度螺母的水平位移曲線圖如圖9所示；②速度螺母能夠滿足刮水器的正常功能和可靠性指標。

2.3 速度螺母的脫離測試

測試目的：驗證速度螺母能否滿足2.2節所述的設計要求，即速度螺母能否在規定的時間和外力下脫離輸出軸，保證輸出軸硬點能夠下移。

2.3.1 測試的條件

1）環境條件 測試溫度：TU=TR=23±5℃；濕度：30%~80%。

2）測試工具 拉壓試驗機和測試夾具，如圖10所示。

2.3.2 測試的方法

1）測試準備：把夾具安裝在拉壓試驗機上，調整夾具，并把樞軸放置在拉壓試驗機傳感器測頭正中央，同時確保傳感器測頭與樞軸垂直。速度螺母的測試試驗臺如圖11所示。

2）測試過程：運行拉壓試驗機壓樞軸直到速度卡簧脫離樞軸，檢查樞軸套并記錄速度卡簧脫離時拉壓試驗機施加的壓力。

3）測試結果：樞軸套不能出現損壞、裂痕或者變形，速度卡簧脫離時的壓力應該滿足刮水器系統設計要求。

3 方案的結果驗證

通過以上的優化改進后，該方案的設計驗證結果如圖12和圖13所示。

在2.7kN的外力作用下，副刮硬點C13的傷害值HIC由改進前的3481降為改進后的1199，主刮硬點C19的傷害值HIC由改進前的1 816降為改進后的848，都能滿足法規HIC＜1700的要求。

4 結論

通過對行人保護法規校核方法的分析研究，對不滿足行人保護法規的刮水器輸出軸結構做了潰縮處理，并對核心部件的設計和測試進行了說明。再對改進后的刮水器輸出軸做了傷害值校核，此種潰縮結構可以滿足行人保護法規的設計要求。

［1］李向榮.汽車發動機罩兒童行人保護安全性仿真研究［J］.汽車工程，2010（1）：56-59.

［2］孔美東.車載雨刮智能控制系統［J］.電工電氣，2009（12）：31-33. （編輯李 翩）