乘用車前后保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

宋小寧 錢鈞 李利瓊

（安徽江淮汽車股份有限公司）

汽車前后端保護(hù)裝置是整車重要組成部分，碰撞發(fā)生時(shí)，能充分吸收碰撞能量，減輕乘員所受傷害，減小車體變形[1]。傳統(tǒng)的通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方法往往會(huì)影響到整車開發(fā)周期，文章重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法、要點(diǎn)及借助于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)階段的校核分析。并通過某款車進(jìn)行驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法合理有效，且滿足整車性能要求。

1 前后保護(hù)裝置組成

乘用車前后保護(hù)裝置組成，如圖1所示。

保險(xiǎn)杠總成布置在整車最外表面，是發(fā)生低速碰撞時(shí)最先易受損部件，為了降低保險(xiǎn)杠碰撞受損程度，在保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)需布置吸能墊。防撞梁總成固定在整車縱梁上，兩側(cè)吸能盒可有效吸收低速碰撞時(shí)的能量。3個(gè)部件構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，在發(fā)生低速碰撞時(shí)，能有效吸收碰撞能量，保護(hù)車輛。各部件之間布置結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2 前后保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

整車前后保護(hù)裝置設(shè)計(jì)要確保低速碰撞時(shí)能有效吸收能量，一方面要合理選擇各部件材料，另一方面要根據(jù)相關(guān)汽車法律法規(guī)的要求，進(jìn)行各零部件的合理布置，盡可能增大文獻(xiàn)[2]所描述的安全距離，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析。

2.1 前后保護(hù)裝置法規(guī)要求

國(guó)內(nèi)外關(guān)于乘用車前后保護(hù)裝置的法規(guī)項(xiàng)要求，如表1所示。各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)碰撞器尺寸、基準(zhǔn)高度、碰撞速度及碰撞試驗(yàn)等均有明確要求。

表1 乘用車前后保護(hù)裝置法規(guī)要求

2.2 前后保護(hù)裝置材料選擇

保險(xiǎn)杠布置在整車最外表面，低速碰撞時(shí)最易受損，維修頻次也相對(duì)較高，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)材料多選擇成本合理、韌性較好的PP+EPDM改性材料。吸能墊為了有效吸收碰撞能量，多采用EPP發(fā)泡材料，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同車型選擇不同的發(fā)泡倍數(shù)。常用的有30，40，50 g/L。而防撞梁通常根據(jù)車型大小、整車質(zhì)量及防撞梁斷面結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行相應(yīng)的選材。目前主要有普通鋼板、中高強(qiáng)板、鋁合金及聚丙烯增強(qiáng)復(fù)合材料（PP+GF）等。

2.3 前后保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)

以在中國(guó)區(qū)域銷售的某乘用車為例，重點(diǎn)介紹前后保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)。

2.3.1 碰撞器的布置設(shè)計(jì)

碰撞器的布置通常需先確定整車整備質(zhì)量姿態(tài)及加載姿態(tài)的地面線，再根據(jù)GB 17354要求及保險(xiǎn)杠造型來布置整車碰撞器位置，最后進(jìn)行相關(guān)碰撞饋縮空間和CAE分析校核。

按照GB 17354要求，碰撞基準(zhǔn)高度為445 mm（圖3），在此高度上，汽車無論處于整車整備質(zhì)量狀態(tài)或是處于加載試驗(yàn)車質(zhì)量狀態(tài)均具有有效的保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)階段要考慮到實(shí)車試驗(yàn)偏差，碰撞器在整車高度方向的布置，基準(zhǔn)高度一般按照（445±15）mm進(jìn)行相關(guān)校核分析。

按照GB17354規(guī)定，低速碰撞試驗(yàn)包括縱向碰撞試驗(yàn)和車角碰撞試驗(yàn)。正向碰撞試驗(yàn)包括對(duì)汽車正前方的2次碰撞和正后方的2次碰撞。在每個(gè)方向的2次碰撞中，一次是在汽車質(zhì)量為整車整備質(zhì)量時(shí)進(jìn)行的，另一次是在其質(zhì)量為加載試驗(yàn)車質(zhì)量時(shí)進(jìn)行的。在汽車每個(gè)方向的2次碰撞中，第1次碰撞時(shí)，對(duì)碰撞器的位置沒有限制，而第2次碰撞時(shí)，碰撞器的中垂面位置應(yīng)與第1次碰撞時(shí)的位置相距不小于300 mm，并應(yīng)保證這2次碰撞時(shí)，碰撞器的外廓不超越由通過車角并平行于汽車縱向?qū)ΨQ面的2個(gè)平面所限定的區(qū)域[3]。所以設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)整車地面線、保險(xiǎn)杠造型在Y0，Y300及車角處分別布置碰撞器。圖4示出某款乘用車車型碰撞器布置圖。

2.3.2 碰撞饋縮空間校核分析

整車低速碰撞計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算往往需要在整車初版招標(biāo)數(shù)據(jù)完成后才可進(jìn)行，分析結(jié)果如不滿足整車低速碰撞要求，往往會(huì)對(duì)整車造型造成較大的修改，并影響整車開發(fā)進(jìn)度。為了避免此問題，整車造型設(shè)計(jì)階段，碰撞器布置完成后，首先需根據(jù)不同車型對(duì)整車前后端各部件布置空間進(jìn)行充分校核。滿足各主機(jī)廠目標(biāo)要求后再進(jìn)行相關(guān)CAE分析。

按照GB 17354的要求，縱向碰撞試驗(yàn)中汽車的碰撞速度應(yīng)控制在，車角碰撞試驗(yàn)中汽車的碰撞速度應(yīng)控制在，且試驗(yàn)后要求照明和信號(hào)裝置應(yīng)能繼續(xù)正常工作并清晰可見；發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋及車門應(yīng)能正常開閉；汽車的燃料和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無泄漏，不發(fā)生油/水路堵塞，其密封裝置與油/水箱蓋亦應(yīng)能正常工作；汽車的排氣系統(tǒng)不應(yīng)有妨礙其正常工作的損壞或錯(cuò)位[3]。為了滿足以上要求，各零部件布置空間尤顯重要。

每款車型的設(shè)計(jì)，在整車CAE分析之前需進(jìn)行相關(guān)校核，只要滿足以下項(xiàng)目空間要求后，整車低速碰撞性能基本都能滿足，或局部結(jié)構(gòu)微調(diào)后就能滿足要求。避免因?qū)嵻囋囼?yàn)不滿足后再大幅度的設(shè)計(jì)返工。整車設(shè)計(jì)布置階段的空間校核能有效降低整車開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，確保整車性能。

1）前后霧燈面罩與碰撞器間隙。對(duì)于前后霧燈在碰撞區(qū)域內(nèi)的，造型階段就要校核霧燈前端布置空間，建議碰撞器與霧燈最小間隙≥10 mm，如圖5所示。

2）前后霧燈后端饋縮空間。對(duì)于前后霧燈在碰撞區(qū)域內(nèi)的，造型階段就要校核霧燈后端饋縮空間，建議霧燈最小饋縮空間≥40 mm，如圖6所示。

3）前防撞梁與冷凝器Y0處間隙。低速碰撞中為了確保冷凝器功能正常，通常前防撞梁與冷凝器在Y0處要留足夠的饋縮空間，如圖7所示。

4）前防撞梁與冷凝器車角處間隙。按照法規(guī)要求，車角處前防撞梁與冷凝器也要留有充分的空間，如圖8所示。

5）后防撞梁與后圍Y0處間隙。后防撞梁與后圍在Y0處間隙，如圖9所示，建議c≥50 mm。

6）后防撞梁與后圍車角處間隙。后防撞梁與后圍在車角處間隙，如圖10所示，建議d≥20 mm。

2.3.3 防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確保碰撞時(shí)防撞梁能有效吸收能量，防撞梁本體截面中心盡可能與碰撞器2種布置狀態(tài)中心重疊，如圖11所示，提高低速碰撞時(shí)吸能效果。

防撞梁吸能盒在低速碰撞過程中起著非常重要的作用，其截面形狀的設(shè)計(jì)尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用中比較好的結(jié)構(gòu)形式，如表2所示。可根據(jù)不同車型進(jìn)行選擇。而且吸能盒型面多設(shè)計(jì)為波紋狀提高吸能效果。

表2 防撞梁吸能盒截面形式及材料表

2.3.4 前后保護(hù)裝置CAE分析

完成了前后保護(hù)裝置中各零部件空間布置分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需借助于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行分析。根據(jù)法規(guī)要求，應(yīng)分別在汽車整車整備質(zhì)量和加載試驗(yàn)車質(zhì)量2種狀況下對(duì)汽車的前后端保護(hù)裝置各進(jìn)行以下3種條件的碰撞，如圖12所示。首先對(duì)初版招標(biāo)數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在測(cè)量區(qū)域布置測(cè)量點(diǎn)，并進(jìn)行相關(guān)侵入量分析。圖13示出Y0，Y300及車角處入侵量曲線，表3示出某款乘用車車型分析結(jié)果，滿足目標(biāo)要求。

表3 某車型保護(hù)裝置CAE分析結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

文章結(jié)合實(shí)際案例，梳理了汽車前后端保護(hù)裝置正向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)，且一次通過整車試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足整車性能要求。解決了傳統(tǒng)的通過實(shí)車試驗(yàn)判定其是否合格帶來的設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)的問題，為后續(xù)車型開發(fā)提供一定參考。