某重型卡車(chē)前下部防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

晏強(qiáng)，靳家琛

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車(chē)在當(dāng)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著舉足輕重的作用，高速公路網(wǎng)的建設(shè)帶動(dòng)公路物流運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)增長(zhǎng)，公路貨運(yùn)量占比穩(wěn)中有升，未來(lái)10年將在75%～80%之間波動(dòng)。隨著運(yùn)輸環(huán)境朝高效方向發(fā)展，重型卡車(chē)技術(shù)不斷創(chuàng)新，車(chē)輛性能不斷升級(jí)，用戶(hù)對(duì)車(chē)輛的安全性能要求越來(lái)越高。市場(chǎng)研究表明，用戶(hù)對(duì)車(chē)輛安全性的關(guān)注度占比 30%左右，遠(yuǎn)高于對(duì)車(chē)輛其它性能的關(guān)注程度。

前下部防護(hù)作為重型卡車(chē)被動(dòng)安全的一道關(guān)鍵壁壘，在保護(hù)車(chē)輛、人員及貨物安全方面起著至關(guān)重要的作用。一方面，前下部防護(hù)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，抵抗外來(lái)撞擊力，保護(hù)車(chē)輛結(jié)構(gòu)安全；另一方面，前下部防護(hù)還應(yīng)具有一定的變形吸能能力，在提供足夠強(qiáng)度的同時(shí)具有合適的剛度，產(chǎn)生形變，減緩撞擊作用力，降低撞擊損失。同時(shí)，重型卡車(chē)的前下部防護(hù)還具有防止碰撞發(fā)生時(shí)對(duì)方車(chē)輛、人員鉆入底盤(pán)下，被車(chē)輪碾壓造成二次傷害。

因此，前下部防護(hù)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮車(chē)輛安全、行人安全及交通安全，同時(shí)還要考慮零部件結(jié)構(gòu)方案可行性、生產(chǎn)工藝可行性及零部件成本等因素。本文通過(guò)完成前下部防護(hù)布置分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、CAE仿真分析等工作，對(duì)前下部防護(hù)的強(qiáng)度、剛度及可靠性進(jìn)行了全面提升。

1 前下部防護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 法規(guī)解讀及布置分析

1.1.1 前下部防護(hù)橫向構(gòu)件尺寸

根據(jù)法規(guī)要求，商用汽車(chē)的前下部防護(hù)裝置應(yīng)滿足一些尺寸要求，就橫向構(gòu)件的斷面高度而言，對(duì)N2類(lèi)車(chē)輛不小于100mm，對(duì)N3類(lèi)車(chē)輛不小于120mm。本文提到的某重型卡車(chē)為N3類(lèi)車(chē)輛，故斷面高度應(yīng)不小于120mm。同時(shí)，橫向構(gòu)件的兩端不應(yīng)彎向前方且不應(yīng)有尖銳的外側(cè)邊緣，橫向構(gòu)件的端部成圓角狀，其端頭圓角半徑不小于 2.5mm。橫向構(gòu)件的外表面應(yīng)為光滑表面。螺釘或鉚釘?shù)念^部凸出該表面的高度不大于10mm。

1.1.2 前下部防護(hù)布置分析

根據(jù)法規(guī)要求，前下部防護(hù)在車(chē)輛前部可以被設(shè)計(jì)成具有不同結(jié)構(gòu)、位置的安裝形式，但應(yīng)有可靠的方法以保證其安裝，并保障在安裝后不會(huì)隨意移動(dòng)。

為充分保障碰撞發(fā)生時(shí)雙方的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)重型卡車(chē)前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的離地間隙有嚴(yán)格要求。具體而言，位于 P1兩點(diǎn)之間的前下部防護(hù)下邊緣的最大離地間隙應(yīng)不大于400mm；位于兩個(gè)P1點(diǎn)之外的前下部防護(hù)下邊緣的離地最大間隙可大于400mm，但應(yīng)在平面M以下。平面M是過(guò)P1點(diǎn)正下方的前下部防護(hù)下邊緣上的點(diǎn)與水平面成 15°的向上斜面。對(duì)前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的離地間隙要求，見(jiàn)圖1。

圖1 前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的離地間隙要求

為充分保障重型卡車(chē)行駛時(shí)的道路交通安全，對(duì)前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的長(zhǎng)度有嚴(yán)格要求。具體而言，前下部防護(hù)的最大寬度不可超出兩側(cè)前輪翼子板的外側(cè)寬度。前下部防護(hù)任一端的最外緣與同側(cè)前車(chē)輪輪胎最外端面（不包括輪胎的變形量）的橫向水平距離不大于100mm。對(duì)于P1、P2、P3點(diǎn)的定義為：P1點(diǎn)位于距離前軸輪胎最外側(cè)（不包括輪胎的變形量）相切的縱向平面200mm處；P2點(diǎn)對(duì)稱(chēng)于車(chē)輛的縱向中心平面兩側(cè)，相互之間的距離為 700mm～1200mm（分析驗(yàn)證時(shí)定義為前下部防護(hù)連接支架支撐處）；P3點(diǎn)位于車(chē)輛的縱向中心平面上。對(duì)前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的長(zhǎng)度要求及P1、P2、P3點(diǎn)的位置定義，見(jiàn)圖2。

圖2 前下部防護(hù)橫向構(gòu)件的長(zhǎng)度要求及碰撞點(diǎn)定義

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 前下部防護(hù)橫向構(gòu)件設(shè)計(jì)

橫向構(gòu)件是前下部防護(hù)裝置的關(guān)鍵零件，其材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度直接影響前下部防護(hù)的可靠性。根據(jù)前文分析，對(duì)橫向構(gòu)件長(zhǎng)度L及高度H進(jìn)行設(shè)計(jì)確定，以滿足法規(guī)對(duì)前下部防護(hù)裝置的尺寸要求。橫向構(gòu)件中間為平直梁，兩端為向后彎曲的圓弧形狀。這種結(jié)構(gòu)基于兩方面設(shè)計(jì)原因：一方面，橫向構(gòu)件與車(chē)身前保險(xiǎn)杠外形需匹配，零件之間的間隙應(yīng)均勻合理；另一方面，圓弧形狀向后彎曲的結(jié)構(gòu)相對(duì)橫向構(gòu)件直接折彎向后的結(jié)構(gòu)而言，受力更好。

橫向構(gòu)件的截面應(yīng)具有良好的受力效果。槽形截面鋼結(jié)構(gòu)重量低，但強(qiáng)度難以滿足碰撞要求；矩形截面鋼管結(jié)構(gòu)若要滿足碰撞要求，材料厚度也需增加，重量上升。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，橫向構(gòu)件采用“日”字形截面，生產(chǎn)工藝為輥壓成型，成型后對(duì)中間配合縫進(jìn)行焊接。該截面形狀受力較好，選用相對(duì)鋼材料具有輕量化優(yōu)勢(shì)的鋁合金材料。前下部防護(hù)橫向構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意，如圖3所示。

圖3 前下部防護(hù)橫向構(gòu)件示意圖

1.2.2 前下部防護(hù)連接支架設(shè)計(jì)

本文定義的前下部防護(hù)連接支架，是指與前下部防護(hù)橫向構(gòu)件焊接相連的結(jié)構(gòu)件，包括鋁合金斜支撐支架和壓鑄鋁支架。橫向構(gòu)件與連接支架構(gòu)成前下部防護(hù)總成，如圖4所示。

整個(gè)前下部防護(hù)總成部件，均為輕量化材料。考慮到P1點(diǎn)的碰撞安全，設(shè)計(jì)斜支撐支架加強(qiáng)橫向構(gòu)件 P1點(diǎn)處的強(qiáng)度。斜支撐支架為矩形管材，材料與橫向構(gòu)件一致，一端與橫向構(gòu)件焊接，另一端與壓鑄鋁支架焊接。

圖4 前下部防護(hù)總成示意圖

P2點(diǎn)的碰撞破壞性強(qiáng)，正面承受的撞擊力大，對(duì)P2點(diǎn)的支撐強(qiáng)度要求高。若采用鋁合金鈑金設(shè)計(jì)P2點(diǎn)的支架，難以滿足碰撞要求，不能起到安全作用。若設(shè)計(jì)為鋼材鈑金支架，支架與橫向構(gòu)件的連接工藝將變得復(fù)雜。經(jīng)分析，P2點(diǎn)的連接支架設(shè)計(jì)為壓鑄鋁支架，不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，在強(qiáng)度上滿足了碰撞要求，而且與橫向構(gòu)件的焊接工藝可行。

1.2.3 前下部防護(hù)安裝支架設(shè)計(jì)

為使前下部防護(hù)可以獨(dú)立拆裝，提高其維修性，設(shè)計(jì)前下部防護(hù)安裝支架，其作用是將前下部防護(hù)總成與重型卡車(chē)車(chē)架相連。此外，前下部防護(hù)安裝支架還集成有安裝車(chē)身保險(xiǎn)杠、冷卻系統(tǒng)輔助支撐及水箱保護(hù)柵等功能。該支架功能集成度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料采用可焊鑄鋼，并同時(shí)設(shè)計(jì)有與車(chē)架腹面和翼面兩個(gè)方向連接的安裝孔，提高可靠性，見(jiàn)圖5。

圖5 前下部防護(hù)安裝支架

2 前下部防護(hù)CAE仿真分析

2.1 分析模型

根據(jù)法規(guī)要求，在試驗(yàn)過(guò)程中以及試驗(yàn)完畢后，前下部防護(hù)前端面的各測(cè)試點(diǎn)到車(chē)輛最前端的水平距離應(yīng)不大于400mm；P1兩點(diǎn)之間的前下部防護(hù)下邊緣的最大離地間隙應(yīng)不大于450mm，如圖6所示。

圖6 前下部防護(hù)碰撞測(cè)試要求示意圖

該前下部防護(hù)CAE仿真分析是基于HyperWorks工具的有限元分析，以殼單元仿真鈑金、四面體單元仿真鑄件。以HyperMesh為前處理工具，求解器采用LS-DYNA，后處理工具采用 HyperView。將前下部防護(hù)與車(chē)架相連，根據(jù) GB 26511-2011標(biāo)準(zhǔn)，施加載荷。測(cè)試時(shí)應(yīng)盡可能快地施加作用力，車(chē)輛或裝置應(yīng)經(jīng)受住至少0.2s的作用時(shí)間。

工況1：對(duì)兩P1點(diǎn)分別持續(xù)施加相當(dāng)于車(chē)輛最大總質(zhì)量50%的水平載荷，水平載荷最大值不超過(guò)80kN。

工況2：對(duì)兩P2點(diǎn)分別持續(xù)施加相當(dāng)于車(chē)輛最大總質(zhì)量100%的水平載荷，水平載荷最大不超過(guò)160KN。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 工況1分析結(jié)果

對(duì)P1點(diǎn)進(jìn)行碰撞分析時(shí)，X向位移結(jié)果如圖7所示，在0.3秒達(dá)到最大值106mm，滿足法規(guī)要求。

圖7 前下部防護(hù)P1點(diǎn)碰撞測(cè)試X向位移結(jié)果

P1點(diǎn)測(cè)試后，前下部防護(hù)安裝支架、連接支架、橫向構(gòu)件等零件的最大應(yīng)變小于其材料的斷裂延伸率，仿真分析安全，如圖8所示。

圖8 前下部防護(hù)P1點(diǎn)碰撞測(cè)試各零件應(yīng)變結(jié)果

2.2.2 工況2分析結(jié)果

對(duì)P2點(diǎn)進(jìn)行碰撞分析時(shí)，X向位移結(jié)果如圖9所示，在0.3秒達(dá)到最大值74mm，滿足法規(guī)要求。

圖9 前下部防護(hù)P2點(diǎn)碰撞測(cè)試X向位移結(jié)果

圖10 前下部防護(hù)P2點(diǎn)碰撞測(cè)試各零件應(yīng)變結(jié)果

P2點(diǎn)測(cè)試后，前下部防護(hù)安裝支架、連接支架、橫向構(gòu)件等零件的最大應(yīng)變小于其材料的斷裂延伸率，仿真分析安全，如圖10所示。

3 結(jié)論

通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將截面形狀受力更好的橫向構(gòu)件、加強(qiáng) P1點(diǎn)強(qiáng)度的斜支撐支架及可靠性較高的壓鑄鋁支架相互焊接，構(gòu)成強(qiáng)度大、可靠性高、輕量化的前下部防護(hù)總成。安裝支架設(shè)計(jì)為與車(chē)架腹面、翼面同時(shí)相連的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升前下部防護(hù)的可靠性和維修性。

通過(guò)CAE仿真分析，驗(yàn)證本文提到的前下部防護(hù)裝置滿足法規(guī)要求。此外，該前下部防護(hù)各零件加工工藝可行、材料及生產(chǎn)成本較低，優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 商用車(chē)前下部防護(hù)要求.GB 26511-2011.