基于行人頭部碰撞保護的發(fā)動機罩結構設計

李子云 李崢 李濤 李燕龍 楊飄 羅鑫 陳文

（東風汽車公司技術中心）

在美國和歐洲等汽車發(fā)達國家和地區(qū)，行人保護已經(jīng)成為強制性法規(guī)要求，是汽車基本的市場準入要求，同時也是Euro-NCAP評分內容中的一項。我國仍然屬于人車混合的交通狀況，汽車碰撞事故頻繁發(fā)生。在汽車與行人碰撞事故中，行人屬于弱勢群體，加上現(xiàn)階段汽車缺乏對行人保護的措施，行人傷亡嚴重。隨著人們對行人保護意識的不斷提高，2009年我國出臺了GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》，而且2018版C-NCAP將會加入行人保護的考察項目。此外，在人車碰撞的交通事故中行人身體的各個部位都有可能受到損傷，但不同部位的損傷程度會根據(jù)其生物力學特性以及碰撞中與車體接觸位置的不同而有所不同。在人車碰撞事故中行人的頭部是最易受到重度損傷的部位（80%），其次為胸部（7%）、脊柱（6%）及腹部（6%）。而受到中度損傷比例最高的部位為下肢（37%），其次為頭部（35%）[1]。由此可見，人車碰撞事故中行人頭部是最易受到傷害的部位。文章在車型開發(fā)的過程中，以GB/T 24550—2009為基準，以CAE計算精度修正設計目標，通過主要的3種設計方法對發(fā)動機罩結構進行優(yōu)化，有利于提高行人頭部的保護。

1 設計目標

按照GB/T 24550—2009[2]9的規(guī)定，并根據(jù)CAE分析計算精度，在設計時一般留有20%的安全余量，所以車型存在兒童和成人頭部碰撞區(qū)域中，頭部損傷指數(shù)（HIC）在至少一半的兒童頭部試驗區(qū)域HIC≤800，2/3以上的成人頭部和兒童頭部合計試驗區(qū)域HIC≤800，2個頭型剩余區(qū)域HIC≤1 360；如果只有兒童頭部碰撞區(qū)域，2/3以上的試驗區(qū)域HIC≤800，剩余區(qū)域HIC≤1 360。

圖1示出發(fā)動機機罩頭部碰撞的高HIC區(qū)（紅色）、風險區(qū)（黃色）和安全區(qū)（綠色）劃分圖。風險區(qū)往往出現(xiàn)在機罩前緣與前格柵交界區(qū)Ⅰ、機罩前緣與大燈交界處Ⅱ、機罩側邊和翼子板分縫處Ⅲ和機罩后緣角部Ⅳ，并且局部區(qū)域HIC＞1 360（紅色區(qū)域）[3]。

圖1 發(fā)動機機罩頭部碰撞區(qū)域劃分圖

根據(jù)法規(guī)要求和HIC區(qū)域分布情況，行人頭部碰撞保護設計目標分3種情況：1）任何碰撞點的HIC均需要小于1 360；2）縮小風險區(qū)的面積（圖1中紅色區(qū)域）；3）擴大安全區(qū)的面積（圖1中綠色區(qū)域）。

2 設計方法及結構設計

2.1 避開碰撞風險區(qū)

2.1.1 機罩前部造型優(yōu)化

兒童頭部碰撞區(qū)域的前基準線是WAD1000或者機罩前緣基準線向后82.5 mm，測量點取靠后的點。機罩前緣基準線是長1 000 mm的直尺從垂直方向后傾50°，直尺底端距離地面600 mm，機罩表面接觸點的幾何軌跡，如圖2所示。WAD1000是用長1 000 mm柔性卷尺在汽車縱向垂直平面內沿著汽車前部結構橫向移動形成的幾何軌跡（圖2）[2]1-3。

圖2 機罩前緣基準線和WAD1000示意圖

無論是哪種邊緣線的設定為前部區(qū)域邊緣線，降低機罩頭部造型，都可以讓兒童頭部碰撞區(qū)域盡量遠離機罩與前端環(huán)境件的分縫，避開碰撞風險區(qū)域，如圖3和圖4所示。

圖3 機罩頭部造型降低前后前緣基準線位置對比示意圖

圖4 機罩頭部造型降低前后WAD1000位置對比示意圖

2.1.2 機罩側部造型優(yōu)化

機罩側面基準線是由長700 mm直尺內傾45°與側面的相交，接觸點形成的幾何軌跡，如圖5所示[2]4。如果直尺先與翼子板接觸，頭部碰撞區(qū)域會落在機罩與翼子板的分縫處；如果直尺先與機罩接觸，頭部碰撞區(qū)域可以避開機罩與翼子板的分縫（圖6）。所以，將機罩CAS面相應抬高而翼子板CAS面下壓，使得直尺盡量先與發(fā)動機罩CAS面相切，避開機罩與翼子板的分縫。

圖5 機罩側面基準線確定方法示意圖

圖6 機罩與翼子板分縫優(yōu)化前后對比

2.2 增大潰縮空間

鉸鏈活動臂與指梁的間距為h。機罩鉸鏈處常被選作碰撞測試區(qū)域，提高h，至h≥10 mm（如圖7所示），能夠有效地降低機罩鉸鏈處的HIC，詳細數(shù)值，如表1所示。

圖7 鉸鏈活動壁與指梁的間距（h）位置示意圖

表1 鉸鏈優(yōu)化前后頭部損傷指數(shù)（HIC）對比表

2.3 弱化零部件局部結構

2.3.1 弱化緩沖塊安裝支架

緩沖塊安裝支架處屬于風險區(qū)（黃色圓框內），HIC偏高，常常超過1 360；緩沖塊安裝支架結構開孔弱化后（如圖8所示），能夠有效地降低HIC，詳細數(shù)值，如表2所示。

圖8 緩沖塊安裝支架結構對比圖

表2 某車型優(yōu)化前后頭部損傷指數(shù)（HIC）效果對比

2.3.2 潰縮式鎖扣

傳統(tǒng)的鎖扣采用1根φ8不銹鋼材質的棒，較難發(fā)生彎曲變形。潰縮式鎖扣在傳統(tǒng)鎖扣的基礎上更改成2個鏤空的鎖片與不銹鋼棒鉚接，如圖9所示。當行人頭部碰撞在機罩鎖區(qū)域處時，2個鎖片可以發(fā)生潰縮變形，從而影響機罩鎖區(qū)域處的1，2，3點的HIC有效降低（如圖10所示），改善效果對比，如表3所示。

圖9 鎖扣結構形式對比圖

圖10 機罩鎖扣影響的3個點位置示意圖

表3 機罩鎖扣頭部損傷指數(shù)（HIC）改善效果對比

3 結論

文章基于GB/T 24550—2009和CAE計算精度，提出在避開碰撞風險區(qū)方法中，降低車型頭部造型和優(yōu)化機罩與翼子板的分縫位置均可以避開碰撞風險區(qū)域。在增大潰縮空間方法中，提高機罩鉸鏈活動臂與指梁的間距可以降低此處的HIC，達到設計目標中HIC＜1 360的要求。在弱化零部件局部結構方法中，緩沖塊安裝支架開孔弱化和傳統(tǒng)鎖扣改成潰縮式鎖扣都可以降低碰撞點的HIC，HIC最大降幅達到892。這對于汽車行人保護開發(fā)方面具有實際借鑒意義。