汽車正面碰撞性能與下車身架構設計

馮先敬

（國機智駿汽車有限公司，江蘇 南京211100）

1 概述

汽車碰撞事故中正面碰撞最為普遍，且造成的人員傷亡最多[1-2]，因此，做好下車身的架構設計，提高汽車正面碰撞性能，對汽車的安全性具有非常重要的意義。

2 汽車正面碰撞過程中力的傳遞路徑

汽車的碰撞試驗顯示，碰撞過程就是通過車身架構進行吸收能量、分散能量和傳遞能量的過程。因此，汽車的整個前部結構被分成了前吸能區、中吸能區和后吸能區3 個吸能區域[3]。碰撞能量經過每個區域時，都有部分能量被吸收，剩余的能量繼續進行傳遞和分散。其傳遞主要通過3 層[3]，上層：通過機艙上縱梁（即shotgun 結構）進行傳遞；中層：通過前縱梁進行傳遞；下層：通過副車架進行傳遞。

同時，以上的傳遞路徑表明，汽車正面碰撞的大部分的能量都是通過下車身的架構進行吸收、傳遞和分散的，也再次證明：下車身的架構設計是決定汽車正面碰撞成功與否的關鍵因素。

圖1 正面碰撞3 層路徑傳遞示意圖[3]

3 典型的下車身架構設計

經過對市場上成熟的、典型的車型進行研究，下車體的傳遞路徑都是基于：前防撞梁/吸能盒→前縱梁→門檻梁/地板縱梁/中通道。主要架構形式有以下幾種：

3.1 以地板縱梁為主的下車身架構設計

典型架構一：由于車身地板下有足夠的空間布置地板縱梁，因此，以地板縱梁為主進行架構設計，前后縱梁以連通或者不連通的方式，將碰撞力通過地板縱梁進行傳遞和分散給門檻梁、中通道和A 柱。

圖2 典型架構一

典型架構二的特點：前后縱梁通過地板縱梁直接連通，架構網絡清晰，力的傳遞效率高。

圖3 典型架構二

3.2 以門檻梁為主的下車身架構設計

典型架構三：由于車身地板下的空間幾乎被電池包所占據，無法布置地板縱梁，因此，前后縱梁均將碰撞力傳遞到門檻梁，并分散到中通道和A 柱。

圖4 典型架構三

3.3 由縱梁向A 柱傳力的架構設計

典型架構四：前縱梁直接同時傳遞給A 柱和門檻梁，且傳遞通道較大，結構穩定、可靠，傳遞力效率高。

圖5 典型架構四

4 下車身的架構設計要素

4.1 架構設計原則

前后縱梁、門檻梁、地板縱梁、加強梁等各個梁通過架構設計形成一條條連續的、分散型的、光滑順暢的傳遞路徑，且連接部位的截面盡可能的重疊，使碰撞力能順利傳遞。

4.2 縱梁位置的確定

（1）縱梁Y 向位置的確定。主要考慮在最惡劣情況下，與全輪跳和全轉向的最大輪胎包絡不干涉，且內邊界與機艙內的零部件布置滿足總布置的相關間隙要求。

（2）縱梁Z 向位置的確定。前縱梁的高度，主要由碰撞法規中碰撞器的高度和底盤傳動軸的高度位置確定。根據歐標ECE R94 碰撞法規的要求[4]，在空載狀態下縱梁上表面的高度≤530mm，且根據經驗要求與轉動軸包絡的間隙≥25mm。

4.3 縱梁與門檻梁的距離

縱梁與門檻梁的距離主要是Z 向和Y 向的距離，一般要求他們之間的距離盡可能小，盡可能增加截面的重疊量。

（1）如果Y 向間距過大，需要設置斜向支撐結構，構成一個穩定的三角形傳力結構，并且三角形的端點要與后面的傳力通道保持連接的連續性。如下圖所示。

圖6 增加斜向支撐

（2）如果Z 向距離過大，需要考慮加強縱梁的根部或者增加縱梁在Z 向的截面高度，并且在傳動軸包絡處進行局部避讓和局部加強，保證碰撞力的順利傳遞。

根據以上分析，對于汽車的正面碰撞性能而言，融會貫通以上典型架構理念，明白各個設計理念的優缺點，并進行靈活運用和衍變，才能更好更快的做好下車身的架構設計。