小偏置碰撞中車輪侵入方向?qū)τ谲囬T防撞管的影響

解躍青，陳 瑜

（上汽大眾汽車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)車身研發(fā)部，上海 201805）

隨著人們對汽車安全性能的日益關(guān)注，汽車碰撞安全技術(shù)的不斷發(fā)展，以及汽車進(jìn)出口貿(mào)易的增長，新研發(fā)的車型需要滿足不同的安全法規(guī)。同時(shí)，中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)[1]（簡稱C-IASI）測試評價(jià)體系作為車型定價(jià)的最重要因子，從消費(fèi)者立場出發(fā)，以汽車保險(xiǎn)的視角，圍繞車險(xiǎn)事故中“車損”、“人傷”，開展耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性、車內(nèi)乘員安全、車外行人安全、車輛輔助安全等4項(xiàng)指數(shù)的測試評價(jià)。2017C-IASI體系的建立為消費(fèi)者購車、用車提供了有效的參考，同時(shí)C-IASI體系所涵蓋的各項(xiàng)試驗(yàn)法規(guī)對于汽車生產(chǎn)廠商進(jìn)行汽車安全研發(fā)的要求也提出了新的挑戰(zhàn)。

25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)為C-IASI體系中的一個(gè)正面碰撞試驗(yàn)工況，用于考察在正面碰撞事故中車輛結(jié)構(gòu)及乘員的傷害，如車輛左前方撞上了樹、電線桿等較窄的物體[2]。由于僅有小部分車身參與碰撞，汽車受到?jīng)_擊的作用面幾乎都落在縱梁的外側(cè)[3]，車身設(shè)計(jì)中為保護(hù)乘員安全而設(shè)計(jì)的主要受力構(gòu)件“縱梁”完全不能或者很少能夠起作用，由于縱梁不能通過壓潰變形而吸收沖擊能量，從而導(dǎo)致了乘員艙的過度侵入，對車內(nèi)乘員造成極大的傷害。此類碰撞事故的頻發(fā)性和嚴(yán)重程度受到全世界汽車安全領(lǐng)域研究者越來越多的關(guān)注。

本文根據(jù)C-IASI體系提出的關(guān)于SOFC的評價(jià)試驗(yàn)（25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)）及評價(jià)規(guī)范對某車型進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化。使用Pam-Crash求解器[4]，利用有限元模型研究車身及門內(nèi)防撞管在受到從車輪傳遞的不同方向的載荷條件下的變形情況及乘員艙的侵入量，并針對其中的問題提出優(yōu)化方案。

1 問題分析

1.1 問題描述

在25%小偏置正面碰撞中，由于剛性壁障與車輛的接觸主要在縱梁之外，縱梁作為正面碰撞中的主要能量吸收結(jié)構(gòu)，在25%小偏置碰撞試驗(yàn)工況下不能充分發(fā)揮其吸能效果[5]。碰撞載荷主要通過輪胎和上縱梁向后傳遞到A柱和門檻上，導(dǎo)致乘員艙嚴(yán)重變形，對乘員造成嚴(yán)重傷害。為了有效控制乘員艙變形，通常會在前門安裝防撞管，防撞管安裝位置如圖1所示。該防撞管的作用在于，在碰撞過程中，通過增加力傳遞路徑[6]，將一部分碰撞能量通過車門防撞管傳遞到B柱，以減小由于門檻變形造成的乘員艙下部變形過大對乘員造成的傷害。同時(shí)，防撞管能有效支撐住A柱上鉸鏈區(qū)域與B柱之間的車門變形，有效提高生存空間[7]。這在保障乘員安全方面起到了重要作用，其力傳遞路徑如圖2所示。

圖1 防撞管位置示意

圖2 碰撞載荷傳遞路徑

由于在設(shè)計(jì)過程中受到其它零部件設(shè)計(jì)及安裝要求的限制，所以A柱或B柱內(nèi)板，側(cè)圍外板以及車門內(nèi)板之間存在間隙。在碰撞發(fā)生時(shí)，這三者之間的間隙由于受到擠壓被壓縮，當(dāng)此間隙被壓縮至極限并導(dǎo)致三者互相接觸時(shí)，車門內(nèi)的防撞管開始工作，以便起到支撐作用，從而保證乘員艙的生存空間。車身內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車門內(nèi)板之間的間隙壓縮及車門防撞管的正常工作過程如圖3所示。

圖3 防撞管工作過程

由于防撞管在接觸A柱及B柱區(qū)域的接觸面時(shí)存在傾斜角度，所以在碰撞發(fā)生后防撞管開始起支撐作用前，防撞管會出現(xiàn)一定程度的躥動(dòng)，向接觸面的邊緣移動(dòng)。因此，當(dāng)防撞管開始起支撐作用時(shí)，由于受到來自兩端的擠壓力，使其容易從兩端接觸區(qū)域滑脫，失去支撐作用。

在某車型的研發(fā)和試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在小偏置碰撞過程中，轉(zhuǎn)向連接處的失效位置和失效時(shí)間難以準(zhǔn)確控制（該失效通常存在于前懸與副車架的連接處或轉(zhuǎn)向節(jié)柱處），從而導(dǎo)致車輪在撞擊過程中的偏轉(zhuǎn)角度不同。當(dāng)車輪在碰撞過程中以不同角度撞擊門檻或輪罩護(hù)板時(shí)，由于前艙和A柱鉸鏈區(qū)域的變形不同[8]，門內(nèi)防撞管的表現(xiàn)也會出現(xiàn)很大差異。

為了研究當(dāng)車輪在碰撞過程中以不同角度撞擊門檻或輪罩護(hù)板時(shí)，門內(nèi)防撞管是否能夠起到支撐作用且是否存在滑脫風(fēng)險(xiǎn)，本文通過在有限元模型中實(shí)現(xiàn)車輪不同的侵入角度，來評價(jià)乘員艙的侵入量。

1.2 車輪姿態(tài)分析

在常規(guī)的小偏置碰撞仿真模型中，車輛在撞擊剛性壁障時(shí)，輪子的運(yùn)動(dòng)只有y向的轉(zhuǎn)動(dòng)和x向的平動(dòng)[9]，在本研究的模型中，為了在有限元模型中快速實(shí)現(xiàn)車輪不同的侵入角度，在有限元模型中的碰撞時(shí)刻，人為地在前側(cè)車輪節(jié)點(diǎn)施加0.028～0.034 rad/ms的初始z向角速度，并且在模型中釋放轉(zhuǎn)向拉桿，避免轉(zhuǎn)向拉桿在運(yùn)動(dòng)過程中阻礙車輪偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)車輪撞擊門檻外側(cè)、中間和內(nèi)側(cè)，以及輪罩中間和內(nèi)側(cè)。5種工況下車輪入侵對比和防撞管偏轉(zhuǎn)對比，如圖4和圖5所示。以藍(lán)色輪輞狀態(tài)為例，由于車輪偏轉(zhuǎn)角度較小，車輪直接擠壓門檻，導(dǎo)致門檻變形大，載荷主要通過門檻傳遞，A柱變形相對較小，防撞管y向滑移小，能有效支撐A柱，而橘色輪輞偏轉(zhuǎn)角大，由于輪胎與門檻沒有較好地接觸，傳遞到A柱與防撞管的載荷大，防撞管如果不穩(wěn)定，就會在載荷的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不能對A柱產(chǎn)生有效支撐。

圖4 車輪入侵對比

圖5 防撞管偏轉(zhuǎn)對比

在該研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車門防撞管在碰撞過程中能夠有效地支撐住A柱和B柱時(shí)，如圖6所示，根據(jù)C-IASI體系的要求，結(jié)構(gòu)評級達(dá)到“優(yōu)”，滿足設(shè)計(jì)要求，并且乘員艙的生存空間能夠得到有效保證。

圖6 防撞管有效支撐效果

同時(shí)，在該研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輪撞擊門檻梁內(nèi)側(cè)或內(nèi)輪罩護(hù)板時(shí)，由于受到前車輪輪轂在碰撞過程中的擠壓，A柱上鉸鏈區(qū)域在擠壓過程中發(fā)生繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致防撞管從A柱支撐區(qū)域脫出，未起到支撐乘員艙的作用[10]，如圖7所示，根據(jù)C-IASI體系的要求，結(jié)構(gòu)評級為“良好”，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 防撞管支撐失效

圖8展示了圖6與圖7所對應(yīng)的防撞管在碰撞過程中對結(jié)果變形起到的不同支撐效果，其中各測量點(diǎn)的侵入量對比見圖8中的表格。

圖8 防撞管支撐效果對入侵量的影響

由此可見，防撞管在小偏置碰撞過程中能否提供有效支撐直接決定了乘員艙各評價(jià)點(diǎn)的侵入量大小，對車輛結(jié)構(gòu)評級有直接的影響。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量確保防撞管支撐效果的穩(wěn)定性。

2 提出解決方案

在本研究中發(fā)現(xiàn)，防撞管越早與內(nèi)板接觸就越難從支撐區(qū)域被擠脫，因此，在車型研發(fā)早期階段，通過減小圖2所示的A柱或B柱內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車門內(nèi)板之間的間隙，能有效控制防撞管在碰撞過程中滑出。由于該車型已經(jīng)處于研發(fā)后期階段，更改車身鈑金件涉及高額的更改成本，所以需要研究其替代方案。

在碰撞過程中，由于門內(nèi)防撞管與車門的固定連接距離端口較遠(yuǎn)，所以當(dāng)A柱上鉸鏈加強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該連接較弱，無法有效固定住防撞管的前端運(yùn)動(dòng)，如圖7中紅圈處所示。為了改善門內(nèi)防撞管在碰撞過程中的穩(wěn)定性，使其在車輪不同的撞擊角度下能保持穩(wěn)定的支撐，需要在防撞管靠近前端處增加固定點(diǎn)或固定結(jié)構(gòu)。在空間和安裝工藝允許的情況下，改造鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，使其在前端增加防撞管固定環(huán)，在碰撞過程中防止防撞管出現(xiàn)較大的y向滑移。如果門內(nèi)安裝空間較小，該固定環(huán)外端可以被切除，優(yōu)化雙側(cè)或單側(cè)的耳型防撞支架，與防撞管以焊縫連接。耳型防撞支架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 耳型防撞支架結(jié)構(gòu)

3 仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

本研究基于碰撞過程中車輪偏轉(zhuǎn)角度最大的狀態(tài)，對該方案的有效性進(jìn)行了評估，通過有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，通過對鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)改造，強(qiáng)化固定了車門防撞管前端靠近A柱鉸鏈的區(qū)域，在碰撞過程中即使A柱上鉸鏈區(qū)域在擠壓過程中發(fā)生了繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，防撞管也沒有出現(xiàn)較大的y向滑移，使其穩(wěn)定地停留在與A柱接觸的區(qū)域內(nèi)，并能使防撞管與A柱更早地發(fā)生接觸，這不僅能有效地防止其脫出，也能穩(wěn)定地支撐住乘員艙的生存空間，優(yōu)化了前艙侵入量，使結(jié)構(gòu)評價(jià)達(dá)到優(yōu)秀。防撞管在碰撞中的支撐效果如圖10所示，乘員艙測量點(diǎn)侵入量如圖11所示。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的防撞管支撐效果

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后乘員艙測量點(diǎn)的侵入量

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過計(jì)算模擬對防撞管固定方式進(jìn)行的優(yōu)化，有效地解決了防撞管在碰撞過程中的失效現(xiàn)象。通過25%小偏置碰撞試驗(yàn)對優(yōu)化后的車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，整車A柱及車門變形小，生存空間保持完整，從車門解剖圖可以看出防撞管無y向竄動(dòng)，對A柱提供了有效支撐，與模擬計(jì)算結(jié)果一致。

圖12 25%偏置試驗(yàn)效果

4 結(jié)論

在25%小偏置正面碰撞工況中，由于剛性壁障與車輛的接觸主要在縱梁之外，縱梁作為正面碰撞的主要能量吸收結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮吸能效果，導(dǎo)致乘員艙嚴(yán)重變形，對乘員造成嚴(yán)重傷害。通過增加車門防撞管，一部分碰撞能量可以通過車門防撞管傳遞到B柱，防撞管能有效支撐住A柱上鉸鏈區(qū)域與B柱之間的車門變形，從而有效地提高了生存空間，在保障乘員安全方面起到了重要作用。

防撞管越早與內(nèi)板接觸就越難從支撐區(qū)域被擠脫，因此，在車型研發(fā)早期階段，通過減小A柱或B柱內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車門內(nèi)板之間的間隙，能有效控制防撞管在碰撞過程中滑出。在車型項(xiàng)目研發(fā)的后期階段，考慮到車身的改動(dòng)成本，可以通過改造鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，使其盡可能地在靠近鉸鏈的位置加固防撞管，避免其在A柱上鉸鏈區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，防撞管前端出現(xiàn)較大的滑動(dòng)位移而從支撐區(qū)域脫出。