基于RCAR低速碰撞可維修性開(kāi)發(fā)研究

王龍亮，崔東，方銳，樊華清，石夢(mèng)妍

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)保有量逐年增加，道路越來(lái)越擁擠，每年交通事故的數(shù)量不斷上升，人們對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)及維修方面的花費(fèi)比較關(guān)心，保險(xiǎn)公司為了降低汽車(chē)碰撞后的維修費(fèi)用，開(kāi)始對(duì)維修中涉及的維修過(guò)程、維修配件、技師培訓(xùn)、維修工時(shí)等因素進(jìn)行考慮。同時(shí)，汽車(chē)主機(jī)廠為了提高車(chē)型的銷(xiāo)量，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)開(kāi)始考慮汽車(chē)碰撞后維修的便利性及成本等因素。為了準(zhǔn)確地評(píng)估汽車(chē)碰撞后的維修性，各個(gè)國(guó)家以及國(guó)際性研究機(jī)構(gòu)出臺(tái)了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中影響力最大認(rèn)可度最高的是汽車(chē)維修研究委員會(huì)(RCAR)出臺(tái)的關(guān)于汽車(chē)低速結(jié)構(gòu)碰撞和保險(xiǎn)杠測(cè)試試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。本文作者首先對(duì)從RCAR可維修性試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行介紹，緊接著介紹RCAR的評(píng)價(jià)方法，最后針對(duì)汽車(chē)可維修性的開(kāi)發(fā)，從產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段4個(gè)階段做了詳細(xì)的介紹。

1 RCAR可維修性試驗(yàn)介紹

RCAR目前在5大洲、20個(gè)國(guó)家擁有25名會(huì)員，如英國(guó)Thatcham公司、德國(guó)安聯(lián)技術(shù)中心AZT、美國(guó)IIHS等。

RCAR是由保險(xiǎn)行業(yè)提供資金支持的一個(gè)國(guó)際性技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，其主要工作內(nèi)容為研究與機(jī)動(dòng)車(chē)事故維修、安全性及培訓(xùn)需求相關(guān)的工程設(shè)計(jì)及方案。為協(xié)助會(huì)員做好研究項(xiàng)目，RCAR為會(huì)員提供了一個(gè)相互交流、溝通的平臺(tái)。RCAR秘書(shū)長(zhǎng)保持與會(huì)員、全球性機(jī)構(gòu)以及其他相關(guān)個(gè)人之間進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與溝通。

RCAR的總體目標(biāo)是通過(guò)與汽車(chē)制造商進(jìn)行對(duì)話與合作，進(jìn)而影響汽車(chē)的設(shè)計(jì)，為保險(xiǎn)公司控制成本，最終使車(chē)輛變得更安全，降低易損性，在事故發(fā)生后維修成本更合理。同時(shí)將這樣的信息，通過(guò)高品質(zhì)的培訓(xùn)報(bào)道等傳遞出去。

2 RCAR低速碰撞試驗(yàn)

根據(jù)RCAR的試驗(yàn)流程，進(jìn)行車(chē)輛前部和尾部的15 km/h的低速碰撞試驗(yàn)，主要目的是評(píng)價(jià)車(chē)輛耐撞性與可維修性。

RCAR的前碰測(cè)試示意圖如圖1所示，目標(biāo)車(chē)輛以15 km/h的初始速度撞擊剛性壁障，壁障高度高于試驗(yàn)車(chē)輛，車(chē)輛質(zhì)量為整車(chē)整備質(zhì)量和一個(gè)駕駛員側(cè)75 kg假人質(zhì)量。碰撞側(cè)為駕駛員側(cè)，車(chē)輛與壁障的重疊率40%，剛性壁障的幾何參數(shù)如圖所示，壁障前端面斜角為10°，前端面與縱向平面的圓角半徑為150 mm。

圖1 RCAR標(biāo)準(zhǔn)正面15 km/h碰撞試驗(yàn)工況

RCAR的尾碰測(cè)試示意圖如圖2所示，碰撞臺(tái)車(chē)以15 km/h的速度撞擊車(chē)輛，臺(tái)車(chē)為不可變形的剛性壁障，質(zhì)量為1 400 kg。車(chē)輛質(zhì)量為整車(chē)整備質(zhì)量和駕駛員側(cè)75 kg碰撞假人質(zhì)量。車(chē)輛與碰撞臺(tái)車(chē)行進(jìn)方向成10°角擺放，碰撞側(cè)為乘員側(cè)尾部，重疊率為40%，車(chē)輛手制動(dòng)處于松開(kāi)位置，臺(tái)車(chē)高度及幾何形狀如圖所示[3-4]。

圖2 RCAR標(biāo)準(zhǔn)尾部15 km/h碰撞試驗(yàn)工況

3 RCAR可維修性評(píng)估介紹

3.1 變形量測(cè)量

車(chē)輛變形量的測(cè)量點(diǎn)如圖3和圖4所示，分為車(chē)身覆蓋件間隙測(cè)量和車(chē)底參考點(diǎn)測(cè)量，以毫米為單位，試驗(yàn)前后各測(cè)量一次。

圖4 車(chē)底參考點(diǎn)測(cè)量

對(duì)于可能發(fā)生較大變形的部位，例如前后縱梁端部等，可以增加測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。所有的測(cè)量點(diǎn)都應(yīng)拍照，測(cè)量點(diǎn)附近標(biāo)記其順序代碼。正面碰撞和尾部碰撞的數(shù)據(jù)分開(kāi)記錄。如有可能，使用三坐標(biāo)儀測(cè)量車(chē)前部車(chē)寬。并在駕駛員側(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠上劃線，使得這條線到車(chē)輛中心線的距離為車(chē)輛寬度的10%(該線到車(chē)輛駕駛員側(cè)最寬點(diǎn)間的區(qū)域即為與壁障的重疊區(qū)域)。

3.2 汽車(chē)損傷評(píng)估

分別統(tǒng)計(jì)車(chē)輛前部和尾部低速結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)將車(chē)輛維修至全新?tīng)顟B(tài)所需的零部件的價(jià)格，維修工時(shí)，噴漆以及材料費(fèi)用。

4 汽車(chē)可維修性技術(shù)開(kāi)發(fā)

汽車(chē)可維修性技術(shù)開(kāi)發(fā)流程同碰撞安全開(kāi)發(fā)流程一致，分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段4個(gè)階段。

4.1 產(chǎn)品規(guī)劃階段

產(chǎn)品規(guī)劃階段，首先分析競(jìng)品車(chē)型的低速碰撞結(jié)果、保險(xiǎn)等級(jí)信息以及相關(guān)的可維修性優(yōu)缺點(diǎn)，比如零部件間的連接方式、材料的選擇、焊點(diǎn)布置、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)等。在前期的結(jié)構(gòu)件和零部件初始設(shè)計(jì)中吸取競(jìng)品車(chē)型的優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)。

4.2 概念設(shè)計(jì)階段

概念設(shè)計(jì)階段主要包括碰撞區(qū)域造型校核、總布置校核、高成本零部件位置校核3個(gè)方面。

4.2.1 碰撞區(qū)域造型校核

在概念設(shè)計(jì)階段，首先對(duì)外造型進(jìn)行校核，在汽車(chē)設(shè)計(jì)初期規(guī)避因造型原因?qū)е路潜匾悴考膿p傷，減小后續(xù)工程設(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)化難度。

結(jié)合碰撞工況，對(duì)碰撞區(qū)域的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，減少碰撞區(qū)域零部件的損傷概率，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩距離前保最前端的距離，前大燈距離防撞梁的距離，排氣管距離后保最后端的距離，后尾門(mén)(行李箱蓋)、尾燈距離地面的高度校核等，如圖5和圖6所示[5]。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)罩與保險(xiǎn)杠和大燈與防撞梁空間距離校核

圖6 排氣管、后尾燈、行李箱蓋與地面空間距離校核

4.2.2 總布置校核

總布置設(shè)計(jì)關(guān)乎汽車(chē)碰撞時(shí)的吸能效率，優(yōu)秀的總布置設(shè)計(jì)應(yīng)該是低成本、易更換件作為主要的吸能結(jié)構(gòu)，減少高成本、難更換件的損傷。因此總布置的校核主要針對(duì)結(jié)構(gòu)件以及機(jī)艙的布置進(jìn)行校核，比如前后防撞梁的高度、寬度，吸能盒的長(zhǎng)度，散熱器與防撞梁的吸能距離提出要求等，如圖7所示[5]。

圖7 防撞梁高度以及散熱器吸能空間的校核

4.2.3 高成本零部件位置校核

在汽車(chē)概念設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免高成本零部件的損壞，應(yīng)將高成本零部件布置于非變形區(qū)域或者對(duì)其設(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)減少其損傷概率。比如ACC的布置方式，傳統(tǒng)的ACC布置采用一體式鈑金支架固定于前防撞梁中間位置，這種設(shè)計(jì)由于鈑金件直接與ACC剛性連接，在保險(xiǎn)杠受到擠壓時(shí)容易損壞，在前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將ACC布置與前風(fēng)窗玻璃處或者采用可壓潰的支架固定于防撞梁區(qū)域。散熱器總成布置時(shí)應(yīng)該保持防撞梁與散熱器之間沒(méi)有其他結(jié)構(gòu)件，保證吸能空間得到充分利用。壓縮機(jī)布置是應(yīng)該位于吸能盒的后端(不易變形區(qū)域)，如圖8所示[5]。

圖8 散熱器以及壓縮機(jī)的布置校核

4.3 工程設(shè)計(jì)階段

在工程設(shè)計(jì)階段，主要針對(duì)白車(chē)身、零部件、內(nèi)外飾的設(shè)計(jì)。白車(chē)身需要考慮不同焊接方式的選擇、鈑金件的搭接方式、吸能結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、拆裝便利性設(shè)計(jì)方法。零部件需要考慮易損件的判斷、拆裝便利性設(shè)計(jì)方法、線束與管路的設(shè)計(jì)、高成本零部件的保護(hù)等。內(nèi)外飾設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮卡扣、連接件的設(shè)計(jì)，約束系統(tǒng)的更換便利性，儀表板的拆裝便利性等。

根據(jù)試驗(yàn)工況進(jìn)行CAE有限元分析，建立正碰、尾部碰撞有限元模型，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)汽車(chē)零部件、結(jié)構(gòu)件的損傷進(jìn)行評(píng)估[6-8]。

相對(duì)于安全開(kāi)發(fā)的高速碰撞，可維修開(kāi)發(fā)為低速碰撞，相對(duì)應(yīng)的碰撞能量小，仿真結(jié)果偏差較大，為了提高仿真精度，仿真建模的時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn)：

高精度的網(wǎng)格劃分，對(duì)于碰撞區(qū)域內(nèi)的零部件進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，準(zhǔn)確的構(gòu)件零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如大燈網(wǎng)格的劃分如圖9所示。

準(zhǔn)確的建模方法，對(duì)于零部件的連接選擇合適的連接方式，比如卡扣的連接方式。

高精度的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，真實(shí)的材料特性是高精度仿真的基礎(chǔ)，尤其是塑料件材料的準(zhǔn)確模擬更為關(guān)鍵。

根據(jù)仿真結(jié)果，分析整車(chē)侵入量，結(jié)構(gòu)件、零部件的損傷情況。圖10為損傷某車(chē)型正面結(jié)構(gòu)碰撞的接觸力-位移曲線圖，以及左右兩側(cè)的B柱下端加速度-位移曲線，圖11為零部件有效應(yīng)變?cè)茍D。

圖10 車(chē)體接觸力、左右兩側(cè)的B柱下端加速度的位移曲線

圖11 前端模塊有效應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)車(chē)輛進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)減少低速碰撞試驗(yàn)下的損傷。常見(jiàn)的優(yōu)化方法包括：

(1)優(yōu)化防撞梁、吸能盒的吸能特性，減小縱梁、高成本零部件的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

(2)優(yōu)化大燈、保險(xiǎn)杠以及其他零部件的安裝點(diǎn)位置以及結(jié)構(gòu)形式，減少零部件的損壞。

(3)優(yōu)化總成內(nèi)零部件的數(shù)量，盡量增加總成內(nèi)零部件的數(shù)量，避免整體更換。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證階段

根據(jù)碰撞試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)件、零部件的損傷情況，根據(jù)維修過(guò)程、維修配件、維修工時(shí)等因素，計(jì)算獲得汽車(chē)的維修成本。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不滿足要求的指標(biāo)，分析主要原因，并提供分析報(bào)告和優(yōu)化方案。

要想獲得優(yōu)秀的可維修性指標(biāo)，上述每個(gè)階段都應(yīng)該考慮汽車(chē)的維修性設(shè)計(jì)，只有通過(guò)各個(gè)階段的校核設(shè)計(jì)驗(yàn)證，才能降低汽車(chē)碰撞后維修成本、保險(xiǎn)公司的賠付成本、消費(fèi)者的使用成本，促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中根據(jù)RCAR低速碰撞法規(guī)的試驗(yàn)內(nèi)容以及評(píng)價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合整車(chē)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出針對(duì)低速碰撞可維修正向開(kāi)發(fā)的流程。開(kāi)發(fā)流程分為4個(gè)階段即產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段，每個(gè)階段都提出了具體開(kāi)發(fā)內(nèi)容。該開(kāi)發(fā)流程對(duì)后續(xù)車(chē)型關(guān)于低速碰撞可維修性的開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。