電動(dòng)車側(cè)柱碰翻轉(zhuǎn)研究及對(duì)策

夏丁 張建 胡濤 邸曙升 趙志新

（東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心）

側(cè)面柱碰撞用于模擬汽車出現(xiàn)側(cè)滑而撞擊大樹、電線桿等柱狀物體所發(fā)生的交通事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國由于側(cè)面碰撞事故而導(dǎo)致死亡的案例中有38%是因?yàn)槌藛T的頭部撞到柱狀物體而造成的。2019 年3 月25 日，推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》（GB/T 37337—2019）由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布，并于 10 月1 日正式實(shí)施[1]。同時(shí) C-NCAP 2021 版也會(huì)對(duì)電動(dòng)車追加側(cè)柱碰工況的評(píng)價(jià)[2]。側(cè)柱碰標(biāo)準(zhǔn)在我國的推出將進(jìn)一步提高和改善汽車側(cè)面碰撞安全性，更大限度地降低汽車交通事故中乘員的傷亡數(shù)量。汽車在發(fā)生側(cè)柱碰時(shí)，如若繞x 軸（汽車前后方向）翻轉(zhuǎn)角度過大，會(huì)導(dǎo)致汽車上部侵入量過大，侵占乘員生存空間，因此針對(duì)側(cè)面柱碰繞x 軸翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究具有重要意義。

1 電動(dòng)車翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)理論分析

側(cè)柱碰速度為32 km/h、角度為75°，碰撞工況如圖1 所示，性能要求需同時(shí)滿足乘員保護(hù)要求和強(qiáng)電保護(hù)要求[1-3]。側(cè)面柱碰撞中，碰撞瞬間的車體運(yùn)動(dòng)由側(cè)向平動(dòng)和繞柱旋轉(zhuǎn)（z 向）運(yùn)動(dòng)組成[4]，如圖2 所示。當(dāng)碰撞中心線通過汽車質(zhì)心時(shí)，車身吸收能量最大，車身吸收能量公式，如式（1）所示。

圖1 電動(dòng)車側(cè)面柱碰工況示意圖

圖2 電動(dòng)車柱碰XY 平面運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

式中：Ep——車身吸能，J；

m——碰撞車質(zhì)量，kg；

h——脈沖力臂，質(zhì)心到碰撞中心線的距離，m；

rz——z 向旋轉(zhuǎn)半徑，m；

EMz——z 向旋轉(zhuǎn)吸能，J；

v0——碰撞車初始速度，m/s。

然而在柱碰過程中，汽車不僅會(huì)發(fā)生側(cè)向平動(dòng)和繞柱（z 向）轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還會(huì)發(fā)生x 向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際運(yùn)動(dòng)為XY 平面的移動(dòng)、z 向旋轉(zhuǎn)、x 向翻轉(zhuǎn)3 種運(yùn)動(dòng)形式疊加的三維復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，文章將其簡化成XY 平面（如圖 3 所示）和 YZ 平面（如圖 4 所示）2 個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)，分別進(jìn)行理論分析。

圖3 柱碰汽車XY 平面運(yùn)動(dòng)（俯視圖）

圖4 柱碰汽車YZ 平面運(yùn)動(dòng)（后視圖）

考慮到電動(dòng)車與燃油車的結(jié)構(gòu)和布置完全不同，柱碰過程中汽車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也會(huì)有所差異，文章選取同平臺(tái)的某電動(dòng)車和某燃油車進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 汽車z 向旋轉(zhuǎn)對(duì)比分析

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)一般前置，因此整車質(zhì)心相對(duì)靠前；電動(dòng)汽車前端無發(fā)動(dòng)機(jī)，前地板下端有電池包，整車質(zhì)心相對(duì)更靠后。選取2 款典型的同平臺(tái)的燃油車和電動(dòng)汽車，根據(jù)式（1），對(duì)比脈沖力臂及z 方向旋轉(zhuǎn)吸能，如表1 所示。

表1 某燃油車與某電動(dòng)車z 向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)比

由表1 可知，相比燃油車，電動(dòng)車脈沖力臂更小，脈沖力臂越小，汽車?yán)@z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就會(huì)越少。電動(dòng)車碰撞能量中繞z 軸旋轉(zhuǎn)的能量占比僅為0.5%，相比燃油車的3.4%減少了很多。

1.2 汽車x 向翻轉(zhuǎn)對(duì)比分析

電池包對(duì)電動(dòng)車地板有加強(qiáng)作用，同時(shí)為了保護(hù)電池包，門檻、地板橫梁一般會(huì)做得較強(qiáng)。同平臺(tái)的電動(dòng)車除地板以外的上車身零件一般又是留用燃油車的。這樣就會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)車下車身反力矩強(qiáng)于上車身反力矩，這樣的結(jié)構(gòu)特性會(huì)使得電動(dòng)車在YZ 平面產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。簡化柱碰汽車YZ 平面受力，如圖5 所示。

圖5 柱碰汽車YZ 平面運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，汽車所受慣性力系可以簡化成通過質(zhì)心的慣性力和YZ 平面內(nèi)的慣性力矩。慣性力（ma）方向與加速度相反。慣性力矩（Mx/N·m）轉(zhuǎn)向與角加速度（β/（rad/s2））相反。對(duì)左側(cè)接地點(diǎn)O 列力矩平衡方程，有：

式中：l1——門檻到地面z 向距離，m；

l2——汽車質(zhì)心到門檻z 向距離，m；

l3——汽車質(zhì)心到頂蓋z 向距離，m；

l4——汽車質(zhì)心到門檻y 向距離，m；

Fup——碰撞整個(gè)時(shí)間段的上車身平均反力，N；

Flwr——碰撞整個(gè)時(shí)間段的下車身平均反力，N。

由式（2）和式（3）可得：

汽車?yán)@x 軸翻轉(zhuǎn)角度（θx/（°）），如式（5）所示。

式中：t——碰撞時(shí)間，s；

rx——x 向旋轉(zhuǎn)半徑，m；

Δv——速度變化，m/s。

汽車?yán)@ x 軸翻轉(zhuǎn)能量（EMx/kJ），如式（6）所示。

根據(jù)式（4）～式（6），計(jì)算得到燃油車和同平臺(tái)的電動(dòng)車?yán)@x 軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)比，如表2 所示。

表2 某燃油車與某電動(dòng)車?yán)@x 軸翻轉(zhuǎn)對(duì)比

從表2 可以看出，電動(dòng)車由于汽車上下反力配比與燃油車存在差異，導(dǎo)致繞x 軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)增加，電動(dòng)車?yán)@x 軸翻轉(zhuǎn)能量占比達(dá)到3.8%，這部分能量不能夠忽視，因此對(duì)柱碰過程中車身吸能公式（式1）進(jìn)行修正，如式（7）所示。

汽車在x 向翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致汽車上端侵入量大于下端。電動(dòng)車侵入量要求，如圖6 所示，對(duì)于乘員保護(hù)來講，車身上端侵入量（S1/mm）有一定限制；對(duì)于保護(hù)電池包來說，車身下端侵入量（S2/mm）也有一定限制。因此汽車翻轉(zhuǎn)角度需滿足一定條件，不能過大，過大則會(huì)侵占乘員生存空間（如圖6 中虛線所示），影響乘員保護(hù)性能的達(dá)成。

圖6 電動(dòng)車侵入量要求

從車身吸能角度來講，翻轉(zhuǎn)角度太小，車身吸能又需要增加，不利于耐撞性的輕量化設(shè)計(jì)。因此汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度需要控制在合理數(shù)值，既能滿足汽車上端乘員生存空間的達(dá)成，又有利于耐撞性輕量化設(shè)計(jì)。可以通過調(diào)整車體上下反力配比來控制汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度，如式（8）所示。

2 某電動(dòng)車側(cè)柱碰翻轉(zhuǎn)對(duì)策改進(jìn)

2.1 CAE 結(jié)果分析及對(duì)策

根據(jù)側(cè)柱碰工況建立某電動(dòng)車和某燃油車的結(jié)構(gòu)耐撞性CAE 仿真分析模型。電動(dòng)車和燃油車的CAE 解析的x 向翻轉(zhuǎn)角度結(jié)果，如圖7 所示。

圖7 側(cè)柱碰工況汽車翻轉(zhuǎn)角度CAE 分析結(jié)果

從CAE 解析結(jié)果來看電動(dòng)車x 向翻轉(zhuǎn)角度確實(shí)比燃油車大了很多。將CAE 解析得到的翻轉(zhuǎn)角度與按照式（5）計(jì)算得到的角度進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示，可見式（5）的理論計(jì)算是可信的。

表3 汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度CAE 值與計(jì)算值對(duì)比 （°）

某電動(dòng)車初始CAE 結(jié)果x 向翻轉(zhuǎn)角度為7°，導(dǎo)致汽車上端侵入量（S2=378 mm）偏大（不滿足＜370 mm的性能目標(biāo)），侵占了乘員肩部的生存空間，從而影響了假人胸部的得分，因此需要進(jìn)行對(duì)策。計(jì)劃將電動(dòng)車x 向翻轉(zhuǎn)角度減小2°，以滿足乘員生存空間要求。按照式（8）計(jì)算，汽車上端平均反力需提升9 kN。

根據(jù)section AD 斷面分析軟件，汽車上端平均反力提升9 kN，對(duì)策為在A 柱對(duì)應(yīng)柱碰位置局部增加抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa、厚度為1.2 mm 的補(bǔ)強(qiáng)件，并且將頂蓋前橫梁厚度由1.0 mm 提升至1.4 mm，如圖8 所示。

圖8 汽車x 向翻轉(zhuǎn)對(duì)策方案

2.2 對(duì)策CAE 及實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)某電動(dòng)車對(duì)策后的模型重新進(jìn)行整車側(cè)面柱碰CAE 解析。仿真結(jié)果表明，對(duì)策后各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足側(cè)柱碰結(jié)構(gòu)耐撞性目標(biāo)，如表4 所示。

表4 某電動(dòng)車側(cè)面柱碰初始方案和對(duì)策方案結(jié)果對(duì)比

實(shí)車碰撞結(jié)果也與仿真結(jié)果較為接近，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)都合格。電池模組與殼體間隙有35 mm（如圖9 所示），電池包強(qiáng)電保護(hù)合格；乘員生存空間（汽車上端侵入量）滿足目標(biāo)要求；試驗(yàn)過程中汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度為5.2°，滿足目標(biāo)要求。

圖9 某電動(dòng)車側(cè)面柱碰試驗(yàn)后電池包

3 結(jié)論

文章通過理論計(jì)算分析電動(dòng)車相比燃油車在z 向旋轉(zhuǎn)、x 向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面的差異，指出了電動(dòng)車對(duì)應(yīng)柱碰x 向翻轉(zhuǎn)的對(duì)策方向并得出：

1）電動(dòng)車質(zhì)心與碰撞基準(zhǔn)線距離更小，汽車z 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量更小。

2）電動(dòng)車車身上下反力配比存在差異，導(dǎo)致電動(dòng)車會(huì)發(fā)生很大的繞x 軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，文章針對(duì)翻轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)能量進(jìn)行了理論分析，對(duì)側(cè)面柱碰的吸能理論進(jìn)行了改進(jìn)。

3）側(cè)柱碰時(shí)如果不對(duì)汽車x 向翻轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，會(huì)導(dǎo)致汽車上端侵入量過大，侵占乘員的生存空間，從而影響乘員保護(hù)性能的達(dá)成。

4）文章通過理論計(jì)算，推算出如何選擇合理的車體上下反力配比，來控制x 向翻轉(zhuǎn)角度的大小，以滿足強(qiáng)電保護(hù)和乘員生存空間兩者性能的達(dá)成；CAE 分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性。