乘用車前端車體架構規劃

楊國勇 楊金秀 羅培鋒 饒俊威 黃涌

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院, 廣州511434）

主題詞：汽車安全性 車體架構 正碰 對碰 小偏置碰 FRB SORB MPDB

縮略語

C-NCAP China New Car Assessment Program C-IASI China Insurance Automotive Safety Index FRB Front Rigid Barrier MPDB Moving Progressive Deformable Barrier SORB Small Overlap Rigid Barrier ODB Offset Deformable Barrier RCAR Research Council For Automobile Repairs FEM Front End Module,

1 前言

汽車安全性分為主動安全性和被動安全性。汽車被動安全性指汽車所具有的在交通事故中保護乘員免受傷害的能力，其研究內容包括如車體抗撞性、乘員約束系統性能以及轉向系統防傷性能等[1]。在車體上，對乘員的保護能力主要是車體結構提供的。好的汽車產品，其車體架構在初期的設計規劃很重要。可以正常行駛的汽車，所有自身零件的搭載和遇險碰撞時的乘員保護，都主要依附在車體骨架上，根據碰撞時的功能作用，整車一般可分為3 個部分(圖1)：前端吸能區、中間乘員保護區和后端吸能區。

圖1 整車分區

高剛度、輕量化成為當今汽車設計追求的指標，但是，如何處理高剛度、輕量化，以便提高汽車性能水平，除了采用高強度、低厚度的材料外，車身結構設計是一關鍵技術。將100%重疊率剛性壁障正面碰撞簡化為代表車輛的質量為m的質心與彈簧所組成的彈簧-質量模型，碰撞力表示為F=m×a。

工程學中，一般把彈性領域內有力作用時的變形難易程度叫做剛度，但在汽車碰撞安全領域中的剛度同時包含了塑性區，認為力和變形量的關系為近似的線性關系[2]。為此，乘員保護區的車體剛度與碰撞力傳遞到防火墻時的大小密切相關，即希望前端吸能區盡量多的消耗碰撞能量。

就前端吸能區進行詳細規劃設計，首先，分析全球主要汽車市場的前端碰撞相關法規，然后，分析全正碰和小偏置碰時車體常見結構及特點。

2 中美歐前端碰撞法規對比

通過觀察汽車被動安全(前端)法規[3]對比表1可知：

表1 汽車被動安全(前端)法規對比

（1）強制法規方面

中/美/歐的檢測方法有較大差異，就工況達成難度而言，美國法規的56 km/h FRB最嚴格。中/歐的50 km/h FRB 主要是碰撞速度略低，在達成50 km/h FRB后，提高主縱梁剛度強度的情況下(為了全球車型的最大通用化：主縱梁的截面及位置保持一樣)，一般通過增加車體前端的X向(整車前、后方向,下同)潰縮空間實現56 km/h FRB 需求(如本田某款全球化的A 級車，在車體架構相同的情況下，中/美版本的車體前端X向相差55 mm)。

（2）安全星級方面

中/歐的MPDB 和行人保護難度較高。MPDB 對車體的攻擊性提出了要求，相對碰撞速度達到100 km/h，由于車體主縱梁參與作用且臺車是可變形壁障，加之后續SORB 對上縱梁的前伸和強化也為MPDB 分力較多，故此工況相對較容易實現。64 km/h 的ODB 在2021 版的CNCAP 中已取消，因為從近幾年新車型的碰撞成績看，基本都能拿到高分。行人保護主要是對小型車難度較大，因為頭碰時對發罩區域的Z向(整車高度方向,下同)潰縮空間需求大，但車體尺寸要小、坐姿要低相互沖突。對于美國法規中其它小角度前碰工況，在車體架構達成FRB 和SORB 工況的情況下，適當優化即可改善。

（3）保險評級方面

中國C-IASI 規程同時兼顧了美標的SORB 和歐盟的前RCAR，是汽車被動安全中最難同時兼顧的。因為2 者存在一定的矛盾關系：SORB 是64 km/h 的高速碰撞，考核的標準是乘員艙關鍵點侵入量要小，要求乘員艙的剛度足夠大，實際上整車前端吸能區若能充分發揮作用，可以減小乘員艙的承力要求。而前RCAR是15 km/h的低速碰撞，要求碰撞后整車的維修費用占比相對整車成本要小(即要求主縱梁前端吸能盒可抑制散熱器之后結構的塑性變形)。SORB 若要前端吸能多則要求吸能盒不能太軟，RCAR 若要性能好則要求吸能盒不能太硬，故沖突明顯。

綜上，通過3個全球化車型開發的實際經驗，在開發車體架構時，從消費者角度考慮，重點關注的工況順序為:SORB-FRB-其它(行人保護/RCAR/帶角度高速碰撞)。

3 前端車體架構規劃

從整車角度看，前端碰撞時的傳力路徑主要分為3條(圖2)：副車架、主縱梁、上縱梁。

圖2 整車前端碰撞傳力路徑

副車架主要通過螺栓與車體連接，其Y向(整車寬度方向,下同)位置基本與主縱梁重合，在SORB 工況中，副車架與碰撞壁障的有效重疊很難做到壁障的平面區域，主要受整車的布置空間及副車架成本的約束。其X向長度，在50 km/h 的FRB 工況中可以起到輔助作用，但非必要項。然而，在56 km/h 的FRB 中，副車架的功用比較明顯，框式帶小縱梁的副車架可以吸收和傳遞全正碰撞時約15%的能量，可降低主縱梁的開發難度、成本和X向的潰縮空間需求。隨著CNCAP 的MPDB 實施，副車架作為前端傳力路徑之一的必要性更為突出：分散碰撞力，防止主縱梁傳力太集中而擊穿臺車壁障。

主縱梁是整車前端碰撞時的主要傳力路徑，尤其在FRB 和MPDB 工況下承擔70%以上的能量吸收和傳遞(詳見第5 章)。主縱梁有直梁和彎梁行式，但無論哪種結構形式，其與SORB 壁障的接觸區主要在弧角處，同時受X向壓力(即潰縮/折彎吸能)和Y向推力(即傳遞碰撞力到車體另一側)，故此工況下作用有限。

上縱梁作為整車前端碰撞的第3 條傳力路徑，隨著國內對整車碰撞范圍的增大而逐漸得到重視。在沒有SORB 工況時，上縱梁主要為前減震器和發罩鉸鏈等提供足夠的安裝點剛度即可，故此時的上縱梁比較短小。但SORB 工況提出后，由于上縱梁與碰撞壁障的有效重疊(壁障平面區域)優勢，通過自身的潰縮和拆彎可以吸收更多能量，其將在SORB 工況中發揮重要作用(詳見第4 章)，同時強化后的上縱梁有益于FRB/MPDB等前碰工況。

4 小偏置碰撞的車體架構

從整車角度看，SORB 工況下乘員艙關鍵點侵入量的大小，與碰撞壁接觸到防火墻和門檻前端時的初始力密切相關，故要求車體前端吸能區要在此前發揮最大吸能作用[16]。

從車體系統看，前端車體架構在X向主要是主縱梁和上縱梁(整車的Y向主要依靠橫梁連接車體左/右部分，對SORB 影響相對較小)，主縱梁由于與壁障有效重疊量小的原因而吸能很少，主要起到支撐上縱梁穩定性的作用(即上縱梁與主縱梁在Y向一般會有強連接的數個扭力盒)。因上縱梁與壁障之間相對關系的優勢，其結構形式可以做到多樣化[17]。綜合多方影響和實際車型開發約束等，前端車體架構一般可分為3類(見表2)。

表2 前端車體常用架構

（1）主縱梁外飄式（圖3）

主要靠主縱梁前端Y向外飄，增大與SORB 壁障的有效接觸面積，同時上縱梁前伸支撐主縱梁的Y向穩定性，共同作用以減小碰撞能量傳遞到乘員艙。此結構有利于提高前端模塊(Front End Module,FEM)集成度和增大前機艙布置空間，但車體架構吸能一般，故對乘員艙的剛度要求較高，即乘員艙區域的鈑金增重多。

（2）上縱梁環抱式（圖4）

采用常規主縱梁結構的情況下，上縱梁前伸與FEM 中的水箱上橫梁強化連接，左/右上縱梁形成一個封閉的受力框架，輔于與主縱梁之間的數個扭力盒和立柱的支撐，此框架根據碰撞速度和整車質量而設計，可以產生足夠的Y向推力而使整車在SORB 時側向滑移，避免乘員艙直接接觸到碰撞壁障。此結構的FEM需采用剛度大的金屬材料，上縱梁截面和厚度也比較大，故輕量化水平較低。車輛首次碰撞后產生橫向滑移后的速度仍然較大，產生二次碰撞或傷害的風險也大，故需要采用更多功能的安全約束系統(如加長的側氣簾、膝部氣囊等)。

圖3 主縱梁外飄式

圖4 上縱梁環抱式

圖5 上縱梁吸能式

（3）上縱梁吸能式（圖5）

采用常規主縱梁結構的情況下，上縱梁前伸并下探到主縱梁前端，通過數個扭力盒與主縱梁Y向強連接，起到主縱梁受Y向推力，上縱梁在壓潰吸能時借助主縱梁的拉扯而吸收更多能量。前端吸能盒Y向加寬并采用吸能量更好的鋁材，最大程度地提高車體前端吸能能力，達到車體剛度和輕量化均衡。此結構加寬的吸能盒會影響部分車型的前臉局部造型或行人保護，需根據實際情況分析取舍。

5 全正碰的車體架構

在《汽車碰撞安全》中，水野幸治提出乘員的減速度受到如約束系統的性能等各種因素的影響，但車體緩沖效率(車體緩沖能量的最大值與乘員動能的初始值之比)是最重要的因素之一[3]。故車體在架構規劃時要重點研究吸能區(圖6，ABC為吸能區，D為乘員保護區)如何更好地緩沖吸收能量，而非“以剛克剛”的碰撞理念，降低乘員艙剛性提升的代價。

圖6 前端吸能分區

在FRB 碰撞工況下，剛性壁障比較寬，整車的3個傳力路徑，都處于有效重疊區。但從空間布置看，主縱梁在X方向上，比副車架和上縱梁均要突出，故在碰撞時首當其沖，需要承擔主要能量的吸收和傳遞。從傳力和吸能角度考慮，主縱梁建議采用直梁形式，從高速行駛的穩定性考慮，需要整車的重心越低越好，故主縱梁Z向離地間隙需盡量小。若是彎曲的主縱梁，則副車架和上縱梁需分擔更多的碰撞力，目前主要在部分豪華車型中應用(與前懸架的結構種類密切相關)。從全球化車型開發角度出發，考慮不同市場對車輛的性能需求和車型零件部件的通用化，在做好50 km/h FRB 車體架構情況下，通過增加主縱梁前端吸能盒的長度和剛度來滿足56 km/h FRB是一個較理想的方案。

上縱梁和副車架作為2 條次要前端碰撞傳力路徑，希望盡量早的介入到碰撞中，即要求其盡量X向前伸，尤其在56 km/h FRB工況下，需求更強烈。另外，隨著市場對軸距加長的需求(提高乘員空間和乘座舒適性)，在整車長度一定情況下，必然壓縮前/后端吸能區，故多路徑分散傳力和吸能的車體架構會越來越普遍。

6 低速工況下的車體結構

行人保護和RCAR 是低速碰撞，從仿真分析和試驗結果看，主要是潰縮空間的需求，當空間余量不足時，鈑金結構很難實現其傷害值低的要求。

擺錘試驗，中美歐均有明確的強制法規要求，碰撞速度均不超過4 km/h，當擺錘與防撞梁滿足最小重疊量≥30 mm 時，滿足法規較容易。若前防撞梁與擺錘有效重疊量不足時，可在前防撞梁上端或下端增加擋塊(圖7)。

圖7 擺錘有效重疊量

7 結束語

截止2020年6月，我國汽車保有量超過2.7億輛，自2015年以來逐年凈增2千萬輛以上，其中換新車的消費者每年在50%以上，其對新車的安全性、舒適性、質量穩定性都有更高的要求。結合C-IASI-2018 和C-NCAP-2021 的實施，法規在指導消費者購車時更具影響力。放眼中、美、歐等主要汽車消費區的法規看，中國已經全面加嚴并擴大檢測范圍，兼顧各方特色而成一體，即要求汽車主機廠在國內設計或銷售新車型時需全面提升質量和安全性，其中車體架構的規劃更為基礎和重要。完整的車體架構搭建以后，可以提升汽車的質量穩定性并降低開發周期和生產成本，更好地服務于消費者。

車體架構搭建時，由SORB工況的需求入手，吸能區、傳力區、乘員保護區各司其職并相互支撐，找到一個相對合理的剛度與輕量化的均衡點。在此基礎上，彌補FRB工況，降低主縱梁的吸能和傳力需求。其它類型的前端高速碰工況(如MPDB、ODB、帶角度前碰等)，均介于SORB和FRB之間，適當優化改善即可。