雨刮行人保護結構及其設計要點分析

韋富貴

摘 要：雨刮位于汽車行人保護的頭型保護區(qū)域，在設計過程中需要考慮壓潰吸能結構，為滿足汽車對行人的碰撞保護要求，本文介紹了汽車雨刮的壓潰結構及其設計要點，并對其試驗方法進行簡要說明，為其他車型的優(yōu)化或設計提供參考。

關鍵詞：雨刮 行人保護 壓潰

1 引言

基于GTR09制定的行人保護法規(guī)《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式實施，而C-NCAP《管理規(guī)則中》中對行人的頭部（包括成人和兒童）和腿部（上、下腿型）保護性都提出更為嚴格的要求[1]。雨刮行人保護旨在降低行人頭部傷害，本文主要介紹雨刮的行人保護結構，并對其設計控制要點進行介紹。

2 行人保護介紹

在C-NCAP管理規(guī)則中，行人保護的評價由頭部和下腿部2部分組成[2]，頭部保護見圖1。

在《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）中，對行人的頭部傷害進行了詳細分解說明，但每一款車的造型有差異，相關的頭型傷害指數各不相同，但都要求車身在碰撞后都能吸能潰變，降低行人收到的傷害。

雨刮電機連桿總成位于行人保護頭部碰撞區(qū)域之內，因此在設計開發(fā)過程中就需要考慮吸能結構。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，駕乘人員的視野要求越來越高，越來越多的車型通過風擋裝飾板的合理造型與雨刮總成的合理布置，將雨刮輸出軸布置在發(fā)動機蓋下方，這樣頭部碰撞時無法與雨刮軸直接接觸，在一定程度上降低頭部傷害值，降低了雨刮的設計難度。但該方式對雨刮的總布置要求較高，而且就算雨刮布置在發(fā)動機蓋下方，由于空間限制，發(fā)動機蓋在碰撞過程中的變形還是會接觸雨刮軸，同樣會對行人頭部造成傷害。所以可以根據要求設定合理的雨刮壓潰力，在碰撞過程中，雨刮受力達到極限值時整體壓潰下沉，增加碰撞吸能空間，從而降低行人頭部傷害[2]仍然是必要的。

3 雨刮行人保護結構介紹

雨刮的行人保護結構通過被壓潰實現，壓潰結構主要分潰縮結構和潰斷結構。

3.1 潰縮結構

潰縮結構中（參見圖2），雨刮在無外力條件下，擋圈裝配到擺軸卡槽里面，確保擺軸不會下沉。行人頭部撞擊后，雨刮擋圈受力后開口尺寸增大后從擺軸卡槽中退出，止動失效，擺軸吸能后潰縮下沉，減小行人收到的傷害。

3.2 潰斷結構

潰斷結構中（參見圖3），支座設計時設計應力集中點，行人頭部撞擊時，支座吸能后潰斷，整體下沉，減小行人收到的傷害。

4 雨刮行人保護結構設計要點

受整車造型及相關結構設計影響，各主車廠對碰撞力的要求不一，不過絕大多數主車廠要求在1000N～2000N范圍內，即擺軸受到1000N的正壓力，行人保護結構不能壓潰（確保正常的功能要求），擺軸受到2000N的正壓力，行人保護結構必須要壓潰（確保行人保護結構有效）。在雨刮設計時，需要對行人保護結構進行校核分析及設計驗證，以滿足主車廠要求。

4.1 潰縮結構

根據潰縮結構的受力分析（參見圖4），圖示水平方向有：

F彈力+μ*F正壓力*sinα=F正壓力*cosα ①

圖示豎直方向有：

F壓脫力=μ*F正壓力*sinα+F正壓力*μ*cosα ②

整理①、②得到：

F壓脫力=F彈力*（sinα+μ*cosα）/（cosα-μ*sinα） ③

通過③式可知，擋圈的彈力、擺軸環(huán)槽斜面角度α以及擺軸環(huán)槽斜面摩擦系數μ決定了其壓脫力，其中基本上雨刮生產商的擋圈結構尺寸及材料均已固定（內部標準件）。在應對不同客戶要求是（壓潰力不同），需要不同的環(huán)槽斜面角度及環(huán)槽斜面摩擦系數，環(huán)槽斜面摩擦系數由其表面粗糙度決定。

擺軸潰縮的行人保護結構中，要重點控制擺軸環(huán)槽的斜面角度及其表面粗糙度，該結構對擺軸加工工藝性和一致性要求較高，但壓潰后可以恢復。

4.2 潰斷結構

因為潰縮結構對擺軸加工的共一箱和一致性要求較高，很多主車廠和供應商均選擇了潰斷結構，下面以圖3所示的常用結構進行應力分析。

在模擬裝配固定零件后，支座的最大應力點應與設計相符，滿足設計要求，針對不同應力的下的潰斷要求，對應力集中點強度進行優(yōu)化。

關于潰斷結構的行人保護中，主要通過潰斷位置的零件料厚及折彎倒角來控制，參見圖6～圖8。

結構1、結構2中料厚主要控制零件強度，應力集中點折彎半徑對壓潰力的貢獻量會比較突出，結構3中料厚影響較大，該結構不利于控制零件強度，市場運用中較少。

另外，潰斷結構中，還需要確認潰斷后零件下沉空間是否滿足（參見圖9），如下沉空間不能滿足，則潰斷失效。

5 雨刮行人保護試驗

雨刮設計生產后，需要通過實車碰撞模擬試驗或模擬安裝后壓潰試驗來進行驗證，保證行人保護結構是否滿足要求。

（1）實車碰撞模擬試驗中，試驗頭型以規(guī)定的角度、沖擊速度對試驗區(qū)域進行碰撞，要求試驗區(qū)域的HIC（頭部傷害指數）滿足相關要求，首先檢測雨刮軸是否會被接觸，若接觸且受力要求觸發(fā)行人保護條件，則需檢查雨刮是否被壓潰。若雨刮擺軸受到的沖擊不足以觸發(fā)，應盡量保證雨刮強度，保證在雨刮在正常的物流轉運，裝配及正常的使用壽命及強度要求。

（2）模擬安裝后壓潰試驗需要整車模擬計算分析，給出對應的壓潰力要求，通常會給出壓潰力的上下限，下限及保證雨刮自身的強度，上限即為壓潰結構的承載極限。該試驗中需要根據車身安裝點制作雨刮安裝臺架，模擬實車安裝將雨刮固定在臺架上，按照規(guī)定的加力速度對雨刮擺軸進行壓潰試驗，檢查壓潰力是否滿足要求。

6 結語

雨刮的行人保護結構主要有擺軸潰縮及支座潰斷兩種，不同的結構其壓潰原理不同，在生產制造過程中，支座潰斷結構在汽車生產中使用較多，但由于擺軸潰縮結構的可恢復性（維修成本低），仍有少量汽車生產制造廠采用該結構。本文結合生產制造經驗對擺軸潰縮及支座潰斷兩種主流的雨刮行人保護結構進行介紹，對行人保護的試驗方法進行描述。可通過優(yōu)化設計來提高行人頭部碰撞的得分，從而達到滿足行人保護法規(guī)要求，為整車安全提供理論依據。

參考文獻：

[1]譚冰花，趙正，李博.C-NCAP （2018） 行人保護對汽車設計開發(fā)的影響（J）計算機輔助工程.2017（05）.

[2]《C-NCAP管理規(guī)則》（2021版）.

[3]肖育林.雨刮行人保護設計在汽車研發(fā)中的應用（J）上海汽車.2015（05）.