正面碰撞車身設計基本思路

張路 楊志剛 林祥輝

極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

被動安全設計開發(fā)涉及兩個主要方面：車身結構耐撞性和約束系統(tǒng)開發(fā)。車身耐撞性結構設計是整車被動安全設計的基礎，其中，車身結構剛度和強度這兩個指標是車身耐撞性考察的重要指標。車身剛度指的是車身的抗沖擊能力或抗變形能力，指在低速碰撞過程中零部件不損壞的特性，這一點能夠保證維修經(jīng)濟性；強度是抵抗外力的塑性變形或抵抗車身被破壞的能力。在碰撞安全中，剛度影響低速碰、強度影響高速碰。車身的這兩個指標，主要是由車身的結構設計、材料強度、鈑金料厚、焊接工藝和粘膠連接質(zhì)量決定。本文是以高速碰撞下車身結構設計為重點進行闡述。

2 生存空間與變形區(qū)域

車身結構設計，首先要保證的是車內(nèi)乘員的有效生存空間，也就是要將車內(nèi)乘員艙設計成整個車身骨架結構中最強的區(qū)域；而乘員艙之外的部分（發(fā)艙、后備箱）主要用于碰撞變形吸能。乘員艙內(nèi)外需要共同作用、相互配合，才能在汽車發(fā)生高速碰撞時，為乘員提供安全的提前（生存空間），后由約束系統(tǒng)約束住乘員，確保人員低損傷或不受損傷。

高速碰撞中，決定汽車的安全因素不是車身外部鋼板的厚度，而是帶有逐級吸能及具有良好抗變形能力的車身結構，使乘員艙不發(fā)生形變(見圖1)。同時，良好的變形形式，是確保整車加速度曲線及曲線走勢的基礎，也就是整個碰撞過程都需要進行有序控制。

圖1 吸能車身結構示意圖

對于正面高速碰設計，發(fā)動機艙加上儀表板區(qū)域可劃分為三大塊，如下圖2所示。前部為主要吸能區(qū)域；中間為不可變形剛性區(qū)（一般為發(fā)動機或者是電機類的不可變形物）；動力總成后部到乘員艙的儀表板部位為次要變形區(qū)或不可變形區(qū)域，變形區(qū)域一般是Kickdown處的彎曲變形、防火墻、前地板及IP橫梁的變形，但此處變形需重點關注，不可因變形過大而過分損失生存空間，很多碰撞安全性能不好的車輛，出問題多數(shù)處在Kickdown結構處。

圖2 前部結構總體布局

3 力傳遞

當車身正面碰撞時，前保險杠將正面?zhèn)鬟f來的碰力傳到前縱梁上（有些車輛還會有shotgun和副車架結構參與吸能）。碰撞沖擊力的吸收和分散如下：一般車輛的碰撞吸能，首先是由發(fā)動機艙部位的前縱梁潰縮吸能，前縱梁沿縱向進行逐級潰縮，吸收大部分能量；剩下的正面沖擊力和能量將分散至車身骨架的其他區(qū)域。如下圖3a和圖3b，源自馬自達CX5的車身結構，就能很好的詮釋這一要點。

圖3

馬自達CX5正面碰撞，力傳遞分配特性類似下圖4a所示，都為三層力傳遞結構，有圖可以看出，主要的承力結構還是縱梁。而現(xiàn)階段，有將副車架參與碰撞時刻遷移并強化副車架傳力的趨勢，如圖4b所示。圖4b相比圖4a在副車架前端進行了伸長，并在前段增設吸能盒，同時還需加強副車架。類似結構可參看圖4c費翔車型的前部吸能結構。

圖4

4 截面力與結構布局

由前面章節(jié)所述，正面碰撞的設計要點，從車身的結構變形要求來看，需要由外向內(nèi)逐級潰縮。這就要求整個車身的結構設計強度，需要由外向內(nèi)逐步強化。乘員艙要求結構完整、保留有效的生存空間，乘員艙外部的變形則是需要有序變形來吸收碰撞產(chǎn)生的能量；同時，還要保證部分件的變形不能過多影響成員艙內(nèi)的結構變化，特別是相關約束系統(tǒng)比如轉向管柱。轉向管柱的變形，會比較容易受乘員艙外部變形而牽扯，同步引起到乘員艙內(nèi)方向盤的上下、前后的位移變化，這時候就需要重點去考量。本文的重點是闡述車身結構設計思路，轉向系統(tǒng)作為約束系統(tǒng)的一部分，不是本文闡述的重點。

碰撞變形既然是有序變形，則需要將車輛的前部結構進行劃分，一般可劃分為五個區(qū)域，如圖5所示。具體車型按需靈活進行劃分，但總體思路是由前向后逐步加強。S1到S4這四個受力區(qū)域，截面力的規(guī)劃如下所述：

圖5 界面力規(guī)劃圖

S1：這個變形區(qū)段，主要是從前保蒙皮到散熱器之前這一段，此段變形吸能主要由保險杠橫梁和橫梁安裝吸能盒來承擔，為主要吸能區(qū)段；

S2：一般是位于輪罩前的縱梁變形區(qū)，這段變形吸能主要由縱梁、shotgun前段來承擔，這段縱梁一般也會設計有吸能結構；

S3：一般在輪罩和防火墻之間，這段變形吸能主要由縱梁、輪罩、shotgun來承擔；

S4：這段變形主要指防火墻、IP、前地板、kickdown變形，重點主要注意kickdown的變形控制，以防止侵入量的加大而影響乘員生存空間。

S2和S3之間是動力總成，此段是剛性區(qū)域，不在截面力規(guī)劃的范圍內(nèi)。對于以上四段區(qū)域，結合有序潰縮、外弱內(nèi)強的設計思路，每一段都需設定不同的截面力。各截面的截面力要有一定的梯度變化，以達成逐級潰縮的目的，那這個要求就是F1＜F2＜F3＜F4。

5 材料

乘員艙結構的強度需要得以保證，以保證乘員艙的有效生存空間，這是基礎。那么在設計車身結構時，特別是車身骨架與A柱、B柱和C柱的主要接頭，可設計成多層結構并增加加強板加強；對于重點區(qū)域，可考慮使用高強鋼來強化車身結構。

車身材料的選取，重點需要關注的是材料力學性能，此性能決定著零部件壽命、成型及強度。但在這里，實際會存在著一個矛盾。材料強度越高延伸率就越低，沖壓成型就越差，相反亦然。成型性和強度，正是選擇材料時的最大矛盾。成型優(yōu)劣和強度的取舍，正是選材時的最大矛盾點，這個需要去平衡，或者用更先進的工藝。需要強調(diào)的是，材料只是決定零件強度的因素之一，主要還是靠結構的優(yōu)化設計。也就是說，零件的結構設計，在整車被動安全設計中有著更大的份量。

6 鋼板厚度

車輛有承載式和非承載式，非承載車身有車架，主要應用在乘用車的硬漢越野車中，因為車架的強度一般都很強，乘員艙的結構能夠容易被保證。而對于承載式車身來說，其乘員艙的結構完整性還是需要重點把控，其車身鋼板可分為兩種：

關鍵結構件、重要受力件的內(nèi)板或加強板。需要依據(jù)這個零部件所處的部位，去判定其強度、剛度的需求，其厚度一般設定在0.7mm～3.2mm之間。對于車身骨架，當然是鋼板強度越高越好，乘員艙也就會越牢固。對于車身下部的前縱梁，是碰撞力傳遞與吸能的主要結構件，其鋼板厚度與強度是由小到大漸變的、腔體截面積也有可能逐步增大；越靠近駕駛艙位置強度越大，這是為了保證在發(fā)生碰撞時，前縱梁可以實現(xiàn)逐級線性變形，從而充分吸收能量，降低碰撞加速、減少乘員艙變形。

外板：主要是作為覆蓋件作用，而非功能件、非受力件，厚度一般在0.6mm～0.8mm之間即可。

另外，外板越厚則剛性越大，在發(fā)生低速碰撞時不易變形，車輛的損失小；但高速碰撞時，前部外板的剛性如果過大，則會而導致成員艙受迫擠壓，不利于前排乘員的保護。逐級潰縮、強度逐步增大的吸能車身，有利于在高速碰撞時能夠更加有效的保護乘員，但是在低速碰撞時車身前部易變性而造成車主的較大損失，所以使人有誤解。

需要指出的是，發(fā)蓋和行李箱蓋板是不能太厚的，因為一旦受到碰撞力，從保護乘員安全考慮，發(fā)動機蓋板或行李箱蓋板要求必須曲卷。如果鋼板太厚或材料剛度很大，在碰撞時不容易發(fā)生褶皺，而有幾率插入乘員艙，這對于乘員是致命傷害。另一方面，基于行人保護的法規(guī)要求，前后蓋需要有一定的受力緩沖功能。

當然，外板也不是越薄越好（輕量化所需），也必須滿足一定的剛度要求，否則又會引起NVH問題；當車輛急劇的加/減速、拐彎和顛簸的時候，車身容易變形。所以，四門二蓋一般度偶會增加內(nèi)襯板（如圖6所示），以提高車身外板剛性。由此可以看來，那些以車身外板的厚薄來判斷車身安全的觀點，是對車身結構不了解而產(chǎn)生的誤解，不可取。

圖6 提高發(fā)動機蓋剛度的內(nèi)襯板

7 焊接

前文闡述了結構設計與材料的選取，對于車身耐撞性的重要性，但結構件與結構件之間一般是需要焊接/粘接連接，那么焊接/粘接則是保證結構件完整性的工藝保證。隨著焊接工藝的提升，汽車行業(yè)普遍采用人工焊接、機器焊接或機器焊后人工補焊的形式，對于一些小的鈑金件、機器不便操作或很繁瑣的焊接工序可采用人工焊；對于長條、大面、質(zhì)量一致性要求很高的區(qū)域結構可以用機器焊。

在碰撞試驗（仿真或?qū)嵨镌囼灒r，焊接部位若發(fā)生開裂、拉脫的現(xiàn)象，可以調(diào)整焊點布置或增加焊點數(shù)量。關鍵承力區(qū)域可采用激光焊或者MIG焊。這種工藝的優(yōu)點是工件變形小、焊縫深度廣，而且不會因為傳統(tǒng)的搭焊浪費原材料，強度也有保證。

8 總結

從乘員防護要求出發(fā)，不能把碰撞的巨大能量傳遞到乘員身上。所以車身設計應該遵循：需壓潰吸能的區(qū)域結構就要弱化，需抵御碰撞的區(qū)域結構就要加強。考慮車身受力狀況，應讓部分車身結構在碰撞時起到“吸能分散”作用，減弱被動沖擊力，最大限度保護乘員，這也是現(xiàn)代安全車身結構的基本理念。同時，被動安全設計需要有集成化的思想，因為此性能設計還涉及到NVH、輕量化等專業(yè)，不可只關注安全設計而忽略的其他性能。