微轎水箱安裝橫梁的結構優化

胡智勇，劉忠剛，李 遠，張建明，劉仲陽

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

安全性和環保性是當今汽車發展的主要方向，當人們在購買和使用汽車時，首要關注的就是與自身有密切相關的安全性能，提高汽車的安全性是汽車工業的主要任務。同時隨著地球能源的日益緊張和人們節能減排意識的日益提高，微型轎車由于能耗低、靈活性強，越來越受到人們的青睞。出于自身成本與設計的原因，微型轎車前艙的布置通常比較緊湊；如果刻意為了提高車身的安全性，傳統的設計方法需要增大車身的結構，增加車身的重量和長度，這樣會造成影響到汽車整體布置。所以微轎的成功與否同安全性、整體布置之間的平衡有直接的關系。為了使微轎結構更安全，性能更強大，車身前艙結構勢必要進行更多的創新與優化。本文主要介紹汽車前艙中的一個部件——水箱橫梁的結構優化。

1 汽車的被動安全防護

被動安全是指車輛在發生不可避免的事故后，車體及約束系統對車內乘員和在外行人進行保護，使人員的傷害程度降到最低。

目前汽車上普遍采用的被動安全措施主要包括采用安全帶、安全氣囊等乘員約束系統來保護乘員；采用結構緩沖與吸能措施來減少碰撞過程中乘員承受的碰撞能量。其中提高汽車碰撞安全吸能的一個主要方面就是改善汽車的結構緩沖和吸能特性。它一般是靠設計具有較好變形吸能特性的安全車身結構來吸收碰撞能量，即通常所說的“碰撞吸能結構”。

1.1 碰撞吸能結構

車身主要由薄板結構構成。在正面碰撞中，車身縱梁在碰撞中承受主要的吸能與抵抗外力變形，一般縱梁吸能占總能的50%以上，所以，優化縱梁的正面碰撞特性可以明顯改善縱梁的吸能特性，保證乘員的安全。 為了在發生碰撞時更好地保護車內乘客的安全，轎車車身的前后還設計有變形區，或者稱之為吸能區。以便保證在發生碰撞時，轎車車身的變形能夠按照預先設計的方向逐漸變形直至停車，從而盡量減小傳遞到乘客艙和乘客身體的沖擊，減小乘客艙的變形，保障車內乘客安全。設計變形吸能區時，需要在車身上設計一些強度比較小的區域。在發生碰撞時這些區域會斷裂或者發生折疊，而不會向乘客艙方向擠壓。經過精確設計變形吸能區的轎車，可以準確預測發生碰撞時車身的變形方向和程度。

1.2 吸能區結構的設計原則

通過設計人員多年的研究與分析，汽車碰撞吸能結構方面也取得了大量的成果，以下是幾條通用的設計原則：

（1）碰撞過程中，能量吸收結構的變形模式應當穩定，具有可重復性和可靠性，即吸能結構在隨機的碰撞事件中能以相對固定的模式吸收碰撞能量。

（2）在能量吸收過程中，應控制質心加速度以保護乘員的安全，將加速度引起的慣性力過載控制在人體傷害極限范圍內；

（3）為了吸收更多的總動能，吸能結構應提供盡量多的變形行程，而且在變形前不占據過大的空間，變形后不造成次生破壞（例如侵穿或碎片飛裂等）；

（4）出于節能的要求，裝置在汽車上的能量吸收結構應該質量較輕，具有良好“比吸能”，即單位質量所吸收能量較高；

（5）能量吸收裝置通常是一次性使用結構，成本低廉，易于制造和更換。

現代轎車的變形吸能設計通常為盒狀吸能區結構，吸能盒是一個封閉的腔體（見圖1），并分布有潰縮筋，布置在防撞梁后面，起緩沖作用。

2 微轎水箱安裝橫梁的優化

汽車水箱安裝橫梁通常布置在汽車前艙中的前部，它的主要作用是安裝固定汽車散熱水箱，同時對汽車正碰時產生的碰撞力給予分解與緩沖。

對于微型轎車，由于車型的限制，前發動機艙的結構改進幅度只能是漸進式。為了充分挖掘水箱安裝橫梁的功能性，提高車身正碰的安全性，對水箱安裝橫梁的結構有針對性的進行了兩方面的優化：

（1）在可控制加長車身的情況下，增加吸能區結構；

（2）減少與車身的固定連接點，增加前發動機艙的使用空間（見圖2）。

2.1 新增吸能區結構的CAE分析

根據吸能區結構的設計原則，在水箱安裝橫梁的下部左右安裝處各增加了一個盒狀的吸能結構，吸能盒結構上設置有潰縮筋，同時水箱橫梁的支撐板由板狀改為槽裝結構，與吸能盒一起作為碰撞吸能區對碰撞力進行緩沖。經過對改進前后數據進行車身碰撞CAE分析對比，可以得到加速度（Acc.）、速度（Vel.），左、右側曲線圖見圖 3、圖 4。

首先，在加速度曲線對比圖中可以看到：改進后的方案達到的第一峰值和第二峰值均比改進前方案有大幅度的減低；其次，在速度曲線圖對比圖中可以看到：改進后的方案在速度降到0 km/h時所用的時間長于改進前的方案。綜合對比可以得出結論：由于增加吸能區結構的因素，對碰撞力產生了緩沖和吸收，可以使車身受到的碰撞動能有明顯的減少。

為更直觀的觀察車身受力變形情況，進行車身變形CAE的分析，根據不同時間點對前車身碰撞左視圖進行觀察（見圖5）。

由圖5可以看出在0.012秒前，車身受到的動能充分作用在吸能區結構上，當吸能區變形結束后，才將碰撞力傳給縱梁。所以，在車身碰撞開始階段，吸能區將大量動能進行吸收，從而降低了車身的碰撞峰值力，減輕了碰撞傷害。

2.2 獨立簡潔的水箱安裝橫梁結構

在改進車身被動安全性能的同時，綜合考慮了水箱安裝橫梁結構改進后的結構簡化，平衡因新增吸能區而增加車身重量。

設計該水箱安裝橫梁結構為獨立的門式結構（見圖6），上部安裝固定汽車散熱水箱1，下部與車身連接固定處集成了吸能盒結構2，吸能盒的前部使用螺栓固定前防撞加強梁3。

由于在結構中集成了吸能盒結構2，水箱橫梁支撐板4由板狀結構變成槽狀結構，使水箱安裝橫梁在車身X方向上的穩定性大大增加。同時通過水箱安裝板5的焊接，與水箱上橫梁6及水箱橫梁支撐板4形成三角加強結構，保證了水箱安裝橫梁的強度，進而取消傳統的輪罩板與水箱安裝橫梁連接方式，使其結構簡化緊湊，在保證水箱安裝橫梁強度的同時，達到輕量化、增加前艙安裝空間的目的。

3 結論

通過對水箱安裝橫梁的結構優化，在可控的增加車身長度下，可以大幅度提升車身安全性，同時簡化了車身結構，改善前發動機艙的空間布置，降低了整車的成本，對微型轎車的性能有重要的提升作用。

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