乘用車前后保護裝置設計

宋小寧 錢鈞 李利瓊

（安徽江淮汽車股份有限公司）

汽車前后端保護裝置是整車重要組成部分，碰撞發生時，能充分吸收碰撞能量，減輕乘員所受傷害，減小車體變形[1]。傳統的通過試驗驗證的方法往往會影響到整車開發周期，文章重點介紹了該系統的正向設計方法、要點及借助于計算機輔助計算進行設計階段的校核分析。并通過某款車進行驗證，該設計方法合理有效，且滿足整車性能要求。

1 前后保護裝置組成

乘用車前后保護裝置組成，如圖1所示。

保險杠總成布置在整車最外表面，是發生低速碰撞時最先易受損部件，為了降低保險杠碰撞受損程度，在保險杠內側需布置吸能墊。防撞梁總成固定在整車縱梁上，兩側吸能盒可有效吸收低速碰撞時的能量。3個部件構成一個系統，在發生低速碰撞時，能有效吸收碰撞能量，保護車輛。各部件之間布置結構，如圖2所示。

2 前后保護裝置設計

整車前后保護裝置設計要確保低速碰撞時能有效吸收能量，一方面要合理選擇各部件材料，另一方面要根據相關汽車法律法規的要求，進行各零部件的合理布置，盡可能增大文獻[2]所描述的安全距離，并結合計算機輔助計算進行設計驗證分析。

2.1 前后保護裝置法規要求

國內外關于乘用車前后保護裝置的法規項要求，如表1所示。各標準中對碰撞器尺寸、基準高度、碰撞速度及碰撞試驗等均有明確要求。

表1 乘用車前后保護裝置法規要求

2.2 前后保護裝置材料選擇

保險杠布置在整車最外表面，低速碰撞時最易受損，維修頻次也相對較高，所以產品設計時材料多選擇成本合理、韌性較好的PP+EPDM改性材料。吸能墊為了有效吸收碰撞能量，多采用EPP發泡材料，設計時根據不同車型選擇不同的發泡倍數。常用的有30，40，50 g/L。而防撞梁通常根據車型大小、整車質量及防撞梁斷面結構形式等進行相應的選材。目前主要有普通鋼板、中高強板、鋁合金及聚丙烯增強復合材料（PP+GF）等。

2.3 前后保護裝置設計方法及要點

以在中國區域銷售的某乘用車為例，重點介紹前后保護裝置設計方法及要點。

2.3.1 碰撞器的布置設計

碰撞器的布置通常需先確定整車整備質量姿態及加載姿態的地面線，再根據GB 17354要求及保險杠造型來布置整車碰撞器位置，最后進行相關碰撞饋縮空間和CAE分析校核。

按照GB 17354要求，碰撞基準高度為445 mm（圖3），在此高度上，汽車無論處于整車整備質量狀態或是處于加載試驗車質量狀態均具有有效的保護裝置。設計階段要考慮到實車試驗偏差，碰撞器在整車高度方向的布置，基準高度一般按照（445±15）mm進行相關校核分析。

按照GB17354規定，低速碰撞試驗包括縱向碰撞試驗和車角碰撞試驗。正向碰撞試驗包括對汽車正前方的2次碰撞和正后方的2次碰撞。在每個方向的2次碰撞中，一次是在汽車質量為整車整備質量時進行的，另一次是在其質量為加載試驗車質量時進行的。在汽車每個方向的2次碰撞中，第1次碰撞時，對碰撞器的位置沒有限制，而第2次碰撞時，碰撞器的中垂面位置應與第1次碰撞時的位置相距不小于300 mm，并應保證這2次碰撞時，碰撞器的外廓不超越由通過車角并平行于汽車縱向對稱面的2個平面所限定的區域[3]。所以設計時要根據整車地面線、保險杠造型在Y0，Y300及車角處分別布置碰撞器。圖4示出某款乘用車車型碰撞器布置圖。

2.3.2 碰撞饋縮空間校核分析

整車低速碰撞計算機輔助計算往往需要在整車初版招標數據完成后才可進行，分析結果如不滿足整車低速碰撞要求，往往會對整車造型造成較大的修改，并影響整車開發進度。為了避免此問題，整車造型設計階段，碰撞器布置完成后，首先需根據不同車型對整車前后端各部件布置空間進行充分校核。滿足各主機廠目標要求后再進行相關CAE分析。

按照GB 17354的要求，縱向碰撞試驗中汽車的碰撞速度應控制在，車角碰撞試驗中汽車的碰撞速度應控制在，且試驗后要求照明和信號裝置應能繼續正常工作并清晰可見；發動機罩、行李箱蓋及車門應能正常開閉；汽車的燃料和冷卻系統應無泄漏，不發生油/水路堵塞，其密封裝置與油/水箱蓋亦應能正常工作；汽車的排氣系統不應有妨礙其正常工作的損壞或錯位[3]。為了滿足以上要求，各零部件布置空間尤顯重要。

每款車型的設計，在整車CAE分析之前需進行相關校核，只要滿足以下項目空間要求后，整車低速碰撞性能基本都能滿足，或局部結構微調后就能滿足要求。避免因實車試驗不滿足后再大幅度的設計返工。整車設計布置階段的空間校核能有效降低整車開發風險，確保整車性能。

1）前后霧燈面罩與碰撞器間隙。對于前后霧燈在碰撞區域內的，造型階段就要校核霧燈前端布置空間，建議碰撞器與霧燈最小間隙≥10 mm，如圖5所示。

2）前后霧燈后端饋縮空間。對于前后霧燈在碰撞區域內的，造型階段就要校核霧燈后端饋縮空間，建議霧燈最小饋縮空間≥40 mm，如圖6所示。

3）前防撞梁與冷凝器Y0處間隙。低速碰撞中為了確保冷凝器功能正常，通常前防撞梁與冷凝器在Y0處要留足夠的饋縮空間，如圖7所示。

4）前防撞梁與冷凝器車角處間隙。按照法規要求，車角處前防撞梁與冷凝器也要留有充分的空間，如圖8所示。

5）后防撞梁與后圍Y0處間隙。后防撞梁與后圍在Y0處間隙，如圖9所示，建議c≥50 mm。

6）后防撞梁與后圍車角處間隙。后防撞梁與后圍在車角處間隙，如圖10所示，建議d≥20 mm。

2.3.3 防撞梁結構設計

為了確保碰撞時防撞梁能有效吸收能量，防撞梁本體截面中心盡可能與碰撞器2種布置狀態中心重疊，如圖11所示，提高低速碰撞時吸能效果。

防撞梁吸能盒在低速碰撞過程中起著非常重要的作用，其截面形狀的設計尤為重要。在實際應用中比較好的結構形式，如表2所示。可根據不同車型進行選擇。而且吸能盒型面多設計為波紋狀提高吸能效果。

表2 防撞梁吸能盒截面形式及材料表

2.3.4 前后保護裝置CAE分析

完成了前后保護裝置中各零部件空間布置分析及結構設計后，需借助于計算機輔助計算進行分析。根據法規要求，應分別在汽車整車整備質量和加載試驗車質量2種狀況下對汽車的前后端保護裝置各進行以下3種條件的碰撞，如圖12所示。首先對初版招標數模進行網格劃分，然后在測量區域布置測量點，并進行相關侵入量分析。圖13示出Y0，Y300及車角處入侵量曲線，表3示出某款乘用車車型分析結果，滿足目標要求。

表3 某車型保護裝置CAE分析結果數據統計表

3 結論

文章結合實際案例，梳理了汽車前后端保護裝置正向設計的設計方法及要點，且一次通過整車試驗驗證，滿足整車性能要求。解決了傳統的通過實車試驗判定其是否合格帶來的設計周期較長的問題，為后續車型開發提供一定參考。