發動機艙自動滅火器布置方案設計

孟兵凌霄鵬胡啟龍周宏鐘

（1.南京汽車集團公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

隨著汽車普及到千家萬戶，車輛火險問題不時發生，給人們的生命和財產安全帶來重大隱患。因此，防止車內火災的出現和及時撲滅火險成為重要的研究課題，引起了汽車業界的高度關注[1]。按照客車滅火裝備配置法規要求，發動機艙作為汽車動力總成的核心區域，是發生火災的重點部位，為了能及時撲滅火險，發動機艙內必須配備自動滅火裝置。文章根據法規要求，設計了自動滅火器在某商用車發動機艙內的布置方案。該方案符合滅火器布置原則，能夠滿足車身強度與模態要求。方案實施后，將會對該車型車輛安全性能提升起到重要作用。

1 滅火器的布置原則

發動機艙是汽車的中樞區域，布局緊湊[2]，而滅火器及其附屬支架占用空間較大，并且艙內器件依托的車身本體鐵件大多是材料較薄的鐵板，在滅火器本體3G動載工況下零部件強度較難滿足安裝要求。因此滅火器在發動機艙內布置時，需要在滿足滅火要求的前提下，選擇強度高的車身部位，不降低車身模態及零部件強度和剛度。具體布置原則如下。

1）針對易起火點布置。汽車發動機艙內易起火部位主要有發動機本體及其管路和蓄電池及其開關等部位，其中，發動機引起的火患最難控制，后果最為慘烈。發動機及其管路上易著火點按照危險性排序，依次為增壓器、發電機、高壓燃油泵及高壓燃油管和排氣管等。

針對易著火點在艙內的位置分布和法規規定的滅火劑劑量要求，最終確定在本車型上安裝左右對稱的2個滅火器，內貯干粉質量均為400 g。車身左側位置的滅火器主要針對高壓燃油泵及增壓器等的火情，并能兼顧蓄電池可能產生的險情；車身右側的滅火器則主要針對排氣管及發電機等的火情。

2）選擇車身強度足夠高的部位作為安裝位置。由于滅火器外殼較厚，加上支架和內貯干粉質量，整個滅火裝置的質量較大，因此選擇厚度大及材料屈服強度較高的車身位置安裝非常重要。而當零件料厚達不到直接安裝要求時，就必須對零件貼加強膠片和焊接加強支架來保證足夠的安裝強度。

本車型的面罩框采用雙層鋼板結構，骨架和外板都采用了高強度合金鋼，材料具有良好的強度和剛度性能，滅火器置于面罩框的兩側。為了滿足較高的安全系數，使面罩框不至于出現開裂等問題，面罩框骨架部位增加了加強板，滅火器支架直接安裝于增加了加強板的零件處。

3）滅火器拆裝方便，并且不影響艙內其他器件維護作業。由于發動機艙內器件數量較多，一些部件需要經常性拆裝，滅火器布置之后不能影響其他部件后續操作。滅火器自身也需要拆裝方便，只需要簡單工具就能實現一次拆裝操作。另外，滅火器布置位置應盡量對稱，既美觀又對車身模態有益。

根據車身發動機艙內零部件布局，結合滅火器的放置原則，本車型最終確定了滅火器放置于面罩框內側上安裝點處，以支架懸掛固定的布置方式。滅火器自身用圓形抱箍緊抱，并與滅火器支架連接，滅火器支架另一端用螺栓固定于面罩框上，具體位置，如圖1所示。

2 滅火器布置方案

2.1 面罩框本體加強方案

面罩框本體是由內外2層鋼板點焊而成，內部為焊接骨架，外部為一體化沖壓成型的鋼板，其上安裝外飾件。面罩框骨架總成為幾塊高強度板材焊接而成，內外板之間除搭接邊處，均有內部空腔，由于滅火器質量較重，內部需要增加加強板作為補充。加強板上需要焊接凸焊螺母，安裝螺栓可以直接與凸焊螺母配合，安裝便捷，具體結構，如圖2所示。

2.2 滅火器支架設計方案

滅火器的安裝在滿足良好的布置位置基礎上，選擇安裝與固定方式也極其重要。目前主流的滅火器外殼為全鋁合金沖壓而成，無法用焊接的方式實現固定。而滅火器本體為了保證外形尺寸與密封性，不能在外殼壁隨意開孔。因此，滅火器本體需要用夾持的方式實現固定。

滅火器與面罩框之間為了安裝與安全需要，必須保持一定的安全距離。因此，兩者之間須用剛性支架進行連接，如圖3所示。支架自身既要滿足滅火器本體的重力場動載所需的材料屈服強度，也要滿足與面罩框連接在一起時的模態特性。支架制作必須使用高強度合金鋼板，并且要增加加強筋和鈑金件翻邊來增大其抗彎模量[3]。

2.3 滅火器連接支架方案對比

滅火器連接支架在不同材料和不同料厚情況下，對滅火器安裝狀態影響很大。增大連接支架的鈑金厚度，會增加滅火器的連接強度，但同時自身質量也會增加，對面罩框連接點處的局部應力沖擊會更大，面罩框整體模態可能會降低。因此，文章針對連接支架在不同料厚下的應力影響進行了分析比較。

滅火器本體和抱箍等為供應商合成供貨，并提供了詳細的設計數據。滅火器連接支架的料厚為設計變量，從幾種車身鈑金件主流料厚中選擇合適的厚度。文章設計了2種滅火器連接支架方案，具體設計數據，如表1所示。

表1 滅火器連接支架設計數據

3 滅火器布置方案有限元分析

在確定滅火器布置方案后，需要分別進行應力分析，以驗證面罩框和連接支架的整體強度及模態等是否滿足設計要求[4]。針對2種方案的數據，前處理采用Hypermesh軟件，求解器采用ABAQUS軟件。

有限元分析目的：1）計算支架的約束模態，驗證其強度是否滿足要求[5]；2）計算3G動載工況，驗證滅火器支架及相關零部件的強度。

在前處理過程中，輸入邊界條件，約束面罩框總成與車身的安裝孔全部自由度，計算模態。目標值要求滅火器支架總成1階模態值≥33 Hz。

2種方案的滅火器支架總成1階與2階模態，如圖4和圖5所示；3G動載工況驗證面罩框骨架上加強板應力結果，如圖6所示。其有限元分析結果對比，如表2所示。

表2 滅火器連接支架方案有限元分析結果對比

通過有限元分析可知，方案1中1.5 mm料厚的支架在3G動載工況下的應力滿足要求，但是1階模態僅為28.40 Hz，低于合格標準（33 Hz）。滅火器連接支架可能在實際使用過程中出現質量問題，需要通過增加厚度及加強筋等增大1階模態。

方案2中2.0 mm料厚的支架在模態分析和3G動載工況下，均滿足合格標準。1階模態（37.5 Hz）超過面罩框1階模態最低標準（33 Hz）；3G動載工況下，面罩框骨架上加強板應力（68.9 MPa）比方案1略有上升，但是遠遠低于面罩框骨架上加強板的應力極限（120 MPa）。

方案2中滅火器連接支架能夠滿足設計要求，2.0 mm厚度鋼板也是車身最常用板材，設計該料厚是可行的。面罩框加強板和滅火器抱箍等也均能滿足要求，因此方案2為本車型所采納。

4 結論

根據滅火器的布置原則，選擇面罩框部位作為安裝位置，該部位車身強度足夠高且便于拆裝。滅火器采用左右對稱布置，左右各懸置1個。為了滿足較高的安全系數，使面罩框不至于出現開裂等問題，面罩框骨架部位增加了加強板，滅火器通過連接支架安裝于此處位置。

由于布置方案對滅火器連接支架要求最高，本車型對連接支架進行了差異化方案設計。選擇了2組方案，以滅火器連接支架的鈑金厚度為變量，分別驗證能否滿足面罩框模態特性和滅火器重力場動載要求。經過有限元分析，連接支架設計厚度為2.0 mm能夠滿足安裝要求，最終采用了方案2作為布置方案。

本車自動滅火器布置方案既保證了及時撲滅火情的需要，也滿足了車身自身的強度和模態特性，且在艙內安裝簡單可靠，能夠滿足設計要求，后續即可以進行大批量產品車驗證。如果本方案最終被采納，對于車輛安全性與車身性能的提升均會起到較大作用。