發動機罩在正面碰撞中的改善分析

李濤 李崢 李燕龍 樊樹軍 劉劍平 楊飄 羅鑫 曹利平 李子云

（東風汽車公司技術中心）

汽車在正面碰撞過程中，發動機罩也是作為受力部件，其潰縮形態會直接影響到風窗玻璃的完好性。如果機罩不能完全潰縮而侵入風窗玻璃，會對爆破的安全氣囊造成破壞，甚至直接接觸駕駛員頭部造成致命傷害。現在大多數汽車廠僅針對滿足法規進行車體結構的加強，忽略了機罩的結構設計。文章按照GB11551—2003《乘用車正面碰撞的成員保護》[1]進行汽車實車碰撞試驗，著重考察機罩的變形形態，優化機罩結構設計。

1 背景介紹

某A車型在正面碰撞過程中，機罩板件總成的潰縮不合理，沒有完全成倒V字型，潰縮筋位置沒有實現充分潰縮，并且機罩后部圓角處前風窗玻璃產生碎片，存在傷害駕駛員及前排乘客的風險。機罩潰縮具體情況，如圖1所示。同時，A車型在正面碰撞試驗過程中，機罩鉸鏈發生斷裂，如圖2所示。

由于在偏置碰撞過程中，機罩鉸鏈未斷裂，但機罩的潰縮情況同樣不理想，所以并非機罩鉸鏈的斷鏈導致機罩未充分潰縮。機罩板件潰縮筋的設計需作為問題項來分析。

2 原因解析

2.1 機罩潰縮不充分

針對A車型發動機罩潰縮不充分的問題，分別通過對機罩里板和機罩鉸鏈的理論定義、競品分析以及CAE分析進行核查，逐步排除原因，具體步驟如下。

1）檢查機罩潰縮筋位置設計是否合理，即核查潰縮筋尺寸定義是否滿足要求。潰縮筋布置在鎖扣嚙合中心點距鉸鏈中心軸1/2處，即：S=1/2L，如圖3所示。

經核查機罩板件潰縮筋設計位置S/L=（405/810）×100%=50%，符合設計規范要求。

2）檢查中間潰縮筋尺寸及圓角是否太小，未能起到弱化的作用。檢查潰縮筋理論定義，并與B車型（B車型為已驗證的現生產車型）理論定義潰縮筋尺寸對比，如圖4和表1所示。

表1 A，B車型發動機罩潰縮筋尺寸對比 mm

從表1可以看出，A車型外部圓角尺寸（d）明顯小于B車型，需更改此處結構。

3）檢查側面潰縮筋尺寸及圓角是否太小，未能起到弱化的作用。檢查機罩里板數據發現，側面筋設計未貫通，不能弱化X向，實現潰縮的目的。側面潰縮筋斷面示意圖，如圖5所示。

2.2 機罩鉸鏈斷裂

1）檢查鉸鏈數據發現，結構設計上有工藝缺口，結構存在突變點，如圖6所示。

2）檢查材料料厚選擇是否合理。表2示出發動機罩鉸鏈材料厚度對比。

表2 發動機罩鉸鏈材料厚度對比

通過競品分析可知，機罩鉸鏈材料料厚定義符合要求。

3）檢查機罩鉸鏈是否設計了安全鉤。圖7示出發動機罩帶安全鉤鉸鏈示意圖。

競品分析各車型鉸鏈發現，很多車并未設計防止碰撞后退的安全鉤結構，還是要看CAE及實車驗證的效果決定。

經過以上分析，機罩板件主要還是潰縮筋結構設計不合理，中部潰縮筋d過小；側面潰縮筋未貫通；鉸鏈主要還是結構上存在突變點導致的。需著重對以上問題進行改善并驗證。

3 改善措施及驗證

3.1 機罩板件改善措施及驗證

1）改善中間潰縮筋d值。改善前，d為R8；改善后，放大到R15～24的漸變設計。圖8示出發動機罩板潰縮筋更改前后示意圖。

2）側面潰縮筋改善。側面潰縮筋按照貫通方式重新設計，設計后數模圖，如圖9所示。

3）理論驗證。結合機罩潰縮筋結構改善，更改前后CAE分析的結構對比，如圖10所示。從圖10可以看出，機罩板件潰縮筋更改前后改善明顯。

3.2 機罩鉸鏈改善措施及驗證

1）對機罩鉸鏈的數模進行優化，消除工藝缺口，修改前后數模對比，如圖11所示。

2）對鉸鏈進行CAE分析，鉸鏈固定情況下，沿F方向施加5 kN的力，模擬正面碰撞過程中鉸鏈受到的撞擊力，鉸鏈加載示意圖，如圖12所示。

對鉸鏈活動臂進行CAE分析，改善前后應力云圖對比，如圖13所示。

從圖13可以看出，改善前，最大應力點出現在缺口位置處，很容易造成樣件破壞。但由于最大應力值未超出材料極限應力值，所以忽略了這個風險。改善后，活動臂最大應力移動到彎折臂處，且應力值大幅降低。

3.3 試驗驗證

板件及鉸鏈改善后，按照最新樣件進行正面碰撞的試驗驗證，驗證后的照片，如圖14和15所示。

從圖14和15可以看出，試驗后，板件的潰縮成倒V形狀，潰縮充分，鉸鏈未發生斷裂，風窗玻璃完好無損。與第1次碰撞試驗相比，針對機罩板件及鉸鏈的改善明顯，滿足設計要求。

4 結論

文章以正面碰撞過程中機罩潰縮筋和機罩鉸鏈的改善為例，明確提出正面碰撞過程中機罩考核項，包括機罩板件總成不得侵入風窗玻璃，機罩鉸鏈在正面碰撞過程中不得發生斷裂。并且通過實際改善的案例，得出機罩板件和機罩鉸鏈的設計要求。在后續車型的設計中，可以在設計前期通過設計檢查及CAE分析規避風險，也為其他主機廠針對機罩設計提供了參考。