某微卡駕駛室正面擺錘碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)

聶迎，顧鴃，劉熹

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某微卡駕駛室正面擺錘碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)

聶迎，顧鴃，劉熹

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要介紹通過(guò)一種微卡駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，借助駕駛室正面擺錘碰撞CAE仿真分析，考察設(shè)計(jì)階段駕駛室在正面擺錘撞擊后是否存在乘員生存空間，為駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，從而讓整車滿足正面擺錘碰撞強(qiáng)度的要求。

正面擺錘碰撞；CAE仿真

CLC NO.:U463.81 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-39-04

在我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，乘用車被動(dòng)安全性能和評(píng)價(jià)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。相對(duì)于乘用車，商用車被動(dòng)安全性卻還沒(méi)有引起足夠的重視，人們感覺(jué)商用車車身重、體積大，視野開(kāi)闊，發(fā)生碰撞時(shí)車身?yè)p傷及人員受傷的概率都較小。但是就目前的商用車而言，國(guó)內(nèi)的商用車大多是以平頭駕駛室為主，其結(jié)構(gòu)決定了駕駛室座椅位置離車輛的最前端的距離非常短，一旦商用車與商用車發(fā)生追尾碰撞或撞擊到堅(jiān)固的固定障礙物時(shí)，因受撞擊時(shí)沒(méi)有足夠的緩沖吸能區(qū)，會(huì)對(duì)駕駛室造成嚴(yán)重的破壞，從而使得駕駛室中駕乘人員受到較嚴(yán)重的傷害，甚至死亡。

文章中的微卡屬于平頭車車型，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)CAE仿真分析，對(duì)此種微卡的駕駛室正面碰撞的強(qiáng)度進(jìn)行仿真模擬，來(lái)考察碰撞后乘員的生存空間，為駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1、駕駛室正面撞擊試驗(yàn)的方法

該項(xiàng)試驗(yàn)是模擬商用車發(fā)生剛性碰撞時(shí)受到?jīng)_擊能量對(duì)駕駛室的強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)開(kāi)始之前應(yīng)將駕駛室安裝在底盤上，并將車輛進(jìn)行固定，通過(guò)橫向、縱向及后部的方向?qū)囕v進(jìn)行固定，駕駛室的車門應(yīng)關(guān)閉但不鎖止。駕駛室固定在擺錘后面，擺錘為剛性鋼制且質(zhì)量均勻分布，擺錘的質(zhì)量為1500Kg±250Kg。擺錘的撞擊面應(yīng)為平整的矩形，寬為2500mm，高為800mm。其棱邊的圓角半徑不小于1.5mm。擺錘總成應(yīng)為剛性結(jié)構(gòu)，擺錘由剛性地固定在其上的兩根擺臂自由懸吊，擺臂間距不小于1000mm。兩根擺臂應(yīng)為腹板高不小于100mm的工字形截面或至少慣性矩相同的其他形式的截面。擺臂的長(zhǎng)度。從懸吊軸到擺錘的幾何中心不小于3500mm。擺錘的撞擊面與車輛的最前部相接觸，擺錘的重心應(yīng)低于駕駛員座椅“R”點(diǎn)50+50mm，擺錘的重心應(yīng)低于車輛縱向中心平面上。擺錘從前向后的方向撞擊駕駛室的前部，撞擊方向應(yīng)為水平方向且平行于車輛縱向中心平面。對(duì)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大于7000Kg的車輛，撞擊的能量為29.4KJ，對(duì)于最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于7000Kg的車輛，撞擊的能量應(yīng)為44.1KJ。

試驗(yàn)后的生存空間以在座椅上放置第50百分位的男性身材的人體模型，當(dāng)座椅處于中間位置，人體模型不應(yīng)與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸。為了便于安裝，可以將人體模型解體放入駕駛室內(nèi)，為此可以將座椅調(diào)整到最后位置，然后在組裝人體模型，并使其“H”點(diǎn)與座椅“R”點(diǎn)重合，最后將座椅前移至中間位置。為駕駛室正面擺錘撞擊示意圖如圖1所示。

圖1 駕駛室正面擺錘撞擊示意圖

2、微卡正面擺錘撞擊CAE仿真分析

當(dāng)駕駛室承受正面擺錘撞擊時(shí)，乘員可能受到的傷害主要來(lái)源于儀表板和轉(zhuǎn)向盤的后移，乘員可能受傷害的部位主要是腿部和胸部，測(cè)量參考點(diǎn)如圖2所示。生存空間評(píng)價(jià)如表1所示。

圖2 非彈性部件與人體模型距離示意圖

表1 各測(cè)試點(diǎn)的最后位移量及乘員生存空間

根據(jù)上面的圖表得出：主駕駛員的腿部的生存空間左右各只有-14.7mm和-23.2mm。人體模型與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸，無(wú)生存空間。

由于主駕駛員的腿部空間不夠，無(wú)生存空間，因此需要改善駕駛室的吸能方式，讓能量盡量少的施加于前圍板，從而使前圍板的侵入量減少，大大增加乘員的生存空間。

3、駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

解決駕駛室正面撞擊后乘員生存空間不足的問(wèn)題，主要可以從兩個(gè)方面去考慮，第一方面是加強(qiáng)白車身的剛度，改善駕駛室正面碰撞能量傳遞路徑；第二方面是分散碰撞的能量，讓其施加到白車身之外的零部件上。

3.1 加強(qiáng)白車身剛度，改善碰撞能量的傳遞路徑

1）由于白車身只有在前部中部以及側(cè)邊中下段有空腔結(jié)構(gòu)，這樣的白車身結(jié)構(gòu)沒(méi)有較強(qiáng)的剛度。因?yàn)榘总嚿碚w未形成整體框架式空腔結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)承受正面碰撞時(shí)能量的有效傳遞，很難將能量傳遞到駕駛室側(cè)圍上，從而導(dǎo)致駕駛室內(nèi)部空間嚴(yán)重潰縮，駕駛室正面撞擊后乘員生存空間不足。在前圍下部增加前圍下橫梁，并與地板形成密封的空腔結(jié)構(gòu)。這樣白車身整體形成整體框架式空腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)承受正面碰撞時(shí)能量的有效傳遞，提升駕駛室整體的剛度，能量可以傳遞到駕駛室側(cè)圍上，駕駛室能夠整體移動(dòng)。微卡結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖3 微卡整體結(jié)構(gòu)及各空腔斷面圖

在前圍與地板的搭接處增加前圍下橫梁，與地板形成A-A斷面，A-A斷面為封閉的空腔結(jié)構(gòu)，與B-B、C-C、D-D 及E-E形成整體的框架式空腔結(jié)構(gòu)。與正面碰撞力的方向垂直，有利于分解碰撞力，并將力傳遞到與空腔相連的縱梁總成和側(cè)圍總成上。能量傳遞圖如下圖4所示。

圖4 駕駛室正面碰撞的能量傳遞圖

2）改變位于駕駛室前面的防撞梁與駕駛室的地板的左右縱梁連接結(jié)構(gòu)，將防撞梁一端安裝在白車身地板左右縱梁上。此結(jié)構(gòu)可以有效地將一半的沖擊的能量傳遞給地板的左右縱梁上，從而減少作用在前圍板上的能量，增加駕駛室正面撞擊后乘員生存空間。防撞梁安裝結(jié)構(gòu)如下圖5所示。

圖5 駕駛室前方的防撞梁的安裝結(jié)構(gòu)

3.2 分散碰撞的能量，增強(qiáng)其它零部件的吸能能力

1）擺錘從高處撞擊下來(lái)先撞擊在位于前圍前面的防撞梁上，然后才撞擊前圍板上。如讓防撞梁先將一部分的能量吸收，那么作用在前圍板上的能量就會(huì)減少，從而可以減少前圍板的侵入量。將前保險(xiǎn)杠防撞梁總成的安裝支架上的加強(qiáng)筋從橫向改成縱向，這樣防撞梁就更容易吸收能量，減少作用于前圍板上的能量。防撞梁變更方案如圖6所示。

圖6 防撞梁變更方案

2）由于在駕駛室正面擺錘撞擊時(shí)，擺錘的底部已經(jīng)與車架前端接觸，為了減少前圍板上的能量，可以將能量傳遞給車架。故將車架左右縱梁前端向前延伸60mm，來(lái)承受來(lái)自擺錘的沖擊能量。如圖7所示。車架左右縱梁加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)修改，加強(qiáng)此處的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，可以更好的承受沖擊的能量。具體修改方案見(jiàn)圖8。

圖7 車架左右縱梁變更方案

圖8 車架左右縱梁及加強(qiáng)板變更方案

3.3 優(yōu)化后分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在進(jìn)行一次CAE仿真分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 各測(cè)試點(diǎn)的最后位移量及乘員生存空間

從表中可以看出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)都具有生存空間，最小處為34.2mm，可以滿足《 GB 26512-2011 商用車駕駛室乘員保護(hù)》中的正面擺錘撞擊的試驗(yàn)要求。

4、微卡正面擺錘撞擊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)此微卡試驗(yàn)車進(jìn)行正面擺錘試驗(yàn)，測(cè)得人體模型在試驗(yàn)車的初始生存空間及撞擊后人體模型在試驗(yàn)車中的最終生存空間，并與CAE仿真分析對(duì)比。

圖9 碰撞前各部位的初始生存空間

圖10 碰撞后各部位的生存空間

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與CAE分析結(jié)果對(duì)比，可以看出CAE與實(shí)際試驗(yàn)的初始生存空間基本上比較吻合，但碰撞后的最大侵入量實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果比CAE分析值小，最后的剩余生存空間比CAE分析值大。

表3 正面撞擊試驗(yàn)前后生存空間與CAE分析對(duì)比表

5、結(jié)論

文章主要介紹通過(guò)一種微卡駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，借助駕駛室正面擺錘撞擊CAE仿真分析，考察設(shè)計(jì)階段駕駛室在正面擺錘撞擊后是否存在乘員生存空間，為駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，從而讓整車滿足正面擺錘碰撞強(qiáng)度的要求。可以得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)駕駛室整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，增強(qiáng)白車身的整體剛度。在白車身的前部下端增加空腔結(jié)構(gòu)，白車身整體形成整體框架式空腔結(jié)構(gòu)，提升駕駛室整體的剛度，實(shí)現(xiàn)承受正面碰撞時(shí)能量的有效傳遞，駕駛室能夠整體移動(dòng)，而非駕駛室內(nèi)部空間嚴(yán)重潰縮，從而解決了駕駛室正面撞擊后乘員生存空間不足的問(wèn)題。

2）改善能量的傳遞路徑。通過(guò)改變位于駕駛室前方的影響能量傳遞的零部件的安裝結(jié)構(gòu)，將能量傳遞到對(duì)生存空間影響較小處，比如地板的左右縱梁。從而解決了駕駛室正面撞擊后乘員生存空間不足的問(wèn)題。

3）分散碰撞的能量，增強(qiáng)其它零部件的吸能能力。其它零部件吸收部分能量，從而減少施加在前圍上的碰撞能量。從而解決了駕駛室正面撞擊后乘員生存空間不足的問(wèn)題。

[1] 陸文斌,歐建華,王佳怡.商用車駕駛室乘員保護(hù)試驗(yàn)要求與方法研究.質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化,2011.

[2] 王登峰,劉麗亞,蘇玉萍.商用車駕駛室強(qiáng)度試驗(yàn)要求研究與分析.汽車技術(shù)，2010（10）：50-5.

A pickup truck cab positive pendulum collision safety optimization design

Nie Ying, Gu Jue, Liu Xi
（Anhui Jianghuai Automobile group co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly introduces using a micro bridge structure optimization, with the help of a cab positive pendulum impact CAE simulation analysis, design phase bridge in positive pendulum impact after the existence of a crew living space, to provide reference for bridge structure optimization, allowing the vehicle to meet the requirements of the positive pendulum impact strength.

Positive pendulum impact; CAE simulation

U463.81

A

1671-7988 (2017)08-39-04

聶迎，男，（1989-），工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。現(xiàn)從事車身設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.013