基于乘員保護(hù)的駕駛室本體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

黃杰，許少楠

基于乘員保護(hù)的駕駛室本體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

黃杰，許少楠

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章討論了商用車駕駛室乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施對(duì)輕卡制造行業(yè)產(chǎn)生的影響，并針對(duì)市場(chǎng)在售某輕卡駕駛室本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性的改進(jìn)，提高其強(qiáng)度，以滿足商用車正面撞擊試驗(yàn)。

駕駛室本體；改進(jìn)；強(qiáng)度；正面撞擊

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-129-03

引言

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)安全性卻還沒有引起足夠重視，人們感覺商用車車身重、體積大，發(fā)生碰撞時(shí)車身?yè)p傷和乘員受傷的概率會(huì)較小。但是目前國(guó)內(nèi)商用車大多是以平頭駕駛室為主，其結(jié)構(gòu)決定了駕駛員座位離車輛最前端距離非常小，行駛過程中一旦發(fā)生兩車間的碰撞，或撞擊到障礙物，甚至發(fā)生翻滾事故時(shí)，由于受撞擊時(shí)沒有足夠的緩沖吸能區(qū)，撞擊能量將直接傳遞至駕駛室內(nèi)部甚至駕駛員和乘員身上，造成嚴(yán)重傷害（圖1）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)：商用車駕駛室事故以3種類型為主：翻滾、與機(jī)動(dòng)車碰撞、與障礙物碰撞（碰撞主要為正面碰撞）。鑒于上述情況，GB 26512《商用車駕駛室乘員保護(hù)》于2011年5月12日正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)適用于N類車駕駛室發(fā)生正面碰撞時(shí)的乘員保護(hù)，要求實(shí)施時(shí)間為2012年1月1日，并規(guī)定在生產(chǎn)車型自2013年7月1日全面實(shí)施。

圖1 正面碰撞事故圖例

由此，商用車被動(dòng)安全的評(píng)價(jià)翻開嶄新的一頁(yè)，同時(shí)也對(duì)商用車制造企業(yè)提出了新的要求：

（1）在研產(chǎn)品及下一代預(yù)研產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該逐步建立起“商用車駕駛室碰撞”的模擬分析、試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程、數(shù)據(jù)庫(kù)，完善必要的試驗(yàn)設(shè)備及裝置，安排車輛進(jìn)行實(shí)車碰撞，積累數(shù)據(jù)；

（2）在車身設(shè)計(jì)中，結(jié)合新材料、高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，通過前圍、地板、A柱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，合理布置內(nèi)板及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提高駕駛室強(qiáng)度和抗變形能力；

（3）進(jìn)一步研究駕駛室支撐和與車架縱梁連接支架的強(qiáng)度，控制駕駛室受撞擊后的位移量。

1 正面撞擊試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 概述

該項(xiàng)試驗(yàn)是模擬商用車駕駛室發(fā)生剛性正面碰撞時(shí)受到的沖擊能量對(duì)前懸架連接裝置及駕駛室造成的損害，評(píng)價(jià)駕駛室的強(qiáng)度能否最大限度地減少乘員在發(fā)生碰撞時(shí)受到的傷害。

1.2 試驗(yàn)要求

（1）駕駛室的設(shè)計(jì)以及與車輛的連接，應(yīng)盡可能消除在意外事故中傷害駕駛室內(nèi)乘員的危險(xiǎn)；

（2）完成試驗(yàn)后，駕駛室應(yīng)存在生存空間，人體模型不應(yīng)與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸；

（3）試驗(yàn)中，只要駕駛室與車架保持連接，將駕駛室固定于車架上的部件允許變形和損壞；

（4）試驗(yàn)中，車門不應(yīng)開啟，試驗(yàn)后，不要求車門能開啟。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）擺錘為鋼制的2500mm×800mm矩形體，質(zhì)量分布均勻，撞擊面平整，質(zhì)量為1500±250kg；

（2）擺錘總成應(yīng)為剛性結(jié)構(gòu)，擺臂與擺錘為剛性連接，擺臂長(zhǎng)度從其懸吊軸到擺錘的幾何中心，不小于3500mm；

（3）擺錘的撞擊面應(yīng)與駕駛室的最前端相接觸；

（4）擺錘中心應(yīng)低于駕駛員座椅“R”點(diǎn)50mm，且與車輛縱向中心平面重合；

（5）擺錘應(yīng)由前向后的方向撞擊駕駛室的前部，方向水平且平行于駕駛室的縱向中心平面。當(dāng)車輛的總質(zhì)量≤7000㎏時(shí)，撞擊能量為29.4kJ；當(dāng)車輛總質(zhì)量＞7000㎏時(shí)，撞擊能量為44.1kJ（圖2、3）；

（6）樣車應(yīng)固定在試驗(yàn)臺(tái)上。

圖2 駕駛室正面撞擊示意圖

圖3 擺錘參數(shù)

2 駕駛室本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.1 原駕駛室本體結(jié)構(gòu)分析

目前市場(chǎng)在售我公司某車型（以下簡(jiǎn)稱某車）為2006年上市銷售，當(dāng)時(shí)并未考慮到駕駛室乘員保護(hù)相關(guān)法規(guī)，且經(jīng)初步CAE模擬分析，目前駕駛室狀態(tài)不符合正面撞擊法規(guī)要求。因此，需對(duì)其結(jié)構(gòu)作適應(yīng)性的改進(jìn)。

經(jīng)過CAE模擬分析，該車型與已通過正面撞擊試驗(yàn)的競(jìng)品車型在碰撞后重要部位的尺寸對(duì)比如下表（表1）：

表1 駕駛員生存空間與其他車型對(duì)比

由上表可看出，模擬正面撞擊過后，駕駛室的變形量過大，駕駛員膝部、腿部、腹部空間都不能保證駕駛員必要的生存空間。

2.2 改進(jìn)方向

我們分析：某車整車重量超過7000kg，正面撞擊的能量取44.1 KJ，在撞擊的時(shí)間內(nèi)，前圍總成的潰縮變形不足以吸收這么多能量，必須在鈑金結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)合理的腔體結(jié)構(gòu)，將撞擊的能量充分吸收的同時(shí)傳遞到A柱，側(cè)圍，地板縱梁等處（如圖4），盡量減少駕駛室在駕駛員側(cè)的潰縮量以滿足法規(guī)要求的駕駛員生存空間。根據(jù)對(duì)原車的分析及設(shè)計(jì)構(gòu)想，設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向?yàn)樵谇皣蠙M梁，前圍下橫梁處設(shè)計(jì)出合理的腔體結(jié)構(gòu)，通過腔體結(jié)構(gòu)使得力能夠傳遞到地板與側(cè)圍等處，分散吸收能量。

圖4 正面撞擊時(shí)力較好的傳遞路徑

2.3 改進(jìn)方案

圖5 改進(jìn)后駕駛室前部斷面

（1）前圍上部：增加一個(gè)“前圍上加強(qiáng)板”，與“前圍外板”和“前圍內(nèi)板”形成一個(gè)閉合腔體結(jié)構(gòu)，能有效吸收部分?jǐn)[錘撞擊能量。

（2）前圍下部：優(yōu)化原駕駛室“地板前橫梁”，使其與“地板中加強(qiáng)板”連接，局部能與“前圍外板”、“中加強(qiáng)板”形成閉合腔結(jié)構(gòu)，能吸收部分?jǐn)[錘撞擊能量。

（3）地板前部：在“前地板”下設(shè)計(jì)一加強(qiáng)板，形成閉合腔結(jié)構(gòu)，并與“地板前橫梁”和“前圍外板”焊接，能有效吸收部分?jǐn)[錘撞擊能量。

具體斷面設(shè)計(jì)如下（圖5）：

3 改進(jìn)措施CAE分析

目國(guó)內(nèi)商用車卡車類現(xiàn)在基本以平頭車型為主，車型開發(fā)多數(shù)是走學(xué)習(xí)、模仿之路，所以未能形成系統(tǒng)的法規(guī)研究和車身強(qiáng)度技術(shù)研究，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬分析在汽車產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，使得我們對(duì)駕駛室強(qiáng)度的研究也有了很大的進(jìn)展。

基于上述改進(jìn)方案和斷面設(shè)計(jì)，我們對(duì)原駕駛室的前圍、地板、側(cè)圍相關(guān)零部件三維數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)整改并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行CAE模擬分析，模型包括駕駛室本體、儀表橫梁總成、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及部分底盤構(gòu)件。

表2 駕駛室變形對(duì)比

圖6 駕駛員生存空間示意圖

通過對(duì)比改進(jìn)后駕駛室與原駕駛室在方向盤下緣距離R點(diǎn)x向距離、方向盤下緣距離R點(diǎn)z向距離、方向盤下緣距離地板距離、方向盤管柱安裝點(diǎn)x向位移、側(cè)圍、前圍、地板x向變形量來(lái)評(píng)價(jià)駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施的有效性（表2），并通過對(duì)駕駛員生存空間的校核確定改進(jìn)方案能否使駕駛室的強(qiáng)度滿足商用車駕駛室乘員保護(hù)的相關(guān)法規(guī)。

由表2可看出，經(jīng)過CAE模擬分析：改進(jìn)后駕駛室在各部位的變形量均小于原駕駛室，且完全滿足駕駛員生存空間的要求（圖6）。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述方案設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)，后期我們制作了2臺(tái)樣車，根據(jù)GB 26512《商用車駕駛室乘員保護(hù)》的規(guī)定，在長(zhǎng)春一汽檢測(cè)中心對(duì)上述改進(jìn)后的駕駛室進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，主要以校核正面撞擊試驗(yàn)后50th人體模型在駕駛室是否有足夠的生存空間，結(jié)果（圖7）：

（1）方向盤到駕駛員腿部Z向距離：80mm；

（2）儀表臺(tái)到駕駛員膝部X向距離：135mm；

（3）方向盤到駕駛員腹部X向距離：170mm；

法規(guī)僅要求碰撞過后，駕駛室應(yīng)存在生存空間，人體模型不應(yīng)與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸。由此，經(jīng)試驗(yàn)證明，改進(jìn)后駕駛室完全滿足正面撞擊試驗(yàn)的要求。

圖7 碰撞后駕駛員生存空間測(cè)量

5 結(jié)論

通過對(duì)駕駛室前圍、地板、側(cè)圍等零部件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了駕駛室的強(qiáng)度，計(jì)算機(jī)模擬分析正面碰撞試驗(yàn)和實(shí)物驗(yàn)證都顯示駕駛室的抗變形能力大大提高，且參照改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的駕駛室順利通過GB 26512《商用車駕駛室乘員保護(hù)》規(guī)定的正面撞擊試驗(yàn)，提高駕駛室安全性的同時(shí)也為后續(xù)車型的開發(fā)積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

[1] GB 26512《商用車駕駛室乘員保護(hù)》.

[2] 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[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化,2011∶05.

Structural improvement of cab body based on the protection of the occupants

Huang Jie, Xu Shaonan
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

This paper discusses the influence of the release and carrying out of which, the protection of the occupants of the cab of a commercial vehicle, on the manufacturing business of light trucks. And accordingly improve the structure of cab body of a light truck on sale in the market，enhance its intensity to meet The Front Impact Test of A Commercial Vehicle.

Cab body; Improve; Intensity; Front impact

U467

A

1671-7988 (2017)16-129-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.045

黃杰，(男)，工程師，學(xué)士，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。目前主要從事的工作和研究方向：汽車車身設(shè)計(jì)。