基于新碰撞法規要求的輕型汽車安全性能設計

劉保祥

（北京汽車研究總院有限公司）

輕型車因其價格低廉和乘坐空間寬敞等特點，在我國擁有廣闊的市場。然而，新的碰撞法規（GB 11551—2014）的發布與實施，對M1 類汽車（最大總質量超過1 t，座位數不超過9 個）和最大總質量不大于2.5 t 的N1 類汽車（最大總質量不大于3.5 t 的載貨汽車），以及多用途貨車，在碰撞安全性能方面提出了更高的要求。滿足新的碰撞法規標準要求，成為各輕型車主機廠迫切希望實現的課題。對于生產模具還未到報廢期限的主機廠，改進汽車碰撞安全性能，需要綜合考慮工藝可實施性以及改進的成本增加問題[1]。文章以某輕型車為例，建立了LS-DYNA 仿真分析模型，對該車型進行碰撞安全性能改進，提出了滿足國家正碰法規要求的2 種方案。最終從整車成本和開發周期角度考慮，采用了優化現有乘員約束系統的方案，并進行實車碰撞試驗驗證，試驗結果滿足新碰撞安全法規的各項指標，實現了整改目的，使該車型順利上市銷售。

1 實車碰撞試驗結果分析

某輕型汽車進行碰撞性能摸底試驗的結果為：1）車身 B 柱加速度曲線峰值為 44 g（g 為 9.81 m/s2），碰撞波形脈寬為65 ms，如圖1所示；2）駕駛員頭部加速度傷害值結果（A3ms/g）不滿足 GB 11551—2014 法規要求，超出限值（限值為80 g），如圖2所示；3）駕駛員頸部拉力傷害值結果（Fz/N）不滿足GB 11551—2014 法規要求，超出限值（限值為3 300 N），如圖3所示；4）駕駛員頸部彎矩傷害值結果（My/N·m）不滿足 GB 11551—2014 法規要求，超出限值（限值為57 N·m），如圖4所示。

圖1 車身B 柱加速度曲線

圖2 駕駛員頭部加速度傷害值（A3 ms）曲線

圖3 駕駛員頸部剪切力傷害值（Fz）曲線

圖4 駕駛員頸部彎矩傷害值（My）曲線

在該次實車碰撞試驗中，駕駛員身體各部位的具體傷害值，如表 1所示。其中 HIC，A3ms，Fz，My4 項傷害值指標超出碰撞法規（GB 11551—2014）所規定的傷害值指標限值。

表1 實車碰撞試驗中駕駛員各部位傷害值

真因分析：碰撞試驗中，車身B 柱加速度曲線最大峰值為43 g，波形脈寬為65 ms。從經驗來看，平頭客車的碰撞波形表現比乘用車中的轎車和SUV 車型稍差，因車體前部剛度大，碰撞過程中車身加速度曲線峰值較高，車體變形相對小[2]，不利于乘員保護。在該次實車碰撞試驗中，碰撞試驗假人頭部在慣性力的作用下沖擊轉向盤，造成頭、頸部位傷害值超出法規限值。

2 應對方案

2.1 增加安全氣囊（方案1）

搭建該車約束系統仿真分析模型，如圖5所示。在該仿真模型中，增加了駕駛員安全氣囊，并且輸入實車碰撞試驗波形。通過優化安全氣囊的泄氣孔直徑等參數，仿真分析結果很容易通過碰撞法規，結果如表2所示。

圖5 主駕約束系統仿真模型

表2 增加安全氣囊后實車碰撞試驗仿真分析結果

從表2 可以看出，增加安全氣囊后，在仿真分析的3 種方案中，碰撞假人各部位的傷害值均能滿足GB 11551—2014 法規要求（如表 1所示），其中方案 2（安全氣囊泄氣孔直徑為20 mm）的結果最優，碰撞假人各部位的傷害值最低。但是由于增加安全氣囊，需要重新開發轉向盤，并需要進行一系列的靜爆試驗和氣囊點火時間的標定試驗，整車成本有一定程度的增加，開發周期在1年左右，影響了已經上市車型的銷售。

2.2 優化現有約束系統（方案2）

增加安全氣囊需要對轉向盤等零部件進行重新開發，并且需要進行安全氣囊控制器標定工作，為了降低開發費用以及單車成本、縮短開發周期，采用優化現有約束系統的方法。

轉向管柱具有潰縮吸能的作用，管柱的潰縮機構可以通過4 個部分來闡述：1）上管柱與下管柱可以進行軸向運動，如圖6所示；2）鑲塊與下管柱連接板通過螺栓連接，如圖7所示；3）上管柱連接板與鑲塊通過4 個尼龍銷澆筑連接，如圖8所示；4）當轉向盤受到沿轉向管柱軸向的沖擊時，沖力過大，尼龍銷斷開，上管柱沿軸向向下運動[3]，如圖9所示。

圖6 轉向管柱總成圖

圖7 鑲塊與下管柱螺栓連接圖

圖8 轉向管柱總成底視圖

圖9 轉向管柱總成示意圖

由此可見，尼龍銷的設計對其耐沖擊力有直接影響。通過優化尼龍銷的材料、直徑等因素，使轉向盤受到沖擊時，轉向管柱產生軸向潰縮，進而減輕對乘員的傷害。

重新搭建約束系統有限元模型，如圖10所示，將安全帶限力水平調節為5 000 N，轉向管柱潰縮力為3 000 N，潰縮行程為50 mm，假人傷害值明顯降低，結果如表3所示。

圖10 主駕有限元分析模型

表3 汽車現有約束系統優化結果

為了使仿真分析方案落地，進行了一系列零部件驗證試驗，如圖11～圖13所示。

圖11 尼龍銷剪切力試驗

圖12 轉向軸壓入試驗

圖13 人體模塊沖擊轉向管柱總成試驗

試驗結果表明，轉向管柱總成潰縮力控制在2 800～3 300 N，與仿真分析輸入力值曲線接近，可以進行下一步整車試驗驗證。

3 整車試驗驗證

對比以上2 個方案，方案1（匹配安全氣囊）通過碰撞法規比較穩妥，但是開發成本較高，周期較長；方案2工程實用性更強。根據方案2 制作了試驗車，進行試驗驗證，如圖14所示，結果如圖15所示。

圖14 整車碰撞試驗驗證

圖15 肩帶力力值曲線

在整車驗證試驗過程中，轉向管柱尼龍銷斷裂失效，如圖16所示，轉向管柱正常潰縮，如圖17所示。表4 示出優化約束系統后駕駛員各部位傷害值對比。從表4 可以看出，在高限力安全帶的作用下，假人胸部傷害值略有增加，但遠遠低于限值，而假人頭部、頸部傷害值明顯降低，滿足GB 11551—2014 車輛正面碰撞法規，這種方案只對安全帶和轉向管柱進行優化，可實施性較強。

圖16 轉向管柱尼龍銷剪斷失效

圖17 轉向管柱壓潰狀態

表4 優化約束系統后駕駛員各部位傷害值對比

4 結論

為了應對升級后的國家車輛正面碰撞法規，文章提出了2 種改進方案，匹配安全氣囊會造成開發成本較高，開發周期較長，但效果明顯；改進現有約束系統滿足正碰法規要求，但對設計人員提出了更高的要求。通過約束系統仿真分析與轉向管柱零部件試驗驗證，得到最佳組合方案，最終使該車型在較短時間內，以較低成本顯著提高了被動安全性能，滿足了國家正碰法規的要求，提高了產品競爭力。然而為了滿足駕乘人員對車輛安全性能的需求，在以后的新車型開發中，會盡量配置安全氣囊，并且在轉向管柱設置一定距離的潰縮機構。