SOF性能對前縱梁兼容設計影響及優化

田曦陽，施科科，余彥永

（泛亞汽車技術中心，上海201208）

0 引言

隨著汽車保有量的迅速增長，車輛的安全性日益成為消費者在購買汽車時考慮的主要因素之一。根據IIHS對交通事故的統計結果［1］，正面小重疊偏置碰撞的發生概率以及致死率在正碰事故中占比約為 25%。為此，SOF（Small Overlap Frontal Crash）碰撞試驗工況于2012年被正式提出，以完善整車安全正碰工況體系及評價指標。SOF試驗的碰撞速度為 （64.4±1）km／h， 碰撞區域重疊率為 25%［2］。

目前部分現有車型面臨SOF改型需求，如何在不較大程度改動車身架構的前提下，通過較為經濟的設計優化滿足性能需求，日益引起關注。基于此，除優化包括A柱、門檻板和鉸鏈板等主要承載部件設計外，為了讓前縱梁更有效率地參與載荷路徑傳遞過程，本文作者基于目前現有車型的前縱梁設計，討論了在前縱梁產品SOF改型設計時截面、導向和接頭等因素的影響，并實現了兼容優化，為后續車型改進提供了指導。

1 某車型前縱梁SOF性能表現

SOF評價級別一般分為 “Good”“Acceptable”“Marginal”和 “Poor”4個級別，此評價指標通常針對整車性能進行考核和打分。同樣，作為重要的SOF能量承受及傳力系統，白車身同樣需要滿足相應的系統級指標，通常包括上部侵入量指標、下部侵入量指標以及Y向速度等。

目前基于某車型前縱梁，如圖1所示，按照 “Acceptable”考核性能指標，其SOF白車身目標值以及實際值如圖2所示，上下部主要考核區域如圖3所示。

圖1 某車型前縱梁結構示意

圖2 某車型白車身SOF侵入量

在SOF碰撞變形過程先期，平直式的前縱梁及副車架前端與壁障進行接觸及碰撞，該區域產生一定的潰縮及折彎，并吸收部分能量；隨著碰撞過程的進行，當碰撞至前輪罩與縱梁的搭接區域，亦即副車架連接區域時，主要載荷便同時分配給了縱梁、輪罩和副車架；傳到縱梁和輪罩部分的力，又將通過前臂梁的路徑傳遞到至A柱、鉸鏈板以及門檻板，并進一步傳導至車后，整個變形階段縱梁參與載荷傳遞的程度較低。

在SOF碰撞變形過程前期，平直式的前縱梁及副車架前端與壁障接觸后產生一定的潰縮及折彎，并吸收部分能量，隨著碰撞過程的進行，當壁障與前輪罩與縱梁的搭接區域，亦即副車架連接區域發生碰撞時，主要載荷便同時分配給了縱梁、輪罩和副車架。傳到縱梁和輪罩部分的力，連同上部載荷，又將通過前臂梁的路徑傳遞到至A柱、鉸鏈板以及門檻板，并進一步傳導至車后。傳力路徑如圖3所示。

圖3 SOF傳力路徑示意

鑒于此種碰撞模式，改善白車身SOF性能的方向主要有兩種：第一種為假人周端優化，亦即優化主要載荷承受部件，主要包括但不限于A柱、門檻板、鉸鏈板等直接包圍乘員的部件，此種優化方式為當前普遍采用的主要方式，能夠較為有效地保護乘員、有效降低入侵傷害。第二種為路徑沿途優化，此種優化方式涉及的部件并不直接參與載荷抵抗及乘員保護，但可通過改善載荷傳遞參與模式，引導載荷朝著更加有利的方向進行傳遞和分配。通常情況，兩種方案的組合方案能夠更加有效地改善SOF碰撞性能。

以某車型車身前縱梁為例，為了完成SOF改型，通過CAE仿真分析，第一種優化方式能夠有效改善侵入量指標，但仍有部分能量需要被吸收及傳導。為此，對第二種優化方式進行了深入組合，此種優化方式在不影響PT及底盤架構件的基礎上，通過采用兼容的開發模式將部分能量傳導至變速箱，并改善載荷分配比，從而輔助方案一完成SOF兼容優化并滿足性能指標要求，且優化組件成型工藝復雜度較低，安裝簡單，成本易控制。

2 SOF對前縱梁兼容優化影響

該車碰撞后鉸鏈板變形較大，A柱發生明顯折彎，同時，縱梁與副車架連接處產生部分失效。

根據變形模式分析，縱梁原主要變形區段并未較大程度參與碰撞能量吸收，反而成為刮擦區，如圖4所示，為SOF能量吸收和傳遞提供貢獻較小，且載荷傳遞途中缺乏導向設計，導致前輪罩及后部區域承受較大正面載荷。因此，針對此種情況，需要對前縱梁進行第二種優化設計，同時根據變形模式，對副車架也進行相應的傳導優化。

圖4 （左側）前縱梁變形示意 （優化前）

2.1 截面影響及優化

針對上述變形模式分析，為了盡可能減少A柱、鉸鏈板和門檻板等乘員周端零件所受的正面載荷，可以對前縱梁刮擦區段進行優化，主要為優化縱梁前段截面、增大與壁障的接觸面積，如圖5所示，有效利用縱梁前段進行吸能。內部加強件的優化同樣能夠達到前期吸收能量的目的。

圖5 前縱梁前段截面優化前后示意

值得注意的是，開口朝外的縱梁對SOF貢獻參與度較為友好，且能夠通過合理的設計優化滿足不同形式的正碰需求，但基于現有前縱梁產品，為了盡可能以較低的成本滿足性能要求，拓寬縱梁截面對兼容式開發而言更加經濟且兼容性更佳。

2.2 導向影響及優化

導向優化的目的是通過載荷傳導模式優化，增加整車Y向速度，從而有效降低變形后期對乘員周端零件的沖擊。因此，通過在縱梁外側增加導向塊的方式對載荷進行引導，導向塊如圖6所示。

導向塊工作原理為引導前縱梁產生Y向擠壓，從而與變速箱形成連續的傳力路徑，使整車在碰撞初期的30～60 ms內產生較大側向速度。通過分析，在傳力路徑上新增導向機構可提高整車的Y向速度，改善變形模式，且前縱梁及副車架增加導向機構都能提高Y向速度。針對該車型，前縱梁的導向機構對整車橫向推開的影響相對更大，Y向速度可提升約11%。與此同時，在實施假人周端優化方式的基礎上，選擇了3個侵入量較大的測點進行分析。新增導向塊前后對侵入量的影響分析如圖7所示，不難看出，新增導向塊能夠通過載荷引導的方式一定程度上有效降低部分測點的侵入值。

圖6 前縱梁導向塊結構對比

圖7 前縱梁新增導向塊前后測點入侵值對比

2.3 接頭影響及優化

SOF性能對傳力路徑中部件的接頭強度同樣提出了較高的要求，其中衡量指標之一是接頭結構的完整性。對此，通過象腿部零件以及內部加強件的料厚優化和型面優化，使得該處接頭得到強化，焊點未發生失效現象，同時加強了與cradle的接頭設計。

此外，為了緩沖碰撞載荷帶來的傷害，還可根據局部結構進行剛度優化［3］，具體情況可視不同案例區別分析，文中不詳細討論。

3 組合方案優化結果及分析

基于乘員周端、前輪罩及前臂梁的優化，加之上述前縱梁組合方案的優化，對優化后結構的SOF性能進行了分析。組合方案實施前后侵入量的對比變化如圖8所示，組合優化后縱梁的變形情況如圖9所示。

根據優化后的結果分析，基于乘員周端零件的強化，加之前縱梁組合方案的深入優化，可降低上部車身結構的4個關鍵區域的侵入量值，但同時局部個別區域侵入量會產生相應正反饋；下部車身結構的4處區域侵入量指標超差明顯得到改善并降低至Acceptable范圍內，車身系統改善較為明顯。

根據縱梁組合方案實施后的整車變形模式可看出，縱梁優化后，整車前端的縱梁參與了更多的能量吸收和傳遞，避免了前段平直段能量管理浪費，且前縱梁變形后同時出現了較大潰縮和折彎現象，更大程度地參與了整車變形過程，為SOF性能指標提升做出更多貢獻。

圖8 前縱梁組合方案實施前后侵入量對比

圖9 前縱梁組合方案實施后的前縱梁變形模式

4 結論

以某車型前縱梁為例，在優化乘員周端部件 （A柱、門檻板，鉸鏈板等）的前提下，進一步討論了SOF性能對前縱梁兼容設計的影響，并進行了組合優化方案的可行性研究，使白車身碰撞指標滿足Acceptable要求，為后續改型車前縱梁設計提供參考。

組合方案主要包括但不限于增大縱梁前端截面、新增外側導向塊機構以及強化接頭連接等方式；此外，還可根據載荷分配結果和傳力需要優化縱梁內部加強件或前輪罩及前臂梁總成設計，通常多種方案組合更容易滿足相關性能。