小偏置碰撞中車(chē)輪侵入方向?qū)τ谲?chē)門(mén)防撞管的影響

解躍青，陳 瑜

（上汽大眾汽車(chē)有限公司 產(chǎn)品研發(fā)車(chē)身研發(fā)部，上海 201805）

隨著人們對(duì)汽車(chē)安全性能的日益關(guān)注，汽車(chē)碰撞安全技術(shù)的不斷發(fā)展，以及汽車(chē)進(jìn)出口貿(mào)易的增長(zhǎng)，新研發(fā)的車(chē)型需要滿足不同的安全法規(guī)。同時(shí)，中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)[1]（簡(jiǎn)稱(chēng)C-IASI）測(cè)試評(píng)價(jià)體系作為車(chē)型定價(jià)的最重要因子，從消費(fèi)者立場(chǎng)出發(fā)，以汽車(chē)保險(xiǎn)的視角，圍繞車(chē)險(xiǎn)事故中“車(chē)損”、“人傷”，開(kāi)展耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性、車(chē)內(nèi)乘員安全、車(chē)外行人安全、車(chē)輛輔助安全等4項(xiàng)指數(shù)的測(cè)試評(píng)價(jià)。2017C-IASI體系的建立為消費(fèi)者購(gòu)車(chē)、用車(chē)提供了有效的參考，同時(shí)C-IASI體系所涵蓋的各項(xiàng)試驗(yàn)法規(guī)對(duì)于汽車(chē)生產(chǎn)廠商進(jìn)行汽車(chē)安全研發(fā)的要求也提出了新的挑戰(zhàn)。

25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)為C-IASI體系中的一個(gè)正面碰撞試驗(yàn)工況，用于考察在正面碰撞事故中車(chē)輛結(jié)構(gòu)及乘員的傷害，如車(chē)輛左前方撞上了樹(shù)、電線桿等較窄的物體[2]。由于僅有小部分車(chē)身參與碰撞，汽車(chē)受到?jīng)_擊的作用面幾乎都落在縱梁的外側(cè)[3]，車(chē)身設(shè)計(jì)中為保護(hù)乘員安全而設(shè)計(jì)的主要受力構(gòu)件“縱梁”完全不能或者很少能夠起作用，由于縱梁不能通過(guò)壓潰變形而吸收沖擊能量，從而導(dǎo)致了乘員艙的過(guò)度侵入，對(duì)車(chē)內(nèi)乘員造成極大的傷害。此類(lèi)碰撞事故的頻發(fā)性和嚴(yán)重程度受到全世界汽車(chē)安全領(lǐng)域研究者越來(lái)越多的關(guān)注。

本文根據(jù)C-IASI體系提出的關(guān)于SOFC的評(píng)價(jià)試驗(yàn)（25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)）及評(píng)價(jià)規(guī)范對(duì)某車(chē)型進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。使用Pam-Crash求解器[4]，利用有限元模型研究車(chē)身及門(mén)內(nèi)防撞管在受到從車(chē)輪傳遞的不同方向的載荷條件下的變形情況及乘員艙的侵入量，并針對(duì)其中的問(wèn)題提出優(yōu)化方案。

1 問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題描述

在25%小偏置正面碰撞中，由于剛性壁障與車(chē)輛的接觸主要在縱梁之外，縱梁作為正面碰撞中的主要能量吸收結(jié)構(gòu)，在25%小偏置碰撞試驗(yàn)工況下不能充分發(fā)揮其吸能效果[5]。碰撞載荷主要通過(guò)輪胎和上縱梁向后傳遞到A柱和門(mén)檻上，導(dǎo)致乘員艙嚴(yán)重變形，對(duì)乘員造成嚴(yán)重傷害。為了有效控制乘員艙變形，通常會(huì)在前門(mén)安裝防撞管，防撞管安裝位置如圖1所示。該防撞管的作用在于，在碰撞過(guò)程中，通過(guò)增加力傳遞路徑[6]，將一部分碰撞能量通過(guò)車(chē)門(mén)防撞管傳遞到B柱，以減小由于門(mén)檻變形造成的乘員艙下部變形過(guò)大對(duì)乘員造成的傷害。同時(shí)，防撞管能有效支撐住A柱上鉸鏈區(qū)域與B柱之間的車(chē)門(mén)變形，有效提高生存空間[7]。這在保障乘員安全方面起到了重要作用，其力傳遞路徑如圖2所示。

圖1 防撞管位置示意

圖2 碰撞載荷傳遞路徑

由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中受到其它零部件設(shè)計(jì)及安裝要求的限制，所以A柱或B柱內(nèi)板，側(cè)圍外板以及車(chē)門(mén)內(nèi)板之間存在間隙。在碰撞發(fā)生時(shí)，這三者之間的間隙由于受到擠壓被壓縮，當(dāng)此間隙被壓縮至極限并導(dǎo)致三者互相接觸時(shí)，車(chē)門(mén)內(nèi)的防撞管開(kāi)始工作，以便起到支撐作用，從而保證乘員艙的生存空間。車(chē)身內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車(chē)門(mén)內(nèi)板之間的間隙壓縮及車(chē)門(mén)防撞管的正常工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 防撞管工作過(guò)程

由于防撞管在接觸A柱及B柱區(qū)域的接觸面時(shí)存在傾斜角度，所以在碰撞發(fā)生后防撞管開(kāi)始起支撐作用前，防撞管會(huì)出現(xiàn)一定程度的躥動(dòng)，向接觸面的邊緣移動(dòng)。因此，當(dāng)防撞管開(kāi)始起支撐作用時(shí)，由于受到來(lái)自兩端的擠壓力，使其容易從兩端接觸區(qū)域滑脫，失去支撐作用。

在某車(chē)型的研發(fā)和試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在小偏置碰撞過(guò)程中，轉(zhuǎn)向連接處的失效位置和失效時(shí)間難以準(zhǔn)確控制（該失效通常存在于前懸與副車(chē)架的連接處或轉(zhuǎn)向節(jié)柱處），從而導(dǎo)致車(chē)輪在撞擊過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)角度不同。當(dāng)車(chē)輪在碰撞過(guò)程中以不同角度撞擊門(mén)檻或輪罩護(hù)板時(shí)，由于前艙和A柱鉸鏈區(qū)域的變形不同[8]，門(mén)內(nèi)防撞管的表現(xiàn)也會(huì)出現(xiàn)很大差異。

為了研究當(dāng)車(chē)輪在碰撞過(guò)程中以不同角度撞擊門(mén)檻或輪罩護(hù)板時(shí)，門(mén)內(nèi)防撞管是否能夠起到支撐作用且是否存在滑脫風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)在有限元模型中實(shí)現(xiàn)車(chē)輪不同的侵入角度，來(lái)評(píng)價(jià)乘員艙的侵入量。

1.2 車(chē)輪姿態(tài)分析

在常規(guī)的小偏置碰撞仿真模型中，車(chē)輛在撞擊剛性壁障時(shí)，輪子的運(yùn)動(dòng)只有y向的轉(zhuǎn)動(dòng)和x向的平動(dòng)[9]，在本研究的模型中，為了在有限元模型中快速實(shí)現(xiàn)車(chē)輪不同的侵入角度，在有限元模型中的碰撞時(shí)刻，人為地在前側(cè)車(chē)輪節(jié)點(diǎn)施加0.028～0.034 rad/ms的初始z向角速度，并且在模型中釋放轉(zhuǎn)向拉桿，避免轉(zhuǎn)向拉桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻礙車(chē)輪偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪撞擊門(mén)檻外側(cè)、中間和內(nèi)側(cè)，以及輪罩中間和內(nèi)側(cè)。5種工況下車(chē)輪入侵對(duì)比和防撞管偏轉(zhuǎn)對(duì)比，如圖4和圖5所示。以藍(lán)色輪輞狀態(tài)為例，由于車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角度較小，車(chē)輪直接擠壓門(mén)檻，導(dǎo)致門(mén)檻變形大，載荷主要通過(guò)門(mén)檻傳遞，A柱變形相對(duì)較小，防撞管y向滑移小，能有效支撐A柱，而橘色輪輞偏轉(zhuǎn)角大，由于輪胎與門(mén)檻沒(méi)有較好地接觸，傳遞到A柱與防撞管的載荷大，防撞管如果不穩(wěn)定，就會(huì)在載荷的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不能對(duì)A柱產(chǎn)生有效支撐。

圖4 車(chē)輪入侵對(duì)比

圖5 防撞管偏轉(zhuǎn)對(duì)比

在該研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車(chē)門(mén)防撞管在碰撞過(guò)程中能夠有效地支撐住A柱和B柱時(shí)，如圖6所示，根據(jù)C-IASI體系的要求，結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)達(dá)到“優(yōu)”，滿足設(shè)計(jì)要求，并且乘員艙的生存空間能夠得到有效保證。

圖6 防撞管有效支撐效果

同時(shí)，在該研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車(chē)輪撞擊門(mén)檻梁內(nèi)側(cè)或內(nèi)輪罩護(hù)板時(shí)，由于受到前車(chē)輪輪轂在碰撞過(guò)程中的擠壓，A柱上鉸鏈區(qū)域在擠壓過(guò)程中發(fā)生繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致防撞管從A柱支撐區(qū)域脫出，未起到支撐乘員艙的作用[10]，如圖7所示，根據(jù)C-IASI體系的要求，結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)為“良好”，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 防撞管支撐失效

圖8展示了圖6與圖7所對(duì)應(yīng)的防撞管在碰撞過(guò)程中對(duì)結(jié)果變形起到的不同支撐效果，其中各測(cè)量點(diǎn)的侵入量對(duì)比見(jiàn)圖8中的表格。

圖8 防撞管支撐效果對(duì)入侵量的影響

由此可見(jiàn)，防撞管在小偏置碰撞過(guò)程中能否提供有效支撐直接決定了乘員艙各評(píng)價(jià)點(diǎn)的侵入量大小，對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)有直接的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量確保防撞管支撐效果的穩(wěn)定性。

2 提出解決方案

在本研究中發(fā)現(xiàn)，防撞管越早與內(nèi)板接觸就越難從支撐區(qū)域被擠脫，因此，在車(chē)型研發(fā)早期階段，通過(guò)減小圖2所示的A柱或B柱內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車(chē)門(mén)內(nèi)板之間的間隙，能有效控制防撞管在碰撞過(guò)程中滑出。由于該車(chē)型已經(jīng)處于研發(fā)后期階段，更改車(chē)身鈑金件涉及高額的更改成本，所以需要研究其替代方案。

在碰撞過(guò)程中，由于門(mén)內(nèi)防撞管與車(chē)門(mén)的固定連接距離端口較遠(yuǎn)，所以當(dāng)A柱上鉸鏈加強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該連接較弱，無(wú)法有效固定住防撞管的前端運(yùn)動(dòng)，如圖7中紅圈處所示。為了改善門(mén)內(nèi)防撞管在碰撞過(guò)程中的穩(wěn)定性，使其在車(chē)輪不同的撞擊角度下能保持穩(wěn)定的支撐，需要在防撞管靠近前端處增加固定點(diǎn)或固定結(jié)構(gòu)。在空間和安裝工藝允許的情況下，改造鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，使其在前端增加防撞管固定環(huán)，在碰撞過(guò)程中防止防撞管出現(xiàn)較大的y向滑移。如果門(mén)內(nèi)安裝空間較小，該固定環(huán)外端可以被切除，優(yōu)化雙側(cè)或單側(cè)的耳型防撞支架，與防撞管以焊縫連接。耳型防撞支架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 耳型防撞支架結(jié)構(gòu)

3 仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

本研究基于碰撞過(guò)程中車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角度最大的狀態(tài)，對(duì)該方案的有效性進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)改造，強(qiáng)化固定了車(chē)門(mén)防撞管前端靠近A柱鉸鏈的區(qū)域，在碰撞過(guò)程中即使A柱上鉸鏈區(qū)域在擠壓過(guò)程中發(fā)生了繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，防撞管也沒(méi)有出現(xiàn)較大的y向滑移，使其穩(wěn)定地停留在與A柱接觸的區(qū)域內(nèi)，并能使防撞管與A柱更早地發(fā)生接觸，這不僅能有效地防止其脫出，也能穩(wěn)定地支撐住乘員艙的生存空間，優(yōu)化了前艙侵入量，使結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)達(dá)到優(yōu)秀。防撞管在碰撞中的支撐效果如圖10所示，乘員艙測(cè)量點(diǎn)侵入量如圖11所示。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的防撞管支撐效果

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后乘員艙測(cè)量點(diǎn)的侵入量

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)計(jì)算模擬對(duì)防撞管固定方式進(jìn)行的優(yōu)化，有效地解決了防撞管在碰撞過(guò)程中的失效現(xiàn)象。通過(guò)25%小偏置碰撞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，整車(chē)A柱及車(chē)門(mén)變形小，生存空間保持完整，從車(chē)門(mén)解剖圖可以看出防撞管無(wú)y向竄動(dòng)，對(duì)A柱提供了有效支撐，與模擬計(jì)算結(jié)果一致。

圖12 25%偏置試驗(yàn)效果

4 結(jié)論

在25%小偏置正面碰撞工況中，由于剛性壁障與車(chē)輛的接觸主要在縱梁之外，縱梁作為正面碰撞的主要能量吸收結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮吸能效果，導(dǎo)致乘員艙嚴(yán)重變形，對(duì)乘員造成嚴(yán)重傷害。通過(guò)增加車(chē)門(mén)防撞管，一部分碰撞能量可以通過(guò)車(chē)門(mén)防撞管傳遞到B柱，防撞管能有效支撐住A柱上鉸鏈區(qū)域與B柱之間的車(chē)門(mén)變形，從而有效地提高了生存空間，在保障乘員安全方面起到了重要作用。

防撞管越早與內(nèi)板接觸就越難從支撐區(qū)域被擠脫，因此，在車(chē)型研發(fā)早期階段，通過(guò)減小A柱或B柱內(nèi)板、側(cè)圍外板以及車(chē)門(mén)內(nèi)板之間的間隙，能有效控制防撞管在碰撞過(guò)程中滑出。在車(chē)型項(xiàng)目研發(fā)的后期階段，考慮到車(chē)身的改動(dòng)成本，可以通過(guò)改造鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，使其盡可能地在靠近鉸鏈的位置加固防撞管，避免其在A柱上鉸鏈區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，防撞管前端出現(xiàn)較大的滑動(dòng)位移而從支撐區(qū)域脫出。