電動車側柱碰翻轉研究及對策

夏丁 張建 胡濤 邸曙升 趙志新

（東風汽車有限公司東風日產乘用車公司技術中心）

側面柱碰撞用于模擬汽車出現側滑而撞擊大樹、電線桿等柱狀物體所發生的交通事故。據統計，在我國由于側面碰撞事故而導致死亡的案例中有38%是因為乘員的頭部撞到柱狀物體而造成的。2019 年3 月25 日，推薦性國家標準《汽車側面柱碰撞的乘員保護》（GB/T 37337—2019）由國家標準化管理委員會批準發布，并于 10 月1 日正式實施[1]。同時 C-NCAP 2021 版也會對電動車追加側柱碰工況的評價[2]。側柱碰標準在我國的推出將進一步提高和改善汽車側面碰撞安全性，更大限度地降低汽車交通事故中乘員的傷亡數量。汽車在發生側柱碰時，如若繞x 軸（汽車前后方向）翻轉角度過大，會導致汽車上部侵入量過大，侵占乘員生存空間，因此針對側面柱碰繞x 軸翻轉運動的研究具有重要意義。

1 電動車翻轉運動理論分析

側柱碰速度為32 km/h、角度為75°，碰撞工況如圖1 所示，性能要求需同時滿足乘員保護要求和強電保護要求[1-3]。側面柱碰撞中，碰撞瞬間的車體運動由側向平動和繞柱旋轉（z 向）運動組成[4]，如圖2 所示。當碰撞中心線通過汽車質心時，車身吸收能量最大，車身吸收能量公式，如式（1）所示。

圖1 電動車側面柱碰工況示意圖

圖2 電動車柱碰XY 平面運動學分析

式中：Ep——車身吸能，J；

m——碰撞車質量，kg；

h——脈沖力臂，質心到碰撞中心線的距離，m；

rz——z 向旋轉半徑，m；

EMz——z 向旋轉吸能，J；

v0——碰撞車初始速度，m/s。

然而在柱碰過程中，汽車不僅會發生側向平動和繞柱（z 向）轉動，同時還會發生x 向翻轉運動。實際運動為XY 平面的移動、z 向旋轉、x 向翻轉3 種運動形式疊加的三維復雜運動，文章將其簡化成XY 平面（如圖 3 所示）和 YZ 平面（如圖 4 所示）2 個平面的運動，分別進行理論分析。

圖3 柱碰汽車XY 平面運動（俯視圖）

圖4 柱碰汽車YZ 平面運動（后視圖）

考慮到電動車與燃油車的結構和布置完全不同，柱碰過程中汽車的運動姿態也會有所差異，文章選取同平臺的某電動車和某燃油車進行對比分析。

1.1 汽車z 向旋轉對比分析

通過對比可以發現：燃油車的發動機一般前置，因此整車質心相對靠前；電動汽車前端無發動機，前地板下端有電池包，整車質心相對更靠后。選取2 款典型的同平臺的燃油車和電動汽車，根據式（1），對比脈沖力臂及z 方向旋轉吸能，如表1 所示。

表1 某燃油車與某電動車z 向轉動對比

由表1 可知，相比燃油車，電動車脈沖力臂更小，脈沖力臂越小，汽車繞z 軸的旋轉運動就會越少。電動車碰撞能量中繞z 軸旋轉的能量占比僅為0.5%，相比燃油車的3.4%減少了很多。

1.2 汽車x 向翻轉對比分析

電池包對電動車地板有加強作用，同時為了保護電池包，門檻、地板橫梁一般會做得較強。同平臺的電動車除地板以外的上車身零件一般又是留用燃油車的。這樣就會導致電動車下車身反力矩強于上車身反力矩，這樣的結構特性會使得電動車在YZ 平面產生翻轉運動。簡化柱碰汽車YZ 平面受力，如圖5 所示。

圖5 柱碰汽車YZ 平面運動學分析

根據達朗貝爾原理，汽車所受慣性力系可以簡化成通過質心的慣性力和YZ 平面內的慣性力矩。慣性力（ma）方向與加速度相反。慣性力矩（Mx/N·m）轉向與角加速度（β/（rad/s2））相反。對左側接地點O 列力矩平衡方程，有：

式中：l1——門檻到地面z 向距離，m；

l2——汽車質心到門檻z 向距離，m；

l3——汽車質心到頂蓋z 向距離，m；

l4——汽車質心到門檻y 向距離，m；

Fup——碰撞整個時間段的上車身平均反力，N；

Flwr——碰撞整個時間段的下車身平均反力，N。

由式（2）和式（3）可得：

汽車繞x 軸翻轉角度（θx/（°）），如式（5）所示。

式中：t——碰撞時間，s；

rx——x 向旋轉半徑，m；

Δv——速度變化，m/s。

汽車繞 x 軸翻轉能量（EMx/kJ），如式（6）所示。

根據式（4）～式（6），計算得到燃油車和同平臺的電動車繞x 軸的翻轉運動對比，如表2 所示。

表2 某燃油車與某電動車繞x 軸翻轉對比

從表2 可以看出，電動車由于汽車上下反力配比與燃油車存在差異，導致繞x 軸的翻轉運動增加，電動車繞x 軸翻轉能量占比達到3.8%，這部分能量不能夠忽視，因此對柱碰過程中車身吸能公式（式1）進行修正，如式（7）所示。

汽車在x 向翻轉會導致汽車上端侵入量大于下端。電動車侵入量要求，如圖6 所示，對于乘員保護來講，車身上端侵入量（S1/mm）有一定限制；對于保護電池包來說，車身下端侵入量（S2/mm）也有一定限制。因此汽車翻轉角度需滿足一定條件，不能過大，過大則會侵占乘員生存空間（如圖6 中虛線所示），影響乘員保護性能的達成。

圖6 電動車侵入量要求

從車身吸能角度來講，翻轉角度太小，車身吸能又需要增加，不利于耐撞性的輕量化設計。因此汽車x 向翻轉角度需要控制在合理數值，既能滿足汽車上端乘員生存空間的達成，又有利于耐撞性輕量化設計。可以通過調整車體上下反力配比來控制汽車x 向翻轉角度，如式（8）所示。

2 某電動車側柱碰翻轉對策改進

2.1 CAE 結果分析及對策

根據側柱碰工況建立某電動車和某燃油車的結構耐撞性CAE 仿真分析模型。電動車和燃油車的CAE 解析的x 向翻轉角度結果，如圖7 所示。

圖7 側柱碰工況汽車翻轉角度CAE 分析結果

從CAE 解析結果來看電動車x 向翻轉角度確實比燃油車大了很多。將CAE 解析得到的翻轉角度與按照式（5）計算得到的角度進行對比，如表3 所示，可見式（5）的理論計算是可信的。

表3 汽車x 向翻轉角度CAE 值與計算值對比 （°）

某電動車初始CAE 結果x 向翻轉角度為7°，導致汽車上端侵入量（S2=378 mm）偏大（不滿足＜370 mm的性能目標），侵占了乘員肩部的生存空間，從而影響了假人胸部的得分，因此需要進行對策。計劃將電動車x 向翻轉角度減小2°，以滿足乘員生存空間要求。按照式（8）計算，汽車上端平均反力需提升9 kN。

根據section AD 斷面分析軟件，汽車上端平均反力提升9 kN，對策為在A 柱對應柱碰位置局部增加抗拉強度為1 180 MPa、厚度為1.2 mm 的補強件，并且將頂蓋前橫梁厚度由1.0 mm 提升至1.4 mm，如圖8 所示。

圖8 汽車x 向翻轉對策方案

2.2 對策CAE 及實車試驗驗證

針對某電動車對策后的模型重新進行整車側面柱碰CAE 解析。仿真結果表明，對策后各項評價指標均滿足側柱碰結構耐撞性目標，如表4 所示。

表4 某電動車側面柱碰初始方案和對策方案結果對比

實車碰撞結果也與仿真結果較為接近，試驗各項指標都合格。電池模組與殼體間隙有35 mm（如圖9 所示），電池包強電保護合格；乘員生存空間（汽車上端侵入量）滿足目標要求；試驗過程中汽車x 向翻轉角度為5.2°，滿足目標要求。

圖9 某電動車側面柱碰試驗后電池包

3 結論

文章通過理論計算分析電動車相比燃油車在z 向旋轉、x 向翻轉運動方面的差異，指出了電動車對應柱碰x 向翻轉的對策方向并得出：

1）電動車質心與碰撞基準線距離更小，汽車z 向旋轉運動能量更小。

2）電動車車身上下反力配比存在差異，導致電動車會發生很大的繞x 軸的翻轉運動，文章針對翻轉角度和翻轉能量進行了理論分析，對側面柱碰的吸能理論進行了改進。

3）側柱碰時如果不對汽車x 向翻轉角進行控制，會導致汽車上端侵入量過大，侵占乘員的生存空間，從而影響乘員保護性能的達成。

4）文章通過理論計算，推算出如何選擇合理的車體上下反力配比，來控制x 向翻轉角度的大小，以滿足強電保護和乘員生存空間兩者性能的達成；CAE 分析和試驗驗證了此方法的有效性。