車輛前端水箱框架結構對碰撞性能影響

郭樹文　路深　顧海明　李曉東

摘 要：伴隨中國經濟的快速發展，中國汽車行業也發生了翻天覆地的變化，中國汽車的保有量在不斷增多，帶來中國的道路交通形式也日趨復雜，使得汽車消費者購車已不僅僅是購買一輛代步工具而已，在選車購車時而是對車輛的安全性能的重視程度在越來越高;汽車企業也把車輛安全性能開發放到了至關重要的位置，加大各種研發手段及技術能力的儲備和投入，促使中國汽車安全技術發展在不斷進步，車輛的安全性能也在不斷提高。本文主要對車輛前端的水箱框架進行研究，研究其對車輛安全性能的影響，以指導車輛被動安全性能的開發。

關鍵詞：被動安全 正面碰撞 水箱框架 安全法規

The Influence of the Frame Structure of the Vehicle Front Water Tank on the Crash Performance

Guo Shuwen Lu Shen Gu Haiming Li Xiaodong

Abstract：With the rapid development of Chinas economy， Chinas automobile industry has also undergone earth-shaking changes. The number of cars in China is increasing， and the forms of road traffic in China have become increasingly complex， making automobile consumers more than just buying a car. Its just a means of transportation. When choosing a car and buying a car， it pays more and more attention to the safety performance of the vehicle; automobile companies also put the development of vehicle safety performance in a crucial position， and increase various research and development methods and technical capabilities. The reserves and investment in China have promoted the continuous progress of China's automotive safety technology， and the safety performance of vehicles has also been continuously improved. This article mainly studies the water tank frame at the front of the vehicle， and studies its influence on the safety performance of the vehicle to guide the development of the passive safety performance of the vehicle.

Key words：passive safety， frontal collision， water tank frame， safety regulations

1 引言

中國汽車車輛的保有量隨著中國經濟的發展在持續攀升，目前全國汽車保有量大約為2.8億輛左右[1]，每年銷售整車已經達到2800萬輛左右。伴隨車輛數量的增加，帶來的車輛安全問題日趨復雜。道路使用者較以前更加復雜，各種機動車、非機動車、行人等穿插于道路之中，每年的安全事故形態日益繁雜。因此不論消費者還是主機廠均把車輛安全性能看得日益重要，為提高車輛安全性能主機廠進行更多的人力和物力的投入。

經過多年的發展，車輛被動安全已經形成較完善的評價體系，從標準性質劃分主要分為強制性標準和非強制性標準以及NCAP體系，國內強制性標準主要包括GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》、GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》、GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》等，非強制性標準主要包括GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》、GB/T 37337—2019《汽車側面柱碰撞的乘員保護》等，NCAP體系目前主要包括50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞、50km/h側面碰撞等。

基于國家標準體系的不斷完善，主機廠對車輛結構研究日益深入，在正面碰撞中主要通過防撞橫梁、縱梁、吸能盒進行壓潰變形吸能，因此主機廠對縱梁、防撞橫梁、吸能盒研究較為深入，而車輛前端水箱框架做為前端結構雖然不是直接主要的吸能部件，但卻對正面結構吸能效果有較大影響，因此本文主要對前端水箱框架對正面碰撞安全性能影響進行研究。

2 正面碰撞要求及評價

2.1 正面碰撞工況及評價

2.1.1 碰撞工況

目前的碰撞形式主要分為正面碰撞、側面碰撞、后碰等幾種典型工況。

其中側面碰撞工況主要考核車輛發生側面撞擊的情況下，依靠車輛結構及約束系統對乘員進行保護的性能;車輛在發生側面碰撞后首先是依靠側面的B柱、門檻梁、上邊梁、座椅橫梁等進行吸能，吸收側面車輛的撞擊能量，減緩車輛側面變形，保證車輛維持足夠的乘員生存空間，同時通過側面約束系統對乘員進行保護，降低乘員受到傷害的風險。

而本文要研究的水箱框架是車輛的重要組成部件，其主要是車輛在發生正面碰撞時會對車輛安全性能產生影響。

正面碰撞主要分為50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞，這種工況主要考核在車輛發生正面撞擊時車輛對車上乘員進行保護的效果，其中分為兩部分一部分為車身結構安全，另一部分為約束系統對乘員的保護。

在50km/h正面碰撞試驗中需要在車輛前排外側的座椅上放置HYBID III 50%分位男性假人。車輛發生正面碰撞后，防撞橫梁、吸能盒、縱梁等前端吸能組件進行壓潰變形，吸收車輛的前端碰撞能量，同時通過乘員艙艙體結構對乘員生存空間進行保護，保證乘員艙結構的完整性;而且在乘員艙內通過氣囊、座椅、轉向管柱、安全帶等部件經過合適的部件匹配對乘員進行保護，降低乘員的受傷危害，保護乘員的安全性。

2.1.2 安全要求

碰撞試驗后需要對車輛進行安全性能評價，以判斷車輛的安全性能，其評價內容主要包含如下考核項目：車門在開展試驗的過程中不得有開啟現象;在試驗過程中前門的鎖止系統不得發生鎖止;碰撞試驗后對應于每排座位，若有門，至少有一個門能打開;碰撞過程中燃油供給系統不應發生泄漏;碰撞試驗后，若燃油供給系統存在液體連續泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min。

試驗后還要對假人關鍵部位傷害進行評價，主要包括頭部性能指標（HIC）、頭部合成加速度、頸部伸張力、頸部剪切力、頸部彎矩、胸部粘性指數、胸部壓縮變形（THCC）、大腿壓縮力、膝滑移、小腿脛骨指數等。

最終要依據定性與定量相結合的方法，對車輛的碰撞安全性能進行評價，評定車輛的安全性能和等級，以保證車輛的安全性能能夠保證車輛足夠的安全保護能力，保證乘員的生命安全。

3 水箱框架結構對碰撞安全性能影響分析

車輛是由成千上萬的不同部件組成的，每個部件都對車輛的正常運轉起著重要的作用，水箱也是車輛的重要組成部件，車輛在運轉的過程中會產生很多的熱量，產生的能量會使車輛動力裝置溫度不斷升高，過高的溫度會影響發動機或電機的正常工作性能，為了保證發動機或電機在合適的工作溫度范圍內工作，需要通過水箱將發動機或變速箱產生的熱量及時散發出去，使得發動機或電機保持在正常的工作溫度范圍內。

而汽車水箱框架做為車輛前端結構，是汽車散熱器總成中的重要組成部分，主要作用在于將車輛的水箱牢固的安裝在車輛前端，提供足夠的強度支撐，保證在車輛運轉過程中不會因為車輛的顛簸和振動，影響水箱的工作，因此水箱框架在車輛前端必不可少[2]。

3.1 經典水箱框架結構

經典車輛水箱框架結構如下圖1所示，主要由一根水箱上橫梁、左/右水箱立梁、水箱立梁與縱梁連接板、水箱下橫梁等部分組成，中部的水箱通過上下安裝點安裝到水箱框架上，保證其牢固的安裝在上面，保持正常的工作狀態。

由于水箱內有很多的循環水，另外水箱及水箱立梁本身也比較重，為了保證水箱能夠牢固的安裝在車輛前端，因此水箱立梁連接板要有足夠強度，而且要通過圖2所示處連接到縱梁上，為此需要連接板能夠提供足夠的連接強度。

3.2 經典水箱框架結構分析

車輛在發生正面碰撞時，主要依靠前端吸能結構進行變形吸能。

經典水箱框架結構首先是防撞橫梁及吸能盒壓潰變形，吸收碰撞能量，接下來是縱梁壓潰變形，在此期間水箱結構受力發生變形，經典水箱框架位于縱梁內側，通過水箱立梁連接板與縱梁進行連接。

在水箱立梁碰撞受力階段，車輛前端受力如下圖3所示，縱梁與水箱立梁由于在Y向錯開布置，因此在水箱立梁受力階段，與縱梁受力形成一個繞Z軸的旋轉力矩。由此會使縱梁形成向外側翻轉變形形式，降低縱梁吸能效果。

通過仿真手段搭建一典型車型的仿真模型，整車模型分為若干子系統，主要由白車身、車門系統、動力系統、轉向、座椅系統等組成，整車采用10mm*10mm網格進行劃分，各子系統通過include文件模式進行系統組裝，整車模型共計300萬左右網格，計算時間120ms。

此模型進行50km/h正面碰撞仿真計算，對仿真結果進行分析，查看碰撞后的變形縱梁及吸能盒等，仿真結果如下圖4所示，縱梁在前端形成了外側翻轉的變形形式。

通過仿真結果分析縱梁及吸能盒的吸收能量情況如下圖5，防撞橫梁吸收能量2.9KJ，吸能盒吸收能量15.9KJ，縱梁吸收能量37.8KJ，總體吸收能量56.6KJ，如下圖5所示：

對碰撞后的車輛前圍板進行分析統計，車輛前圍變形情況如下表所示

為提高車輛被動安全性能改善縱梁變形模式，改善縱梁壓潰變形吸能形式，將水箱立梁改成圖6所示形式，水箱立梁安裝在吸能盒與縱梁搭接處，水箱立梁與縱梁受力中心基本處于同一平面內，避免縱梁受到過大的旋轉彎矩。

基于此種結構，搭建仿真模型，經過仿真計算，縱梁變形如下7所示，由圖可以看出，經過改善后的縱梁和吸能盒是逐級順序壓潰的，可以有效增加吸能盒及縱梁的變形吸能能力，改善車輛的被動安全性能

對車輛進行分析車輛吸能盒及縱梁吸能效果情況如下圖8所示。防撞橫梁吸收能量3.1KJ，吸能盒吸收能量17.9KJ，縱梁吸收能量46.17KJ，總體吸收能量67.17KJ。

對碰撞后前圍侵入情況進行統計分析，其侵入變形情況如下表2所示：

對改進前后的吸能盒及縱梁吸能情況進行對比，可以看出改進后的結構能夠有效吸收更多的碰撞能量。

由改進前后的前圍侵入情況也能明顯看出，改進后的前圍侵入明顯有所降低，減少了乘員艙的變形，降低乘員受傷的風險。

4 總結

經過以上分析可以發現，為了保證車輛的正常工作運轉，水箱框架結構在車輛上是必不可少的部件，另外由于其所在的位置其布置結構形式又對車輛被動安全性能有著直接的影響，因此設計合理的水箱立梁的結構形式對車輛被動安全性能至關重要。

（1）要保證水箱立梁與吸能盒及縱梁在Y向盡量避免錯開布置，減少碰撞時的旋轉彎矩。

（2）合理設計水箱立梁的結構強度，滿足結構及安全要求。

因此水箱框架結構形式對提升車輛的正面碰撞安全性能有一定的現實指導意義。

參考文獻：

[1]雷斌，張帥.乘用車車道保持輔助主觀評價方法研究，中國汽車，2020，10-13.

[2]梅燁.BA01型汽車水箱支架結構分析及優化設計[J].海南大學，2017.