中保研小偏置結構性能開發研究

常曉宇,唐莉，廖慧紅

(吉利汽車研究院，浙江寧波 315000)

0 引言

中保研小偏置工況，主要來源于美國道路安全保險協會(IIHS)的小偏置考察項。2012年，IIHS針對事故中出現較多的正面小重疊碰撞情況，發布了一項新的測試工況：正面25%偏置(又稱小偏置)碰撞試驗，并規定了碰撞車速和試驗方法，旨在進一步促進車輛正面碰撞保護性能的提升[1]。該試驗可較好地模擬車頭一側與其他車輛、樹木或者電線桿等發生碰撞的事故形態。這項測試的嚴苛性就體現在車輛原本的吸能潰縮結構難以發揮應有的功效。IIHS于2016年修改小偏置測試規程，增加了乘員側小偏置碰撞內容，并已于2018年把乘員側25%小偏置碰撞測試加入到安全評級中。

1 車輛小偏置性能總覽

在中國保險汽車安全指數(C-IASI)發布的2018—2019年進行試驗的45款車中，小偏置性能優秀和良好總數為27個，占比約為60%，該項性能成為車內乘員安全指數評價項中體現差別的賽點，性能百分比如圖1所示[2],其性能評價匯總結果見表1。在C-IASI公布的成績單中，有豐田、本田這種評價為G優秀的領跑者，同時在P較差的欄目里存在大眾途觀、別克GL8和大眾帕薩特這種在國內銷量領先口碑不錯的合資車。值得比較的是，這3款車中保研評價為P的車，在美國市場銷售的車輛IIHS評價小偏置性能都是G優秀。該項性能的差別，透視了部分合資車國產化過程中對于性能要求的降低。對于廣大消費者而言，這是倒逼車企提升對安全性能要求的成績單。

圖1 中保研小偏置性能評價百分比

表1 中保研小偏置性能評價匯總

2 小偏置性能開發思路

小偏置工況的特點如圖2所示[2]，具體如下：(1)整車縱梁未受到壁障的直接沖擊；(2)A柱及門檻受到較大沖擊；(3)整車尾部向右旋轉；(4)駕駛員頭部由于慣性向左前方傾斜。

圖2 中保研小偏置工況特點示意

整體上的應對策略分為三類：(1)加強門環系統的強度；(2)滑移策略；(3)加強Y向力的傳遞。

2.1 加強門環系統

強度足夠的門環系統可以保證在門環系統中，A柱上部和門檻梁小偏置工況的截面力比例約為1∶3；翼子板上邊梁和縱梁的截面力比例約為2∶3的分配會比較合理。如A柱上截面承載能力過弱，會在小偏置沖擊中出現A柱上端彎折的狀況；而如果翼子板上邊梁位置的承載力過大則會導致A柱對應翼子板上邊梁位置結構承受過大沖擊，A柱內外板有分離風險，從而導致乘員艙侵入量增大。

A柱內外板的腔體承載力非常關鍵，因為A柱承擔著縱梁、翼子板上邊梁以及輪胎的三重沖擊，對應A柱上的傳遞路徑和截面力設計盡量不要有大的梯度，很多車型在A柱位置采用超高強度鋼或2.0 mm以上DP600的板材用于保證一定的承載力。

關于A柱與門檻的搭接建議采用全包裹搭接，這樣在A柱下端受到沖擊時，較大的搭接強度可降低鉸鏈柱斷裂的風險。門環系統加強以及截面力設計如圖3所示。

圖3 門環系統加強以及截面力設計示意

2.2 滑移策略

滑移策略如圖4所示。為實現滑移策略一般采用以下措施：(1)防撞梁Y向向外伸出，在前橫梁最外側設計三角導向結構，利于輪胎的滑出，同時翼子板上邊梁與縱梁的連接要強，避免碰撞中直接沖擊A柱；(2)副車架擺臂點A位置在碰撞中發生失效(螺栓剪切)，點C位置帶著輪胎以點B為軸旋轉，輪胎被偏移拉出，最后三點位置失效。對于點C位置要求有足夠的連接強度，避免其在碰撞中過早的發生失效。采用滑移策略的典型車型是Volvo XC90(圖5)，在小偏置工況車輛在前進過程中Y向滑移明顯，輪胎滑移飛出，最終車輛在小偏置沖擊過程中A柱與碰撞器的直接沖擊力降低很多，使得車輛前端與壁障Y向重疊量降低。這里面值得注意的是，Volvo XC90底盤結構Y向有很強的支撐結構才能支撐輪胎的滑移動作，否則如果副車架點B位置支撐不住，輪胎的外擺動作將無法完成。

圖4 滑移策略示意

圖5 XC90底盤

2.3 加強Y向力的傳遞

相對于設計難度較高的輪胎滑移策略，加強車輛的Y向力傳遞是目前提升在產車輛性能的較好的整改方向。對于小偏置工況，車輛的整體運動姿態是車頭向右側車尾并向左側旋轉，旋轉的原因是車頭位置左側受到壁障的沖擊產生Y向力，相對于車輛整體的重心是一個順時針方向的彎矩。因此加強車輛前端3個主要的Y向傳遞路徑，則可以有效地提升車輛受到的彎矩，促使車輛盡早旋轉，規避壁障與A柱的剛性沖擊。Y向傳遞路徑示意如圖6所示。

圖6 Y向傳遞路徑示意

3 某款車的具體方案及實施效果驗證

基于平臺車系，對小偏置進行性能整改。主要采用兩類整改相結合：(1)加強門環系統強度；(2)加強Y向力的傳遞。整改結構方案如圖7所示。

圖7 整改結構方案示意

圖中虛線1示意位置的結構用于加強門環結構強度，虛線2用于增加Y向傳力和縱梁傳力。圖中虛線2位置結構用于引導翼子板上邊梁后端結構在受到小偏置沖擊時，整體結構向車輛機艙內部倒入，避免結構堆積到A柱前端造成A柱侵入量過大。

整改前試驗的結構類整體評價為M，整改后試驗結構類評價為G，性能提升效果明顯。整改前后結構評估結果如圖8和圖9所示。

圖8 整改前結構評估結果

圖9 整改后結構評估結果

由圖可知，采用加強A柱上鉸鏈加強板的方式，增加該位置的X向沖擊承載能力，有利于降低A柱X向位移；加寬吸能盒方案，加寬的吸能盒和防撞梁有利于在碰撞前期增加Y向力的傳遞；在吸能盒與縱梁連接端板后端增加剛性塊，在吸能盒壓潰防撞梁側邊向后彎折時，該剛性塊可抵住縱梁結構，使得壁障對于車輛的沖擊更多地向縱梁和Y向傳遞；剛性塊位于變速器側面，在縱梁受到沖擊有內彎趨勢時，發動機左側懸置會受到很大的沖擊力，剛性塊通過縱梁—剛性塊—變速器的力的傳遞路徑輔助發動機左懸置完成了Y向力的傳遞，剛性塊對整體車姿的后期旋轉起到了很重要的力的傳遞作用。

4 結論

文中主要從小偏置性能開發實例入手，解析小偏置性能開發的幾個策略在實際應用過程中遇到的問題以及解決措施。對于基于已有車型進行小偏置性能改進，主要建議為：(1)基于目前車型傳遞路徑檢查截面力分配比例，并將其調整到較為合理的截面力比例(A柱上和門檻梁小偏置工況的截面力比例約為1∶3，翼子板上邊梁和縱梁的截面力比例約為2∶3)；(2)加強Y向力的傳遞，Y向力的傳遞路徑承載能力越強，車輛Y向位移越大，越有利于減小壁障對于車輛的沖擊破壞;(3)預防翼子板上邊梁位置X向結構堆積，在小偏置工況中翼子板上邊梁位置結構向車內彎倒對于控制A柱侵入量以及A柱內板的撕裂效果明顯。