乘用車MPDB 工況碰撞兼容性研究

王 月，曹國(guó)洋，馬洪波，唐 莉，王鵬翔

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江，寧波315336）

近年來，隨著對(duì)碰撞法規(guī)研究的深入，汽車碰撞安全性能也隨之提高。2020 年，Euro-NCAP將MPDB 碰撞納入評(píng)價(jià)規(guī)程，并增加壁障兼容性評(píng)價(jià)。最新發(fā)布的C-NCAP 2021 版測(cè)評(píng)規(guī)程也將MPDB 碰撞工況增加到評(píng)價(jià)中，并把壁障兼容性評(píng)價(jià)作為乘員保護(hù)得分修正的一部分。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)MPDB 影響較大且經(jīng)常出現(xiàn)問題的因素是碰撞中的觸底或擊穿，楊楊等通過仿真以不同重量的車型為研究對(duì)象，開展包括OLC、標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）以及擊穿罰分在內(nèi)的分析。楊帥等提出限定前艙最大剛度、限定乘員艙最小剛度、均勻前端結(jié)構(gòu)、增大壁障變形區(qū)域等相容性優(yōu)化策略。本文以MPDB碰撞工況的試驗(yàn)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，研究影響兼容性得分的主要因素，并從造成擊穿問題的根源進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)提出相關(guān)的設(shè)計(jì)要求及改進(jìn)方向。

1 MPDB碰撞工況介紹

MPDB 碰撞工況如圖1 所示。車輛和壁障車均以50 km/h 的速度進(jìn)行撞擊，車輛與壁障車的重疊率為50%，壁障車的前部壁障距離地面高度為150 mm，臺(tái)車質(zhì)量為1 400 kg。

圖1 MPDB碰撞工況

試驗(yàn)中，在車輛前排駕駛員位置放置1 個(gè)Thor 50th 男性假人，乘員位置放置1 個(gè)Hybrid III 5th 女性假人，用來測(cè)量前排乘員受傷情況。在第2 排座椅最左側(cè)座位上放置1 個(gè)Hybrid III 5th 女性假人、最右側(cè)座位上放置1 個(gè)兒童約束系統(tǒng)和一個(gè)Q 系列10 歲兒童假人，用以測(cè)量第2 排人員受傷害情況。兼容性的評(píng)價(jià)內(nèi)容要求見表1。

表1 C-NCAP 兼容性評(píng)價(jià)［2］

2 碰撞理論分析

在碰撞過程中，車體受到的沖擊變形主要集中在碰撞區(qū)域，對(duì)其他部位影響較小。車輛在設(shè)計(jì)過程中重量、幾何尺寸、車身的剛度等均存在不同，在實(shí)際碰撞事故中，一般輕型車都會(huì)受到更嚴(yán)重的破壞，且該車乘員也會(huì)受到更高載荷的沖擊。由于兩車撞擊的內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車與地面的摩擦力，碰撞過程遵循能量守恒定律。假設(shè)和分別為重型車的質(zhì)量和速度，和分別為輕型車的質(zhì)量和速度，為碰撞后的共同速度（圖2），則

圖2 車對(duì)車碰撞

可以反映車輛碰撞嚴(yán)重程度，兩車的速度變化為：

當(dāng)=（/）＞1 時(shí)，速度變化率和質(zhì)量變化率之間的關(guān)系為：

因此，輕型車的速度變化量要比重型車的速度變化量大。

MPDB 碰撞工況是車—車碰撞的一種特殊情況，即壁障車質(zhì)量恒定。設(shè)=-=，則碰撞后的共同速度為：

當(dāng)=時(shí)，=0；

當(dāng)≠，即=（/）＞1時(shí)

MPDB與車輛的速度變化分別為：

當(dāng)＞1 時(shí)，同樣可知輕型車的速度變化量比重型車的速度變化量大。

根據(jù)能量守恒定律，在車輛碰撞中，兩車所吸收的總能量為：

由于碰撞后的共同速度為：

代入計(jì)算得

可見，變形能與車輛的相對(duì)速度有關(guān)，如式（12）所示。

尤其對(duì)于MPDB碰撞，如式（13）所示。

由以上理論分析可知：在MPDB 碰撞工況中，速度的變化與質(zhì)量成反比；測(cè)試車輛的質(zhì)量越大，產(chǎn)生的碰撞能量越大。

3 兼容性影響因素分析研究

3.1 車輛質(zhì)量與OLC之間關(guān)系研究

用不同車型MPDB 試驗(yàn)結(jié)果（圖3）與試驗(yàn)車輛質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析（表2）。由表可知，質(zhì)量越大，對(duì)應(yīng)的OLC 值相對(duì)越大；從數(shù)據(jù)曲線的分析結(jié)果可以看出，OLC 與車輛質(zhì)量基本呈線性關(guān)系，即質(zhì)量越大，OLC越大，如圖4所示。

表2 不同車型質(zhì)量與OLC值對(duì)比

圖3 E-NCAP試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 車輛質(zhì)量與OLC之間的關(guān)系

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與擊穿之間關(guān)系研究

圖5 所示為不同車型在MPDB 試驗(yàn)中的表現(xiàn)，其中車型4、5、10 均出現(xiàn)擊穿問題，且出現(xiàn)的擊穿位置正好位于前防撞梁上，下文以車型10 為研究對(duì)象進(jìn)行分析。

圖5 不同車型SD情況

3.2.1 問題分析

由試驗(yàn)結(jié)果（圖6）可知，上部吸能盒壓潰變形程度較低，下部防撞梁出現(xiàn)斷裂失效且吸能盒未壓潰。由圖7 壁障變形情況可知，上、下部吸能盒對(duì)應(yīng)位置均出現(xiàn)擊穿；經(jīng)分析，造成擊穿的主要原因是上部前防撞梁總成中的吸能盒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，碰撞中未產(chǎn)生有效的變形吸能，導(dǎo)致直接擊穿壁障；下傳力橫梁防撞梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致其在碰撞中發(fā)生斷裂失效，同時(shí)該位置的吸能盒強(qiáng)度較高，碰撞中直接擊穿壁障。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

圖7 壁障變形情況

3.2.2 方案改進(jìn)

根據(jù)造成擊穿的原因進(jìn)行改進(jìn)：（1）將下部防撞梁的厚度由1.8 mm 提高到3 mm，如圖8 所示。（2）將下部吸能盒的厚度由2.0 mm 改為1.8 mm。（3）將位于縱梁前部吸能盒上部的加強(qiáng)筋取消，如圖9所示。

圖8 下防撞梁及吸能盒改進(jìn)

圖9 上部吸能盒改進(jìn)方案

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

由圖10～11 的改進(jìn)后變形情況可知，上部吸能盒出現(xiàn)了較好的壓潰變形，試驗(yàn)后未出現(xiàn)擊穿；下傳力橫梁改進(jìn)后未出現(xiàn)失效且吸能盒出現(xiàn)很好的壓潰變形，整體未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

圖10 改進(jìn)后變形情況

圖11 改進(jìn)后壁障情況

由表3 改進(jìn)前后兼容性罰分情況可知，由于整車質(zhì)量未發(fā)生變化，所以O(shè)LC 基本沒變，SD 從原來的140 mm 降至126 mm，兼容性由5.22 分降至2.98分。

表3 改進(jìn)前后兼容性罰分情況

由表4 改進(jìn)前后主駕Thor 假人得分情況可知，主駕假人傷害胸部得分由2.79 分增至3.6 分，小腿由3.2分增至3.64分，總分提高2.15分。

表4 改進(jìn)前后Thor假人得分

3.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由圖12 試驗(yàn)驗(yàn)證后的變形情況可知，上、下部位置的吸能盒壓潰效果較好；由圖13 試驗(yàn)后壁障變形情況可知，未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象；由兼容性罰分情況（表5）可知，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化后結(jié)果差別不大，試驗(yàn)驗(yàn)證OLC略有增加，SD 降至122 mm，并且未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這充分說明改進(jìn)方案的合理性。

圖12 試驗(yàn)驗(yàn)證后變形情況

圖13 試驗(yàn)驗(yàn)證壁障變形情況

表5 優(yōu)化前后及試驗(yàn)驗(yàn)證兼容性罰分情況

由表6 可知，試驗(yàn)后假人的得分也與改進(jìn)結(jié)果基本一致，這也充分證明了改進(jìn)方向的合理性。

表6 優(yōu)化前后及試驗(yàn)驗(yàn)證Thor假人得分

3.3 結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)建議

3.3.1 前防撞梁總成

設(shè)計(jì)中要盡可能地增大前防撞梁與壁障的接觸面積，提高防撞梁的有效高度及防撞梁的向長(zhǎng)度，以提高壁障的變形均勻性，避免出現(xiàn)局部受力過大。建議前防撞梁有效高度大于100 mm，防撞梁寬度占整車寬度70%以上，尺寸如圖14所示。

圖14 前防撞梁結(jié)構(gòu)

前防撞梁強(qiáng)度要與吸能盒、前縱梁強(qiáng)度相匹配。如果前縱梁強(qiáng)度較高，則要求前橫梁及吸能盒的強(qiáng)度也較高；如果前防撞梁強(qiáng)度較弱，易造成“強(qiáng)字型”折彎，吸能盒、縱梁不能參與變形吸能，易造成擊穿，如圖15 所示；如果前防撞梁強(qiáng)度太高，易造成壁障與橫梁接觸區(qū)域“凹陷”太大，增大壁障變形的不均勻性。

圖15 “強(qiáng)字型”折彎及變形擊穿

3.3.2 前縱梁設(shè)計(jì)建議

前縱梁設(shè)計(jì)合理的截面大小，同時(shí)在前端增設(shè)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，降低初始?jí)簼⒘?，或者將縱梁設(shè)計(jì)成拼焊結(jié)構(gòu)，前部選擇強(qiáng)度稍低一些的材料，使其更容易出現(xiàn)潰縮或折彎變形，如圖16所示。

由圖16～17 改進(jìn)前后縱梁和壁障變形情況可知，縱梁的變形情況對(duì)壁障是否擊穿有直接影響，即縱梁變形折彎設(shè)計(jì)可以降低兼容性中壁障出現(xiàn)擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。因此，一般要求在MPDB 碰撞工況中，前縱梁強(qiáng)度要低于偏置碰撞工況中要求的縱梁強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中前縱梁和懸置安裝點(diǎn)前部設(shè)計(jì)有壓潰或折彎變形，避免碰撞中縱梁不發(fā)生變形而直接插入壁障導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖16 縱梁改進(jìn)前后變形情況對(duì)比

圖17 改進(jìn)前后壁障變形情況

3.3.3 下傳力通道

下傳力通道，一般指的是將前副車架的前橫梁及副車架的左、右縱梁作為碰撞傳力通道（包含前副車架前部附加的防撞梁及吸能盒結(jié)構(gòu)）。設(shè)計(jì)時(shí)，副車架的左、右縱梁前部結(jié)構(gòu)不要出現(xiàn)銳邊，如有銳邊（圖18），則會(huì)在碰撞中存在下部擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。建議在副車架縱梁前部設(shè)計(jì)成平板結(jié)構(gòu)，如圖19所示，在副車架縱梁前部設(shè)計(jì)平板結(jié)構(gòu)，避免銳邊直接擊穿壁障。對(duì)于前副車架前部附加的防撞梁及吸能盒結(jié)構(gòu)，建議碰撞中防撞梁不能出現(xiàn)斷裂失效，吸能盒要能實(shí)現(xiàn)壓潰變形。

圖18 帶銳邊的副車架縱梁前部結(jié)構(gòu)

圖19 副車架縱梁前部結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

通過對(duì)MPDB 工況兼容性研究，得出以下結(jié)論：

（1）影響碰撞兼容性的主要因素有車輛的整備質(zhì)量、前防撞梁與壁障的接觸面積，前防撞梁及吸能盒的強(qiáng)度、前縱梁結(jié)構(gòu)、下傳力路徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

（2）OLC與車輛的質(zhì)量呈線性關(guān)系，即質(zhì)量越大，OLC值越大。

（3）前部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng)，越容易出現(xiàn)擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要匹配合適。

（4）給出了前防撞梁總成、縱梁及下傳力橫梁的設(shè)計(jì)建議，為其他車型的設(shè)計(jì)提供參考。