雨刮行人保護結(jié)構(gòu)及其設(shè)計要點分析

韋富貴

摘 要：雨刮位于汽車行人保護的頭型保護區(qū)域，在設(shè)計過程中需要考慮壓潰吸能結(jié)構(gòu)，為滿足汽車對行人的碰撞保護要求，本文介紹了汽車雨刮的壓潰結(jié)構(gòu)及其設(shè)計要點，并對其試驗方法進行簡要說明，為其他車型的優(yōu)化或設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：雨刮 行人保護 壓潰

1 引言

基于GTR09制定的行人保護法規(guī)《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式實施，而C-NCAP《管理規(guī)則中》中對行人的頭部（包括成人和兒童）和腿部（上、下腿型）保護性都提出更為嚴格的要求[1]。雨刮行人保護旨在降低行人頭部傷害，本文主要介紹雨刮的行人保護結(jié)構(gòu)，并對其設(shè)計控制要點進行介紹。

2 行人保護介紹

在C-NCAP管理規(guī)則中，行人保護的評價由頭部和下腿部2部分組成[2]，頭部保護見圖1。

在《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）中，對行人的頭部傷害進行了詳細分解說明，但每一款車的造型有差異，相關(guān)的頭型傷害指數(shù)各不相同，但都要求車身在碰撞后都能吸能潰變，降低行人收到的傷害。

雨刮電機連桿總成位于行人保護頭部碰撞區(qū)域之內(nèi)，因此在設(shè)計開發(fā)過程中就需要考慮吸能結(jié)構(gòu)。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，駕乘人員的視野要求越來越高，越來越多的車型通過風擋裝飾板的合理造型與雨刮總成的合理布置，將雨刮輸出軸布置在發(fā)動機蓋下方，這樣頭部碰撞時無法與雨刮軸直接接觸，在一定程度上降低頭部傷害值，降低了雨刮的設(shè)計難度。但該方式對雨刮的總布置要求較高，而且就算雨刮布置在發(fā)動機蓋下方，由于空間限制，發(fā)動機蓋在碰撞過程中的變形還是會接觸雨刮軸，同樣會對行人頭部造成傷害。所以可以根據(jù)要求設(shè)定合理的雨刮壓潰力，在碰撞過程中，雨刮受力達到極限值時整體壓潰下沉，增加碰撞吸能空間，從而降低行人頭部傷害[2]仍然是必要的。

3 雨刮行人保護結(jié)構(gòu)介紹

雨刮的行人保護結(jié)構(gòu)通過被壓潰實現(xiàn)，壓潰結(jié)構(gòu)主要分潰縮結(jié)構(gòu)和潰斷結(jié)構(gòu)。

3.1 潰縮結(jié)構(gòu)

潰縮結(jié)構(gòu)中（參見圖2），雨刮在無外力條件下，擋圈裝配到擺軸卡槽里面，確保擺軸不會下沉。行人頭部撞擊后，雨刮擋圈受力后開口尺寸增大后從擺軸卡槽中退出，止動失效，擺軸吸能后潰縮下沉，減小行人收到的傷害。

3.2 潰斷結(jié)構(gòu)

潰斷結(jié)構(gòu)中（參見圖3），支座設(shè)計時設(shè)計應(yīng)力集中點，行人頭部撞擊時，支座吸能后潰斷，整體下沉，減小行人收到的傷害。

4 雨刮行人保護結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

受整車造型及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，各主車廠對碰撞力的要求不一，不過絕大多數(shù)主車廠要求在1000N～2000N范圍內(nèi)，即擺軸受到1000N的正壓力，行人保護結(jié)構(gòu)不能壓潰（確保正常的功能要求），擺軸受到2000N的正壓力，行人保護結(jié)構(gòu)必須要壓潰（確保行人保護結(jié)構(gòu)有效）。在雨刮設(shè)計時，需要對行人保護結(jié)構(gòu)進行校核分析及設(shè)計驗證，以滿足主車廠要求。

4.1 潰縮結(jié)構(gòu)

根據(jù)潰縮結(jié)構(gòu)的受力分析（參見圖4），圖示水平方向有：

F彈力+μ*F正壓力*sinα=F正壓力*cosα ①

圖示豎直方向有：

F壓脫力=μ*F正壓力*sinα+F正壓力*μ*cosα ②

整理①、②得到：

F壓脫力=F彈力*（sinα+μ*cosα）/（cosα-μ*sinα） ③

通過③式可知，擋圈的彈力、擺軸環(huán)槽斜面角度α以及擺軸環(huán)槽斜面摩擦系數(shù)μ決定了其壓脫力，其中基本上雨刮生產(chǎn)商的擋圈結(jié)構(gòu)尺寸及材料均已固定（內(nèi)部標準件）。在應(yīng)對不同客戶要求是（壓潰力不同），需要不同的環(huán)槽斜面角度及環(huán)槽斜面摩擦系數(shù)，環(huán)槽斜面摩擦系數(shù)由其表面粗糙度決定。

擺軸潰縮的行人保護結(jié)構(gòu)中，要重點控制擺軸環(huán)槽的斜面角度及其表面粗糙度，該結(jié)構(gòu)對擺軸加工工藝性和一致性要求較高，但壓潰后可以恢復。

4.2 潰斷結(jié)構(gòu)

因為潰縮結(jié)構(gòu)對擺軸加工的共一箱和一致性要求較高，很多主車廠和供應(yīng)商均選擇了潰斷結(jié)構(gòu)，下面以圖3所示的常用結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析。

在模擬裝配固定零件后，支座的最大應(yīng)力點應(yīng)與設(shè)計相符，滿足設(shè)計要求，針對不同應(yīng)力的下的潰斷要求，對應(yīng)力集中點強度進行優(yōu)化。

關(guān)于潰斷結(jié)構(gòu)的行人保護中，主要通過潰斷位置的零件料厚及折彎倒角來控制，參見圖6～圖8。

結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2中料厚主要控制零件強度，應(yīng)力集中點折彎半徑對壓潰力的貢獻量會比較突出，結(jié)構(gòu)3中料厚影響較大，該結(jié)構(gòu)不利于控制零件強度，市場運用中較少。

另外，潰斷結(jié)構(gòu)中，還需要確認潰斷后零件下沉空間是否滿足（參見圖9），如下沉空間不能滿足，則潰斷失效。

5 雨刮行人保護試驗

雨刮設(shè)計生產(chǎn)后，需要通過實車碰撞模擬試驗或模擬安裝后壓潰試驗來進行驗證，保證行人保護結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

（1）實車碰撞模擬試驗中，試驗頭型以規(guī)定的角度、沖擊速度對試驗區(qū)域進行碰撞，要求試驗區(qū)域的HIC（頭部傷害指數(shù)）滿足相關(guān)要求，首先檢測雨刮軸是否會被接觸，若接觸且受力要求觸發(fā)行人保護條件，則需檢查雨刮是否被壓潰。若雨刮擺軸受到的沖擊不足以觸發(fā)，應(yīng)盡量保證雨刮強度，保證在雨刮在正常的物流轉(zhuǎn)運，裝配及正常的使用壽命及強度要求。

（2）模擬安裝后壓潰試驗需要整車模擬計算分析，給出對應(yīng)的壓潰力要求，通常會給出壓潰力的上下限，下限及保證雨刮自身的強度，上限即為壓潰結(jié)構(gòu)的承載極限。該試驗中需要根據(jù)車身安裝點制作雨刮安裝臺架，模擬實車安裝將雨刮固定在臺架上，按照規(guī)定的加力速度對雨刮擺軸進行壓潰試驗，檢查壓潰力是否滿足要求。

6 結(jié)語

雨刮的行人保護結(jié)構(gòu)主要有擺軸潰縮及支座潰斷兩種，不同的結(jié)構(gòu)其壓潰原理不同，在生產(chǎn)制造過程中，支座潰斷結(jié)構(gòu)在汽車生產(chǎn)中使用較多，但由于擺軸潰縮結(jié)構(gòu)的可恢復性（維修成本低），仍有少量汽車生產(chǎn)制造廠采用該結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合生產(chǎn)制造經(jīng)驗對擺軸潰縮及支座潰斷兩種主流的雨刮行人保護結(jié)構(gòu)進行介紹，對行人保護的試驗方法進行描述。可通過優(yōu)化設(shè)計來提高行人頭部碰撞的得分，從而達到滿足行人保護法規(guī)要求，為整車安全提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]譚冰花，趙正，李博.C-NCAP （2018） 行人保護對汽車設(shè)計開發(fā)的影響（J）計算機輔助工程.2017（05）.

[2]《C-NCAP管理規(guī)則》（2021版）.

[3]肖育林.雨刮行人保護設(shè)計在汽車研發(fā)中的應(yīng)用（J）上海汽車.2015（05）.