一種波浪型行人保護橫梁設計

王 倩

一種波浪型行人保護橫梁設計

王 倩

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

行人保護安全作為汽車安全性能的一項重要評價指標，越來越受到汽車行業(yè)及廣大消費者的重視。而行人保護橫梁作為對行人腿部安全起決定性作用的零件，設計顯得尤為重要。根據(jù)C-NCAP 2021五星碰撞要求，行人保護的評分標準變得更加嚴苛，所以設計一種滿足要求的行人保護橫梁勢在必行。報告了目前行人保護橫梁的現(xiàn)狀，對常用的行人保護橫梁的設計進行了研究，提出了當前設計的不足之處。同時結(jié)合一款新開發(fā)車型，提出了一種滿足五星碰撞要求的新型設計方案，利用波浪型結(jié)構(gòu)增大了行人腿部變形空間，提高了腿部得分，并且通過CAE模擬仿真和試驗驗證，驗證了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

行人保護安全；行人保護橫梁；C-NCAP 2021；波浪型結(jié)構(gòu)；汽車安全

自美國在1979年最早采用新車評價規(guī)程（New Car Assessment Programme, NCAP）體系以來，汽車安全性能逐漸被廣大的汽車消費者所了解。汽車技術(shù)日趨進步，其安全性能要求越來越高，逐漸由狹義安全向廣義安全進化。狹義安全指的是汽車具有足夠的強度以保護車內(nèi)乘員的安全；廣義安全指的是汽車在保護車內(nèi)乘員的安全的同時，也可以兼顧車外行人的安全，從而降低整個交通事故中人員的傷亡率[1]。為了實現(xiàn)汽車廣義安全，汽車需要在具備高強度車身結(jié)構(gòu)以保護乘員安全的前提下，在車頭保險杠區(qū)域需具有可以吸能的緩沖區(qū)來保護車外行人的安全，這是對汽車車前部保險杠結(jié)構(gòu)安全開發(fā)的極大挑戰(zhàn)。

圖1為人-車碰撞示意圖。當汽車碰撞行人時，行人的頭部和腿部往往是受傷嚴重并可能導致死亡的部位。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，受傷的行人中，31.2%為頭部受傷，32.4%腿部受傷[2]。受傷的原因是行人的頭/腿撞擊到汽車的保險杠、發(fā)動機蓋、玻璃等部件上。

圖1 人-車碰撞示意圖

行人保護是汽車廣義安全的一個重要評價指標，中國新車評價規(guī)程C-NCAP2021將汽車的行人保護性能納入評價體系。行人保護分為頭部保護和腿部保護，腿部保護安全要求人-車碰撞時，盡可能地降低行人腿部受傷的風險[3]。圖2為行人保護試驗腿型碰撞示意圖，可以看到在人的腿部受到汽車碰撞時，脛側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament, MCL）、前十字韌帶（Anterior Cruciate Ligament, ACL）、后十字韌帶（Posterior Cruciate Ligament, PCL）；下腿脛骨彎矩（Tibia）都會受到很大的沖擊。

本文結(jié)合現(xiàn)有的行人保護橫梁技術(shù)現(xiàn)狀，以及結(jié)合C-NCAP2021最新要求，在某款新車型開發(fā)中，設計了一種既滿足五星碰撞要求，又具有緩沖功能的行人保護橫梁。

圖2 行人保護試驗腿型碰撞示意圖

1 行人保護橫梁技術(shù)現(xiàn)狀

圖3為汽車車頭示意圖。汽車車頭結(jié)構(gòu)的防撞前橫梁布置高度往往與行人膝部相當，撞擊過程中引起行人膝部彎折角度過大，是造成行人腿部膝部韌帶拉傷的主要原因。行人保護橫梁布置高度與行人小腿下端相當，撞擊過程中可以將行人小腿彈起，從而降低行人膝部彎折角度，進而降低行人膝部韌帶拉傷的風險。但結(jié)構(gòu)強度過高的行人保護橫梁會對行人小腿造成沖擊，增加行人小腿骨折的風險[4]。所以行人保護橫梁不僅需要擁有足夠的支撐性能，同樣需要具備足夠的緩沖吸能性能，才能最大程度地降低行人腿部受傷風險，提高汽車的被動安全性。

圖3 汽車車頭示意圖

目前國內(nèi)主要的主機廠為了滿足C-NCAP 2021五星碰撞要求，普遍是通過在前保險杠橫梁下端增加行人保護橫梁實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)也深受廣大消費者的青睞。圖4為某量產(chǎn)車型的前保險杠橫梁總成示意圖。

主橫梁、端板、吸能盒、“天鵝頸”支架、行人保護橫梁組成了前保險杠橫梁總成。行人保護橫梁兩端通過鉚釘或者插片與“天鵝頸”支架下端連接，“天鵝頸”支架上端通過焊接與主橫梁連接，端板與車身縱梁連接完成前橫梁總成的固定。

圖4 前保險杠橫梁總成示意圖

在腿部打擊器沖擊時，前橫梁會受到較大的彎矩作用，吸能盒以及“天鵝頸”支架需具有足夠強的剛度，行人保護橫梁需要給腿部打擊器提供足夠的反彈力，進而降低腿部打擊器膝部的彎折程度，用于滿足膝部韌帶伸長量（MCL, PCL/ ACL）限值要求。并且“天鵝頸”上端與主橫梁通過焊縫連接，較高的強度會導致行人保護橫梁缺乏緩沖性能，造成腿部打擊器小腿部分承受較大彎矩，很難滿足脛骨彎矩（Tibia）限值要求。隨著C-NCAP要求逐漸提高，如何調(diào)和行人保護橫梁結(jié)構(gòu)的支撐與緩沖性能的矛盾變得越來越重要[5]。

2 一種波浪型行人保護橫梁設計

通過對傳統(tǒng)的行人保護的分析，需要保證行人保護橫梁既具有一定的支撐性能，又具有緩沖性能。下文展開對于滿足這兩項性能的行人保護橫梁的設計說明。

圖5為傳統(tǒng)行人保護橫梁局部放大圖。可以看到，采用現(xiàn)有技術(shù)的行人保護橫梁結(jié)構(gòu)中，行人保護橫梁通過垂直的面與“天鵝頸”支架固定。在行人保護腿部打擊過程中，行人保護橫梁的支撐性能與緩沖性能相互沖突，支撐性能優(yōu)則緩沖性能差，導致小腿彎矩指標變差；緩沖性能優(yōu)則支撐性能差，導致小腿回彈不足，膝部彎折過大，進而導致膝部韌帶伸長量指標變差。因此，很難滿足小腿彎矩指標和膝部韌帶伸長量指標都達標的總體要求。

圖5 傳統(tǒng)行人保護橫梁局部放大圖

本文設計的波浪型行人保護橫梁結(jié)構(gòu)如圖6所示。第一變型面通過第二變型面與行人保護橫梁本體的上端部相連接，第四變型面通過第三變型面與行人保護橫梁本體的下端部相連接。當腿部打擊器撞擊時，行人保護橫梁本體向車身內(nèi)側(cè)變形后，第二變型面和第三變型面隨之發(fā)生折彎變形，相比于原狀態(tài)單一垂直面的設計方式，通過設計第二變型面和第三變型面增大了緩沖空間，解決了緩沖性能不足的問題。第一變型面、第二變型面、行人保護橫梁本體、第三變型面以及第四變型面相互之間組成波浪變形緩沖結(jié)構(gòu)，行人保護橫梁本體包括上翻邊和下翻邊，上翻邊與下翻邊之間通過中間連接板相連接。其中，中間連接板的縱向橫截面為外凸半圓弧形結(jié)構(gòu)，這樣當行人在腿部受到?jīng)_擊時，由于中間連接板的外凸半圓弧形結(jié)構(gòu)，可以進一步起到緩沖的作用。

圖6 新型行人保護橫梁局部放大圖

第一變型面的末端與“天鵝頸”支架的上部通過螺栓或插片固定連接。第四變型面的末端與“天鵝頸”支架的下部通過設置安裝孔的方式相連接。其中，第一至第四變型面的沖壓角度以及料厚均可以根據(jù)需要調(diào)整，這樣可以改善支撐強度以及緩沖空間。另外通過調(diào)整行人保護橫梁本體的沖壓角度，料厚以及開口大小也可以改善支撐強度和緩沖空間。第一至第四變型面為一體式成型結(jié)構(gòu)，這樣可以保證行人保護橫梁的剛度。通過模擬行人保護腿部撞擊，可以看到該結(jié)構(gòu)在碰撞過程中很好地實現(xiàn)的緩沖吸能的作用。圖7為行人保護橫梁碰撞前后變形情況，該結(jié)構(gòu)在碰撞過程中發(fā)生了完全的折彎變形，很好地起到了緩沖作用，而因為有“天鵝頸”支架的支撐，又可以起到一定的限位作用，使得行人保護橫梁不會發(fā)生過大的侵入變形。

圖7 行人保護橫梁碰撞變形情況

該結(jié)構(gòu)的行人保護模擬計算結(jié)果如圖8所示，可以看到該結(jié)構(gòu)很好地滿足了行人保護性能要求。

(a) 不同Y向坐標的脛骨彎矩值 (b) 不同Y向坐標的韌帶伸長量

該行人保護橫梁系統(tǒng)能夠在保證行人保護橫梁具有足夠支撐性能的前提下，具有優(yōu)秀的緩沖功能，在腿部打擊器撞擊行人保護橫梁時，為行人保護橫梁提供足夠緩沖區(qū)域，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加20%～30%的緩沖空間，降低小腿受到的彎矩，同時限位功能防止變形過度，回彈過程可以提高行人保護橫梁1.5～2倍回彈力，幫助腿部打擊器回彈，進而降低腿部打擊器膝部韌帶伸長量，提升行人保護性能20%以上；同時該行人保護橫梁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升50%以上，加強整車高速碰撞安全性能、車頭保險杠垂向剛度均有非常明顯的作用。

為了更好地驗證新的設計方案的支撐強度，進行了原設計狀態(tài)的橫梁與新設計狀態(tài)橫梁的向剛度對比。通過分別在中間施加500 N載荷以及行人保護橫梁與“天鵝頸”支架連接處施加500 N載荷，可以看到向變形如圖9所示。

可以看到，在中間加載500 N時，傳統(tǒng)的行人保護橫梁向變形11.1 mm，波浪型行人保護橫梁向變形11.0 mm；在連接點加載500 N時，傳統(tǒng)的行人保護橫梁向變形1.8 mm，波浪型行人保護橫梁向變形1.3 mm。該設計方案對行人保護橫梁的支撐性能也有改善。

3 結(jié)論

新開發(fā)的波浪型行人保護橫梁，通過計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模擬計算和試驗驗證，充分驗證了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠滿足最新C-NCAP 2021五星要求，使在汽車與行人發(fā)生撞擊時，盡可能地降低行人腿部受傷的風險，為國內(nèi)后續(xù)新車型開發(fā)提供了借鑒和參考。

[1] 劉衛(wèi)國,呂曉江,孫立志,等.國外行人柔性腿型沖擊器的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].汽車工程學報,2014,4(6):455- 460.

[2] 常曉宇,范英華,喬鑫,等.某車型行人保護頭部對標分析[J].汽車工程師,2016(11):52-55.

[3] 張新宇,劉彥君,呂鑫.基于NCAP的不同國家行人保護評價體系相關(guān)性研究[J].北京汽車,2017(2):22-27.

[4] 許偉,李凡,劉琦.車輛行人碰撞事故中小腿骨折傷害的研究[J].汽車工程,2011,33(4):321-324.

[5] 曲杰,徐梁,馬強.滿足行人腿部保護要求的保險杠部件改進[J].汽車零部件,2018(6):1-5.

Design of a Wave Type Pedestrian Protection Beam

WANG Qian

( SAIC Volkswagen, Shanghai 201805, China )

As an important evaluation index of vehicle safety performance, pedestrian protection safety has been paid more and more attention by the automotive industry and consumers. As a decisive part of leg safety in pedestrian protection, the design of pedestrian protection beam is particularly important. According to the five-star requirements of C-NCAP 2021, the scoring standard of pedestrian protection has become more stringent, so it is imperative to design a pedestrian protection beam that meets the requirements. This paper reports the current situation of pedestrian protection beams, studies the design of common pedestrian protection beams, and puts forward the shortcomings of the current design. At the same time, combined with a newly developed vehicle, a new design scheme meeting the requirements of five-star collision is proposed. The wave structure is used to increase the deformation space of pedestrian legs and improve the leg protection score. The stability of the structure is verified by computer aided engineering(CAE)simulation and experi- mental verification.

Pedestrian protection safety; Pedestrian protection beam; C-NCAP 2021; Wave type structure;Vehicle safety

U463

B

1671-7988(2022)24-65-04

U463

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1671-7988(2022)24-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.011

王倩（1990—），女，碩士，工程師，研究方向為汽車外飾件，E-mail:wangqian3@csvw.com。