小偏置碰撞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王月，吳靖，曹國洋，王瑞卓，唐莉

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

隨著安全法規(guī)的發(fā)展及人們對(duì)安全性能的關(guān)注度的提高，國內(nèi)碰撞法規(guī)逐步完善，當(dāng)前碰撞開發(fā)中涉及25%偏置碰撞工況的主要有美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(Insurance Institute for Highway Safety，IIHS)測試標(biāo)準(zhǔn)和中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(China insurance automotive safety index，C-IASI)，而且評(píng)價(jià)的內(nèi)容正逐年完善。

副車架是車輛底盤的主要部件，作為車輛主要承載和傳力路徑在被動(dòng)安全性能開發(fā)中起著關(guān)鍵作用，副車架的強(qiáng)度、疲勞壽命等對(duì)車輛的安全性至關(guān)重要[1]。

小偏置碰撞工況對(duì)于車身結(jié)構(gòu)的考核點(diǎn)主要為侵入量，并且根據(jù)對(duì)乘員艙結(jié)構(gòu)完整性的定性觀察結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行修正。對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的定性觀察包括假人腳部被卡情況并且是否需要使用工具才能將假人腳部取出以及鉸鏈柱是否完全撕裂等情況，以及車輛結(jié)構(gòu)等級(jí)在侵入量測量值評(píng)定等級(jí)上是否需要降級(jí)[2]。本文通過對(duì)小偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，并重點(diǎn)對(duì)輪胎滑移策略進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究結(jié)果為其他車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 侵入量測量位置介紹

侵入量測量位置如圖1所示。所有測量點(diǎn)被劃分為兩個(gè)區(qū)域：乘員艙下部和乘員艙上部。乘員艙下部包括A 柱下鉸鏈、左側(cè)擱腳板、左側(cè)足板、制動(dòng)踏板、駐車制動(dòng)踏板和門檻；乘員艙上部包括轉(zhuǎn)向管柱、A 柱上鉸鏈、上儀表板和左下方儀表板[2]。

2 小偏置碰撞分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合IIHS和C-IASI試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在小偏置結(jié)構(gòu)為優(yōu)秀的結(jié)果中，主要有兩種設(shè)計(jì)策略：①輪胎的滑移策略，如圖2所示；②通過A柱的結(jié)構(gòu)抵抗變形侵入的策略[3-8]，如圖3所示。

圖2 輪胎滑移策略試驗(yàn)結(jié)果示意

圖3 A柱硬抗策略試驗(yàn)結(jié)果示意

由圖2可以看出，試驗(yàn)后輪胎及輪輞與車輛分離，在碰撞過程中，由于壁障對(duì)輪胎及輪輞的擠壓，同時(shí)結(jié)合車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，擺臂及轉(zhuǎn)向節(jié)等結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致輪胎及輪輞在碰撞過程中與車體分離，導(dǎo)致壁障與車輛之間出現(xiàn)相對(duì)的滑移，從而降低了對(duì)乘員艙A柱及門檻的作用，因此試驗(yàn)后乘員艙結(jié)構(gòu)保持完好。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，輪胎及輪輞未發(fā)生斷裂失效與車身發(fā)生分離，在碰撞過程中，壁障擠壓輪胎及輪輞直接撞擊到乘員艙A柱及門檻，A柱及門檻受到了較大的沖擊作用。

上述兩種結(jié)果狀態(tài)對(duì)比可見，擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等與輪輞連接結(jié)構(gòu)的失效設(shè)計(jì)對(duì)乘員艙結(jié)構(gòu)完整性的保持有著非常重要的作用。

擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等結(jié)構(gòu)的失效設(shè)計(jì)及車身結(jié)構(gòu)的滑移誘導(dǎo)可明顯降低碰撞中對(duì)乘員艙A柱及門檻等的沖擊作用，與完全靠乘員艙的支撐作用來保證結(jié)構(gòu)的完整性相比，可更好地實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的效果[9～12]。因此，對(duì)于小偏置碰撞研究副車架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的失效設(shè)計(jì)非常重要。

2.2 零部件試驗(yàn)

通過對(duì)滑移策略的研究，要實(shí)現(xiàn)在小偏置碰撞中輪胎的滑出，降低對(duì)A柱的沖擊，與輪胎相連的副車架擺臂、懸架的雙叉臂等結(jié)構(gòu)失效力設(shè)計(jì)尤為重要。

2.2.1 上控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：樣件為設(shè)計(jì)狀態(tài)，連接方式與整車一致。

試驗(yàn)方法：將上控制臂結(jié)構(gòu)根據(jù)所在車輛上的安裝方式進(jìn)行固定，結(jié)合碰撞中所受到力的作用方向和位置對(duì)其進(jìn)行加載，試驗(yàn)前后狀態(tài)如圖4所示，在上控制臂中部設(shè)計(jì)有凹槽位置發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖5所示，上控制臂的斷裂力在45 kN左右。

圖4 上控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后狀態(tài)

表1 上控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果 單位:kN

圖5 上控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)曲線

2.2.2 下控制臂連接點(diǎn)拉脫試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：樣件為設(shè)計(jì)狀態(tài)，連接方式與整車一致。

試驗(yàn)方法：將下控制臂結(jié)構(gòu)根據(jù)其在車輛上的安裝方式進(jìn)行固定，結(jié)合碰撞中所受到的力的作用方向和位置對(duì)其進(jìn)行加載，試驗(yàn)前后狀態(tài)如圖6所示，在上控制臂中部設(shè)計(jì)有凹槽位置發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果如圖7和表2所示，下控制臂連接點(diǎn)的斷裂力在25 kN左右，其中試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。

圖6 下控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后狀態(tài)

圖7 下控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)曲線

表2 下控制臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果 單位:kN

2.3 車身滑移誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在考慮小偏置車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基于位移導(dǎo)向策略進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下：

(1)增加前防撞梁的覆蓋寬度，本設(shè)計(jì)中防撞梁寬度占整車寬度約70%，在小偏置碰撞中，壁障與前防撞梁存在重疊，可以對(duì)小偏置碰撞壁障具有支撐吸能傳力作用；同時(shí)在防撞梁外側(cè)設(shè)計(jì)有鑄鋁的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)(圖8)，當(dāng)前防撞梁發(fā)生變形時(shí)，該結(jié)構(gòu)對(duì)壁障具有側(cè)向支撐作用，因此可以使壁障向車外方向滑移。

圖8 前防撞梁及其導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(2)在縱梁的前端與翼子板邊梁相連位置設(shè)計(jì)有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如圖9中的②及③翼子板邊梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)壁障作用到縱梁前部時(shí)，該結(jié)構(gòu)對(duì)壁障具有支撐作用，同時(shí)誘導(dǎo)壁障進(jìn)一步的向車外方向移動(dòng)。

圖9 翼子板邊梁及其導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

(3)在縱梁內(nèi)側(cè)，動(dòng)力總成的前部對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)有支架結(jié)構(gòu)④，用來減小縱梁與動(dòng)力總成之間的間隙；當(dāng)壁障作用到該區(qū)域時(shí)，該結(jié)構(gòu)與動(dòng)力總成提早接觸，進(jìn)一步使得動(dòng)力總成產(chǎn)生側(cè)向推力，同時(shí)懸置設(shè)計(jì)在縱梁內(nèi)如圖10中的⑤所示，側(cè)向力的傳遞更加直接。

圖10 縱梁及懸置結(jié)構(gòu)

以上車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得在碰撞中壁障產(chǎn)生向車外的滑移，同時(shí)結(jié)合副車架擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、叉臂等失效設(shè)計(jì)，保證整車試驗(yàn)中乘員艙結(jié)構(gòu)的完整性。

3 整車仿真分析

3.1 前副車架區(qū)域變形分析

基于對(duì)零部件的分析研究進(jìn)行整車的碰撞仿真分析，試驗(yàn)后變形情況及輪輞失效位置分別如圖11和圖12所示。由圖可以看出，碰撞后輪胎及輪輞與車輛分離，分離位置主要在轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿、下控制臂、雙叉臂、半軸等底盤關(guān)鍵件位置發(fā)生失效。

圖11 試驗(yàn)后變形情況

圖12 輪輞失效位置

3.2 車身關(guān)鍵區(qū)域變形分析

機(jī)艙部分車身變形情況如圖13所示。

圖13 機(jī)艙部分車身變形情況

由圖13可以發(fā)現(xiàn)，前防撞梁在碰撞區(qū)域位置向后傾斜壓潰，防撞梁上的支撐塊接觸到車身縱梁，對(duì)壁障產(chǎn)生側(cè)向推力，接下來，壁障與翼子板邊梁接觸，再次產(chǎn)生側(cè)向推力，因此壁障向車輛外側(cè)滑移。

不同時(shí)刻車輛底部和上部的變形情況如圖14所示。

圖14 不同時(shí)刻車輛底部和上部的變形情況

由圖14a可知，在10 ms時(shí)壁障與前防撞梁發(fā)生接觸，并開始對(duì)壁障起到支撐作用；由圖14b可知，在20 ms時(shí)前防撞梁的支撐作用達(dá)到極限，開始發(fā)生折彎，同時(shí)與防撞梁相連的吸能盒由于壁障的作用出現(xiàn)壓潰變形，此時(shí)Y方向的側(cè)向力開始逐漸增加；由圖14c可知，在30 ms壁障后移到縱梁前部區(qū)域，縱梁由于側(cè)向力作用開始擠壓動(dòng)力總成；由圖14d可知，在35 ms時(shí)翼子板邊梁開始起作用，側(cè)向力使得壁障向外進(jìn)行滑移；由圖14e可知，在60 ms時(shí)翼子板邊梁變形吸能，壁障與輪胎開始進(jìn)行作用；由圖14f可知，在70 ms時(shí)壁障擠壓翼子板邊梁后端，減震塔通過前圍橫梁側(cè)向傳力，并擠壓輪輞和懸架；由圖14g可知，在80 ms時(shí)壁障擠壓到輪輞和懸架，同時(shí)輪輞和懸架擠壓車身A柱和縱梁根部，輪輞擠壓翼子板邊梁根部，側(cè)向力此時(shí)達(dá)到最大，輪輞基本脫離，壁障接觸到A柱和門檻。此時(shí)由于輪胎的脫出，壁障與整車接觸力大幅減少。

由圖15可以看出，A柱下部及車門主要受到輪胎滑出的擠壓作用及碰撞后期壁障的部分作用，因此總體變形不大。

圖15 A柱區(qū)域變形情況示意

3.3 車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果

仿真分析的車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖16所示。

圖16 仿真分析的車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖16可知，乘員艙下部區(qū)域均滿足優(yōu)秀的結(jié)果，乘員艙上部區(qū)域有一個(gè)點(diǎn)即左儀表板上的點(diǎn)為良好，上部整體結(jié)果為優(yōu)秀，最終車身結(jié)構(gòu)整體評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。

4 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

通過整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖17所示，試驗(yàn)后輪輞與車輛分離，A柱總體變形不大，乘員艙完整性好。

圖17 整車碰撞變形情況

由圖18可以發(fā)現(xiàn)，輪輞與副車架連接區(qū)域，如上控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂與叉臂連接位置均發(fā)生失效，與零部件試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖18 輪輞對(duì)應(yīng)連接處失效情況

由圖19可以發(fā)現(xiàn)，分析當(dāng)壁障與前防撞梁接觸時(shí)，防撞梁起到了很好的支撐及導(dǎo)向作用，試驗(yàn)后防撞梁在吸能盒外側(cè)與壁障重疊位置產(chǎn)生折彎，防撞梁位置的導(dǎo)向結(jié)果與縱梁側(cè)面接觸，對(duì)壁障產(chǎn)生側(cè)向推力，縱梁與翼子板邊梁連接位置產(chǎn)生變形。

圖19 機(jī)艙位置車身變形情況

試驗(yàn)驗(yàn)證的車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖20所示。由圖可以看出，乘員艙上下部結(jié)果均為優(yōu)秀，整車結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。

圖20 試驗(yàn)驗(yàn)證的車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)束語

通過車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及副車架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)失效設(shè)計(jì)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，表明碰撞中失效設(shè)計(jì)控制是可行的；通過失效設(shè)計(jì)可降低對(duì)乘員艙的沖擊作用，對(duì)保證乘員艙的完整性具有重要作用。該設(shè)計(jì)方法為小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。