后地板安全帶固定點結構優(yōu)化設計

聞培培 李宏華 趙福全

（吉利汽車研究院）

1 前言

汽車座椅安全帶是汽車普遍采用的安全裝備，是一種有效的乘員保護裝置。為使安全帶在汽車上能充分發(fā)揮作用，除本身的結構和強度外，它在車身上的安裝強度 （車身安全帶固定點強度）也至關重要。本文針對某型汽車后地板安全帶存在的問題，對其固定點結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的結構滿足了相關法規(guī)的要求。

2 后地板安全帶固定點結構形式

后地板安全帶固定點結構由安全帶固定加強板、安全帶固定螺母板及后地板本體組成。根據(jù)焊接關系分為3種結構形式，即安全帶固定螺母板直接與后地板本體焊接；安全帶固定加強板與安全帶固定螺母板形成總成后與后地板本體焊接；安全帶固定螺母板與橫梁焊接后再與安全帶固定加強板和后地板本體3層焊接。

2.1 安全帶固定螺母板直接與后地板本體焊接

如圖1所示，該結構是將安全帶固定螺母板直接與后地板本體焊接，省略了安全帶固定加強板。雖然結構簡單，但承受安全帶傳遞力的能力差。

2.2 安全帶固定加強板與安全帶固定螺母板形成總成后與后地板本體焊接

如圖2所示，該結構是在1個尺寸較大的安全帶固定加強板上焊接2個小的安全帶固定螺母板，然后再與后地板本體焊接，這樣可增大安全帶的受力區(qū)域，提高整體強度。安全帶固定螺母采用了蓋型焊接螺母，以防止外界惡劣環(huán)境與安全帶固定螺栓及螺母直接接觸，起到防腐蝕及延長標準件使用壽命的目的。

2.3 安全帶固定螺母板與橫梁焊接后與安全帶固定加強板和后地板本體3層焊接

如圖3所示，首先安全帶左、右固定螺母板與后地板后橫梁焊接且形成封閉空腔 （截面A-A、B-B、C-C），增加了安全帶固定點的強度；其次在此基礎上再與安全帶固定加強板和后地板本體3層焊接，形成3層板受力，此結構的強度優(yōu)于前2個結構的強度。

3 后地板安全帶固定點法規(guī)

法規(guī)ECE R14對后排安全帶固定點規(guī)定內(nèi)容較多，現(xiàn)僅對后地板安全帶固定點相關法規(guī)進行介紹。

3.1 有效固定點位置的規(guī)定

安全帶下有效固定點位置如圖4所示。對于M1類車輛，所有后排座椅角度a1和a2應在30°～80°范圍內(nèi)[1]，如果后排座椅是可調(diào)的，則在所有正常移動位置上述要求均有效。

3.2 強度試驗方法

一般情況下，同排座椅的安全帶固定點應同時進行試驗。若安全帶固定點布置在座椅上，則應同時考慮座椅固定點強度試驗。

3.2.1 三點式安全帶固定點強度

對于三點式安全帶，試驗時對腰帶及肩帶部分分別用不動的加載塊同時加載，施加負荷方向應沿平行于汽車縱向中心面并與水平線成10°±5°角，如圖5所示。腰帶及肩帶部分的載荷均為13.500±0.2 kN，盡可能快地加載到法規(guī)負荷值，并至少持續(xù)0.2 s[1]。

3.2.2 二點式安全帶固定點強度

對于二點式安全帶，試驗時對腰帶部分用不動的加載塊加載，施加負荷方向應沿平行于汽車縱向中心面并與水平線成10°±5°角，如圖6所示。腰帶部分的載荷為22.250±0.2 kN，盡可能快地加載到法規(guī)負荷值，并至少持續(xù)0.2 s[1]。

3.2.3 車輛固定要求

進行固定點強度試驗時，所有固定車輛的裝置應設在距被測固定點前方不少于500mm、后方不少于300mm處[1]，且加載過程中車身或車體不得發(fā)生移動。

4 某車型后地板安全帶固定點結構設計優(yōu)化

4.1 問題描述

圖7為某車后地板安全帶固定點靜拉試驗前、后對比結果。如圖7b所示，該車的后排安全帶固定點在靜拉試驗過程中，當右邊座椅肩帶的拉力達到10 kN時，后地板中段與后地板后段之間的整排焊點及后地板后橫梁與后地板左/右縱梁的焊點被完全拉開。

4.2 原因分析

4.2.1 設計要求與試驗車焊點對比分析

a.設計要求顯示后地板中段與后地板后段是直接2層焊接，材料均為0.7/DC03。

b.如圖8所示，設計要求顯示中間焊點有10個，而試驗車僅有8個焊點，且其中2個焊點在圓角上；另外，設計顯示左、右兩邊各有4個焊點，比試驗車多2個焊點。此為生產(chǎn)工藝編排與設計不符及工人操作誤差引起的。

c.將試驗車數(shù)據(jù)通過CAE有限元進行分析，結果如圖9所示，即圓圈處應力最大，且此處的每個焊點所受拉伸力均大于3.5 kN。

d.生產(chǎn)中焊點強度試驗結果如表1所列，其中0.7/DC03工藝試片焊接后，熔核直徑為4 mm，通過5次抗剪強度試驗，得出平均抗剪切力為3.51 kN。因拉伸力無法測量，故按抗剪切力的70%估算，即拉伸力為2.45 kN。

表1 焊點強度試驗結果

基于上述分析可知，焊點實際承受的拉伸力（3.5 kN）超過了許用拉伸力（2.45 kN），引起圖 9中圓圈所示位置的8個焊點開裂，進而導致整排焊點開裂。

4.2.2 試驗車數(shù)據(jù)與對標車數(shù)據(jù)對比分析

a.如圖10b所示，對標車1、3位置的后地板后橫梁與后地板后段及后地板中段連接，形成3層焊接，對該處有加強作用；而圖10a所示，試驗車后地板后橫梁僅與后地板中段焊接，未與后地板后段連接，結構強度較弱，

b.對標車位置2的兩安全帶固定點距離約為90 mm，且距1、3處較遠，所以位置2所受拉伸力傳遞到1、3處時已很小，此距離起到了緩沖作用；試驗車兩安全帶固定點距離約為310 mm，且距1、3處較近，難以緩沖，使1、3處強度受到影響。

4.3 結構優(yōu)化

4.3.1 前期措施

a.增加焊點，與設計要求保持一致。增加焊點后的后地板塑性應變對比云圖如圖11所示，由圖11可看出，與滿足設計要求的后地板塑性應變云圖比較可知，增加焊點后的試驗車僅在焊點2處的應變稍緩解，但兩者的應變變化趨勢基本一致，即應變?nèi)约性?1、2、3、4 處， 而 2、3 處是后地板前、后段焊點開裂的起始點，且應變集中處個別焊點所受拉伸力仍大于3.5 kN，所以僅增加焊點無法解決此問題。

b.增加加強板，提高強度。在后地板總成中新增2個加強板，即后地板左、右加強板，如圖12a圓圈所示；合理布置焊點，在點焊無法實現(xiàn)的地方增加二氧化碳保護焊。

通過采用增加焊點和增加兩加強板的措施后，最先開焊的8個焊點所受拉伸力顯著降低，均小于2 kN，見圖12b，并通過臺灣的安全帶靜拉試驗。但經(jīng)后期分析發(fā)現(xiàn),新增加的兩加強板與現(xiàn)生產(chǎn)夾具產(chǎn)生多處干涉,要滿足批量生產(chǎn)需要對生產(chǎn)線進行大量改動。

4.3.2 后期措施

針對前期措施的不足，采取將加強板由后地板下部移到上部的方法，見圖13。更改后現(xiàn)有夾具只需移動一個夾緊面即可。由于受后地板上部結構限制，修改方案的結構焊點比原方案少6個，但可增加2條二氧化碳保護焊彌補，焊點位置如圖14所示。

更改加強板位置后，根據(jù)CAE分析，后期措施顯著降低了最先開焊的8個焊點的受力，8個焊點所受拉伸力均小于2 kN。對比前期措施，雖然后期措施在焊點4處受力明顯增大（因為CAE有限元分析時模型未增加二氧化碳保護焊），但與焊點強度極限（3 kN）還相差較大。增加二氧化碳保護焊后,此處受力情況得到很大改善，這也說明了后期措施方案是可行的。前期措施和后期措施的各焊點拉伸力隨時間變化曲線如圖15所示。

5 結束語

a.對某型車后地板安全帶固定結構和焊點進行了優(yōu)化，達到了靜拉試驗法規(guī)要求，且此結構在模具沖壓、車身焊接中均未出現(xiàn)問題，滿足了產(chǎn)品設計改進要求。

b.新車型設計時要充分考慮后地板安全帶固定點強度要求，對于已生產(chǎn)車型的后地板安全帶固定點結構優(yōu)化時，要盡量在不改動原有件結構基礎上提高其強度，同時兼顧模具、夾具修改的方便性。

1 ECE R14，UNIFORM PROVISIONS CONCERNING THE APPROVAL OF VEHICLESWITH REGARD TO SAFETYBELT ANCHORAGES.