新型重型平頭商用車前懸置支架及吸能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

張君媛，解東旋，張 昕，唐洪斌

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車集團公司 技術(shù)中心，長春130011)

0 引言

歐洲經(jīng)濟委員會被動安全組于2010年頒布了新版《關(guān)于對商用車駕駛室乘員保護方面車輛認證的統(tǒng)一規(guī)定》即ECE R29-03，而目前國內(nèi)商用車標準GB26512-2011等同采用的是舊版法規(guī)ECE R29-02[1]，新法規(guī)較舊法規(guī)對商用車駕駛室正面抗撞性和抗?jié)L翻性提出了更加苛刻的要求。為滿足新法規(guī)要求，保證不同碰撞工況下商用車內(nèi)乘員的安全，國外許多商用車生產(chǎn)廠家及研究機構(gòu)都已深入開展商用車被動安全性試驗研究及仿真分析工作[2]-[5]，近幾年國內(nèi)也開展了商用車駕駛室安全性研究[6]-[9]，但針對ECE R29-03的研究還較少，特別是缺少有效應(yīng)對措施的研究。

本文綜合考慮重型平頭商用車駕駛室自身結(jié)構(gòu)特點，對其在ECE R29-03正面擺錘撞擊工況下載荷的傳遞路徑進行了分析，為滿足乘員生存空間及前懸置結(jié)構(gòu)完整的要求，利用控制碰撞過程中力傳遞路徑的方法，提出通過較小改動商用車駕駛室關(guān)鍵碰撞部件的方式，即設(shè)計新型的重型商用車前懸置支架及吸能器結(jié)構(gòu)來應(yīng)對新法規(guī)的要求，為商用車相關(guān)設(shè)計人員提供一定參考。

1 ECE R29-03正面擺錘撞擊試驗及駕駛室受力分析

相較于ECE R29-02，ECE R29-03正面擺錘撞擊試驗（如圖1）對于總質(zhì)量大于7.5t的車輛，擺錘撞擊駕駛室的能量由原來44.1kJ增大到55kJ。并且試驗要求：1.駕駛室乘員生存空間保持完整；2.懸置等連接結(jié)構(gòu)保持完好。該試驗可以模擬商用車的正面碰撞工況，評價其正面結(jié)構(gòu)抗撞性。

圖1 正面擺錘撞擊試驗Fig.1 Front pendulum impact test

由于平頭商用車駕駛室前端缺少足夠的緩沖吸能空間，使得當車輛發(fā)生嚴重正面碰撞時，前圍板等覆蓋件對駕駛室產(chǎn)生較大的侵入，對乘員造成嚴重傷害。一般來說，當擺錘以一定速度撞擊商用車駕駛室時（如圖2），載荷沿撞擊方向傳遞到縱梁和地板，沿橫向傳遞到車體前圍和地板邊梁，沿垂直方向傳遞到駕駛室前懸置和車架。新法規(guī)正面擺錘撞擊試驗中碰撞能量的增加，必然導致駕駛室結(jié)構(gòu)變形量增加以及前懸置結(jié)構(gòu)受力增大，而這二者正是試驗中所要考察的重要指標。為同時保證乘員生存空間及前懸置結(jié)構(gòu)的完整，需要合理匹配駕駛室及前懸置結(jié)構(gòu)的強度及剛度，而這種匹配關(guān)系正是平頭商用車結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，即要求降低前懸置受力，同時減小駕駛室變形。

圖2 擺錘撞擊過程中載荷主要傳遞路徑Fig.2 Main load transmission path during pendulum impact process

2 商用車駕駛室抗沖擊性仿真分析

為研究已滿足ECE R29-02正面擺錘撞擊試驗的某國產(chǎn)重型商用車正面結(jié)構(gòu)抗撞性，對該商用車進行ECE R29-03正面擺錘撞擊虛擬試驗（如圖3），試驗中發(fā)現(xiàn)該車左右前懸置均發(fā)生了斷裂，說明擺錘的撞擊能量沒有被充分吸收，使傳遞到懸置上的載荷超過了其斷裂極限。為滿足ECE R29-03正面擺錘撞擊試驗要求，可以采用增加變形較大部位處板料厚度或采用高強度材料，增設(shè)結(jié)構(gòu)加強件等方式提高相應(yīng)部位的強度及剛度。同時，要盡量減少傳遞到駕駛室上的能量。通過綜合考慮實際生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝等諸多因素，本文設(shè)計了兩種吸能裝置即新型前懸置支架和吸能器結(jié)構(gòu)，兩者分別布置在駕駛室底部與車架連接處及前縱梁之前的前圍前部（如圖4）。

圖3 某國產(chǎn)重型商用車有限元模型Fig.3 A finite element model of the domestic heavy commercial vehicle

圖4 前懸置支架及吸能器位置Fig.4 The positions of front suspension bracket and the energy absorber

3 前懸置支架和吸能器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 新型前懸置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

該商用車原前懸置結(jié)構(gòu)主要包括前懸置上支架，中支架，下支架及下支架底座，其中上支架與駕駛室底部固定連接，下支架底座與車架固定連接，上支架與中支架、中支架與下支架通過鉸鏈連接。在正面擺錘撞擊試驗中，駕駛室受到擺錘撞擊后帶動連接于駕駛室底部的前懸置上支架，上支架通過中支架將碰撞力傳遞到下支架，在達到下支架材料的斷裂極限后將在其截面上產(chǎn)生裂紋，進而發(fā)生斷裂。

圖5 旋轉(zhuǎn)吸能式前懸置結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of rotational energy-absorbing front suspension

由于前懸置下支架在沿車體縱向外力作用下具有向后轉(zhuǎn)動的趨勢，結(jié)合駕駛室前懸置結(jié)構(gòu)在整車的位置關(guān)系、運動關(guān)系和受力關(guān)系，新型前懸置結(jié)構(gòu)（如圖5）既具有在正面碰撞時旋轉(zhuǎn)吸能的功能，又保留了前懸置豎直方向承載及便于駕駛室翻轉(zhuǎn)進行維修的功能。會在駕駛室的帶動下繞著圖 6中所示的旋轉(zhuǎn)軸運動，在運動過程中由于車架上均勻布置的楔形通孔自身結(jié)構(gòu)的特點，即從楔形通孔的大端向小端運動過程中，由于寬度的變化會通過摩擦消耗掉一定的碰撞動能，具體吸能原理見圖 7；而當商用車正常行駛時，由于外力沒有達到楔形孔的變形閾值，懸置下支架則不會產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸的運動，確保車輛處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖6 旋轉(zhuǎn)吸能式前懸置運動示意圖Fig.6 The movement diagram of rotational energy-absorbing front suspension

圖7 吸能原理示意圖Fig.7 The diagram of energy absorption principle

3.2 新型吸能器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

新型前懸置支架結(jié)構(gòu)固然可以吸收一定的碰撞能量，但其最主要的功能是使碰撞載荷傳遞通暢，避免因載荷傳遞不暢導致前懸置斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。因此，為了實現(xiàn)吸能的主要目的，還需要額外的吸能結(jié)構(gòu)?；诖吮疚某醪皆O(shè)計了一種新型的吸能器結(jié)構(gòu)，由空間位置確定新型吸能器長度為185mm，正方形截面，邊長為90mm，并布置在前縱梁之前，在碰撞初期，利用其自身的變形，盡可能多地耗散擺錘的能量，使向后傳遞的能量降至最低。

通過觀察 ECE R29-03正面擺錘撞擊虛擬試驗，發(fā)現(xiàn)安裝在前懸置上支架前端的吸能器產(chǎn)生非理想的彎曲變形，而彎曲變形會影響吸能器吸能量，吸能器產(chǎn)生彎曲變形的原因（如圖8）：1.正面擺錘撞擊試驗中，擺錘初始運動時其運動方向是水平的，此后，擺錘會繞著固定軸線進行旋轉(zhuǎn)運動，當吸能器不再繼續(xù)變形時擺錘需要旋轉(zhuǎn) 2.4°；2.安裝吸能器的前懸置上支架結(jié)構(gòu)在擺錘撞擊中產(chǎn)生一定的彎曲變形，使原來水平安裝的吸能器產(chǎn)生6.6°的斜度。

圖8 吸能器彎曲變形原因Fig.8 The cause of bending deformation for energy absorber

為了避免吸能器在正面擺錘撞擊虛擬試驗中產(chǎn)生非理想的彎曲變形，采用分步拓撲優(yōu)化方法對駕駛室前端吸能器進行重新設(shè)計，將吸能器沿軸向方向分為三個子設(shè)計區(qū)域及一個非設(shè)計區(qū)域，三個拓撲優(yōu)化步驟如圖9所示，材料密度（即拓撲優(yōu)化的約束條件）從吸能器的末端至前端逐漸減小，同時在每個優(yōu)化步驟中都保持吸能器有限元模型的末端固定，并且在每步對應(yīng)子設(shè)計區(qū)域前端施加均布力。吸能器分步拓撲優(yōu)化流程如圖10所示。

圖9 優(yōu)化步驟及設(shè)計子區(qū)域示意圖Fig.9 The diagram of optimization steps and design sub-domains

圖10 分步拓撲優(yōu)化流程圖Fig.10 The flowchart of multi-step topology optimization

在步驟1中，只定義子區(qū)域1為設(shè)計區(qū)域，其余區(qū)域均為非設(shè)計區(qū)，通過子區(qū)域1完全壓潰過程中截面力與時間關(guān)系曲線可獲取均布力Fx，根據(jù)圖8可確定Fz，即為Fz=Fxtan9°，峰值力Fx=-370.8kN，F(xiàn)z=-58.73kN，將得到的峰值反力均布施加在子區(qū)域1前端，經(jīng)計算即可得到第一步拓撲優(yōu)化后吸能器的結(jié)構(gòu)（如圖 11）。在步驟2中，拓撲優(yōu)化區(qū)域僅為子區(qū)域2，在第一步優(yōu)化后吸能器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提取相應(yīng)的截面力與時間關(guān)系曲線，得到施加在子區(qū)域2前端的均布力（同時移除已優(yōu)化后的子區(qū)域1結(jié)構(gòu)），經(jīng)計算即可得到第二步拓撲優(yōu)化后吸能器的結(jié)構(gòu)，步驟3的優(yōu)化過程同步驟2類似。

圖11 步驟1的拓撲過程與優(yōu)化結(jié)果Fig.11 The process and result of topology optimization for step1

經(jīng)過上述三步拓撲優(yōu)化得到的吸能器結(jié)構(gòu)如圖12所示，考慮到實際加工過程中部件的制造工藝性，結(jié)合軟件對設(shè)計結(jié)果進行了優(yōu)化，最終設(shè)計吸能器結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖12 拓撲優(yōu)化后的吸能器Fig.12 The structure of energy absorber after topology optimization

圖13 最終設(shè)計的吸能器Fig.13 The final design of the energy absorber structure

4 前懸置支架及吸能器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

在新型前懸置和吸能器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，對兩者進行綜合參數(shù)設(shè)計，以實現(xiàn)新型前懸置及吸能器結(jié)構(gòu)的良好匹配，其中需要設(shè)計的參數(shù)有：楔形通孔大端夾角α（如圖7所示）、楔形通孔個數(shù)n及吸能器厚度t。其中：楔形通孔大端夾角α影響孔中螺栓的運動，由于螺栓尺寸一定，α過小螺栓移動困難，易導致螺栓因受力過大而折斷，失去原有的摩擦吸能特性；α過大螺栓移動過易，易導致摩擦作用過小，同時使得螺栓行程過大，駕駛室后懸置變形過大。為了保證旋轉(zhuǎn)過程中受力均勻并考慮布置空間的約束，楔形通孔個數(shù)n應(yīng)取偶數(shù)且均勻分布在轉(zhuǎn)軸周圍。而吸能器厚度t可變，但需要綜合考慮壓潰失穩(wěn)及布置空間限制。綜上分析，α的取值為：74°、76°、78°；n 的取值為：2、4、6、8；t的取值為：2mm、3mm。

對全部組合進行全因子試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)計全試驗Table 1 The entire test of parametric design

8 74 8 3 9 76 2 2 10 76 2 3 11 76 4 2 12 76 4 3 13 76 6 2 14 76 6 3 15 76 8 2 16 76 8 3 17 78 2 2 18 78 2 3 19 78 4 2 20 78 4 3 21 78 6 2 22 78 6 3 23 78 8 2 24 78 8 3

通過試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有n=8，t=3mm時的三組試驗（試驗 8、16、24）同時保證了乘員生存空間及前懸置結(jié)構(gòu)的完整，而其余各組均不符合要求。根據(jù) α的選擇原則取中間值 76°作為設(shè)計數(shù)據(jù)，最終的設(shè)計參數(shù)為楔形通孔大端夾角 α=76°，楔形通孔個數(shù)n=8，吸能器厚度t=3mm。

對應(yīng)最終的設(shè)計參數(shù)，正面擺錘撞擊虛擬試驗中新型吸能器結(jié)構(gòu)吸收的能量為 23.2kJ，占擺錘能量的42%，充分起到了緩沖吸能作用，并且商用車駕駛室在 58ms時達到最大變形，同時前懸置達到最大轉(zhuǎn)動位移。此時駕駛室儀表板、方向盤及假人的位置關(guān)系如圖14所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)儀表板和方向盤與假人模型未發(fā)生接觸，表明駕駛室乘員生存空間保持完整。前懸置的變形情況如圖15所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)前懸置未發(fā)生斷裂，表明前懸置結(jié)構(gòu)保持完好。

圖14 駕駛室最大變形時刻乘員生存空間情況Fig.14 The occupant survival space on the moment of maximum deformation of the cab

圖15 最大轉(zhuǎn)動位移時刻前懸置的變形情況Fig.15 The deformation of front suspension on the moment of maximum rotational displacement

5 結(jié)束語

通過對平頭商用車駕駛室結(jié)構(gòu)的研究，得到重型平頭商用車在ECE R29-03法規(guī)正面擺錘撞擊工況下載荷的傳遞路徑。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，需要合理匹配駕駛室及前懸置結(jié)構(gòu)的強度及剛度來保證乘員生存空間及前懸置結(jié)構(gòu)的完整。結(jié)合控制碰撞過程中力傳遞路徑的方法，提出較小改動商用車駕駛室碰撞關(guān)鍵部件的方法，即設(shè)計新型的前懸置支架及吸能器結(jié)構(gòu)，來滿足ECE R29-03法規(guī)正面擺錘撞擊試驗的要求，并應(yīng)用在已滿足ECE R29-02法規(guī)的某國產(chǎn)重型商用車上，驗證了該方法和新型結(jié)構(gòu)的有效性。

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