淺談汽車總布置中碰撞控制設(shè)計

【摘要】碰撞是汽車總布置設(shè)計中的關(guān)鍵性指標(biāo)，也為汽車關(guān)鍵部位尺寸及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，保證汽車發(fā)生碰撞時，按照設(shè)計過程進行碰撞，以減少對人員及汽車的損害。本文對汽車總布置中碰撞設(shè)計的關(guān)鍵步驟進行探討，希望為同行提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】汽車；車身；總布置；碰撞；縱梁

1、總布置設(shè)計碰撞控制設(shè)計的基本思想

汽車的車身從安全的角度出發(fā)可分為前撞區(qū)域、后撞區(qū)域和乘坐區(qū)域三部分，在設(shè)計這三部分時，所需要達到的標(biāo)準(zhǔn)各不相同。在發(fā)生車輛碰撞時，為了保護乘坐區(qū)域人員的安全，車身的“碰撞區(qū)域”要盡可能的產(chǎn)生變形，盡量吸收撞擊能量，而撞擊能量的其余部分要傳至立柱、大梁等處，所以在設(shè)計車身的前、后撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)時，要比乘坐區(qū)域的設(shè)計“軟”一些。乘坐區(qū)域是車輛最為重要的部分，在發(fā)生車輛碰撞時，此區(qū)域要盡量降低變形量，減少由于車輛變形對乘員的直接傷害或增加在發(fā)生事故后乘員逃脫的可能性，所以車身的車室區(qū)域要堅固可靠，結(jié)構(gòu)要設(shè)計的“硬”一些?？偠灾?，車身的總體設(shè)計原則為：中間“硬”，兩頭“軟”，并具有良好的能量傳遞環(huán)境，碰撞能量要盡可能少的作用在乘坐區(qū)域。當(dāng)發(fā)生側(cè)面碰撞時，車身的變形量較小，對乘員造成的危害較大，所以車門、立柱和門檻的設(shè)計要為剛性結(jié)構(gòu)，提高車室的剛度要求，增加乘員的有效生存空間。同時增設(shè)防側(cè)碰安全氣囊，降低二次碰撞對乘員的傷害。車身側(cè)面碰撞防護設(shè)計的基本思路為：車身的梁、地板和其它部件，要盡可能的吸收、分散由于側(cè)碰力所產(chǎn)生的撞擊能量，以此最大限度將損害程度降至最低。通常在車身設(shè)計時，多采用增加門檻梁的強度、側(cè)圍構(gòu)件的強度等方法來增加承受側(cè)碰撞的能力。

2、車身總體碰撞參數(shù)設(shè)計的控制

車身在正面碰撞時，準(zhǔn)確判斷構(gòu)成各種動力學(xué)模式的物理量如速度、載荷和位移等，以便在模擬碰撞時確保力的傳遞途徑和方向的精確性，再分析出碰撞的時間、變形量和潰縮長度等參數(shù)，進而對零件的強度和結(jié)構(gòu)的合理性進行判斷。

2.1整車尺寸的布置 前懸、后懸、軸距等尺寸的總體布置，要根據(jù)已經(jīng)確定的整車長度、高度和寬度來進行分配。在確定前懸的長度后，再確定發(fā)動機機艙中動力總成的姿態(tài)和位置。正碰的速度很高而且和時間短，所以車身的結(jié)構(gòu)要具有足夠的變形和吸能空間。根據(jù)以往汽車設(shè)計經(jīng)驗，若要達到4星以上的碰撞效果，吸能空間L值要≥420mm，L=L1+L2，L1為動力總成與前保險杠外沿的最小距離；L2為動力總成與前圍板的最小距離。見圖1。當(dāng)吸能空間受整車的長度和動力總成尺寸限制時，為了達到良好的吸能效果，可對零部件的材料性能進行分析，采用更換零部件材料的方法來擬補這一問題。例如將進氣歧管的材質(zhì)更換為塑料，不僅可以降低成本，還可以增加吸能空間的效果。吸能空間L值受發(fā)動機的機艙X軸和零件尺寸等因素的影響很大，所以當(dāng)碰撞速度為50～51km/h時，L≥420mm；碰撞速度為56km/h時，L≥560mm，此時的L值大小由碰撞的評價方法決定。由于吸能盒與前保險杠的潰縮距離較大，因此L1的距離通常為280～300mm。

2.2懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及位置設(shè)計 懸置系統(tǒng)的主要作用是承載動力總成和降低動力總成對車身產(chǎn)生的震動，是動力總成的主要配備附件。其結(jié)構(gòu)和位置的確定直接影響著正碰效果，懸置系統(tǒng)通常布置于不影響吸能空間的區(qū)域，并盡可能的降低由于懸置系統(tǒng)的移動造成對乘員區(qū)域的破壞。在碰撞過程中，懸置點的安裝方式和數(shù)量對動力總成的移動形式有很大影響，且決定著前圍板的侵入量和前縱梁的變形形式。所以，在設(shè)計懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時，要經(jīng)過模擬分析后再確定，并對正碰時懸置系統(tǒng)的位置和斷裂時間進行計算，確保動力總成向斜后方移動的暢通性。

2.3縱梁的設(shè)計 縱梁是在碰撞過程中起最大作用的構(gòu)件，是發(fā)動機機艙內(nèi)的主要承載零部件。在碰撞時，所產(chǎn)生的沖擊力由縱梁向后部傳遞，動力總成等零部件跟隨縱梁向后移動，并最終弱化，同時縱梁也具有一定的吸能和緩沖作用，如圖2所示。縱梁的結(jié)構(gòu)、強度等因素決定碰撞效果的好壞，而一旦縱梁的設(shè)計不合理，碰撞能量將會集中于部分結(jié)構(gòu)和局部區(qū)域上，造成局部結(jié)構(gòu)崩潰式變形，引起碰撞的不良效果。所以在對縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計前，一定要認(rèn)真分析碰撞載荷的傳遞分配形式，避免不合理的載荷分配。通常為了避免在碰撞時，縱梁根部發(fā)生崩潰式變形，其根部的結(jié)構(gòu)表面都不超過縱梁的中心線，這主要是因為一旦超過了中心線，根部位置就易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而趨勢縱梁沿中心線向后潰縮。另外，X軸方向上的縱梁平行度也對碰撞時的縱梁變形效果有影響?？v梁距離地面的高度由懸架、底盤的布置等因素影響，由于40%偏置碰的可變形壁障上沿高度為530mm，因此縱梁的高度需≤530mm，以確保前縱梁和可變形壁障能夠充分接觸，從而獲取最佳的碰撞效果。另外，縱梁的截面形狀對碰撞的產(chǎn)生效果也有很大的影響。

2.4上縱梁的設(shè)計 上縱梁的作用是與前縱梁、側(cè)圍形成封閉式結(jié)構(gòu)，有效避免在碰撞過程中，由于懸臂結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)而導(dǎo)致車身變形，同時其可以傳遞由前縱梁傳輸?shù)妮d荷，對前縱梁具有極好的補充性。但由于上縱梁的周圍具有很多其他的結(jié)構(gòu)部件，因此在初期布置時，就要充分考慮上縱梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以免后期無法更改。

2.5座椅的設(shè)計 座椅是在碰撞過程中，支撐和保護乘員軀干的最為重要的部件，其包含坐墊傾角、深度及座椅的剛度和強度等參數(shù)，這些參數(shù)對乘員在碰撞時的運動姿態(tài)有很大的影響，并影響著其他約束部件的保護效果。

2.6人機工程的布置 人機工程在安全碰撞及對乘員的保護方面上也有很大的效能，人機工程的布置，要充分考慮乘員在碰撞時，其相對整車的碰撞受力和移動加速度等因素。包括風(fēng)擋傾角、座椅靠背角、轉(zhuǎn)向盤的傾角、胸部和儀表板的距離、胸部與轉(zhuǎn)向盤中心的距離等，在對其布置時，可參考已有優(yōu)良型車的參數(shù)來進行設(shè)計。

2.7轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置 由于正碰時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會與駕駛員進行碰撞，所以轉(zhuǎn)向盤的剛度不可過大，避免駕駛員的擠壓損傷。而轉(zhuǎn)向管柱的布置要具有一定的壓潰距離，確保在碰撞時，轉(zhuǎn)向盤對人體胸部較小的擠壓力，其值通常設(shè)至為50～100mm。管柱的下護套內(nèi)，不得存在硬點，確保駕駛員的腿部在碰撞時，所受的碰撞力低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3、結(jié)束語

總而言之，車身的總布置設(shè)計不僅是對碰撞效果進行約束，而且還是對整車的綜合性能和關(guān)鍵性參數(shù)等進行控制的過程。在設(shè)計新車型的初期，要對整車的參數(shù)、尺寸及性能等參數(shù)進行定義，后期再分析和控制前期所確定的尺寸和性能等參數(shù)。由于安全性能要求是整車其他性能要求的前提條件，因此初期設(shè)計時，總布置要對影響安全碰撞性能的關(guān)鍵零件的尺寸和結(jié)構(gòu)進行約束，力求碰撞效果滿足設(shè)計要求。

參考文獻

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