插電式混合動(dòng)力汽車正面碰撞安全性的改進(jìn)

李仲奎

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）是新能源汽車的一種，擁有“燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管”和“動(dòng)力電池、電機(jī)、控制器”2套系統(tǒng)，既可用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，又可用電機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。目前PHEV多是基于某種原型車改造而成，但由于多配備一套電力系統(tǒng)，勢(shì)必會(huì)改變?cè)鹊能囕v結(jié)構(gòu)，使其被動(dòng)安全性能發(fā)生變化[2]。分析正面碰撞時(shí)，PHEV與傳統(tǒng)車一樣主要考慮前后排乘員的保護(hù)，但是由于前艙布置的變化和整車質(zhì)量的增加，PHEV與傳統(tǒng)車相比，會(huì)造成更嚴(yán)重的車身結(jié)構(gòu)損毀，對(duì)乘員的傷害風(fēng)險(xiǎn)也就更大。文章基于某PHEV實(shí)際正面碰撞分析結(jié)果進(jìn)行了安全性改進(jìn)。

1 正面碰撞性能主要評(píng)價(jià)方法

1.1 正碰評(píng)價(jià)性能指標(biāo)

汽車在高速正面碰撞中，乘員所受的主要傷害形式包括：1）車體承受較大的慣性沖擊導(dǎo)致人體所受的加速度過大；2）作用于乘員的碰撞力超過一定限值；3）車體碰撞發(fā)生變形后，沒有給乘員留下足夠的生存空間[3]。根據(jù)GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)的要求，對(duì)假人的損傷限值為：1）頭部性能指標(biāo)（HPC）應(yīng)≤1 000；2）胸部性能指標(biāo)（ThPC）應(yīng)≤75 mm；3）大腿性能指標(biāo)（FPC）應(yīng)≤10 kN。另外，在C-NCAP中，對(duì)正面碰撞前排假人的要求增加了頸部及小腿考核項(xiàng)。

在具體的仿真分析中，通常是從人體所受加速度和車體結(jié)構(gòu)變形大小兩方面開展工作。其中，車體結(jié)構(gòu)變形量關(guān)系到乘員的生存空間。

1.2 生存空間分析

正面碰撞中影響乘員生存空間的因素主要有2個(gè)方面：一是碰撞中發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后移，造成前圍板中上部的侵入量過大；二是發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱撞擊副車架和轉(zhuǎn)向機(jī)造成前圍板下部及前地板彎曲變形，從而導(dǎo)致對(duì)乘員生存空間的侵入。

從乘客艙空間結(jié)構(gòu)來看，前圍板和前地板的變形直接影響著假人的腿部，如圖1所示。要想在碰撞過程中避免假人受到較大的傷害，需力爭(zhēng)保證車身前圍擋板和地板的變形量盡可能小。

圖1 乘客艙空間結(jié)構(gòu)示意圖

在汽車的碰撞過程中，主要由車身前部（尤其是前縱梁）的塑性變形來吸收碰撞能量。以某微型客車為例，在車速為48 km/h的正面碰撞中，前縱梁吸收了約60%的碰撞能量[4]。在能量吸收的過程中，首先是前保險(xiǎn)杠和前防撞梁產(chǎn)生塑性變形吸收部分動(dòng)能，隨著碰撞過程的繼續(xù)，吸能盒、前縱梁、副車架、翼子板及機(jī)罩相繼壓潰吸能，而車身中部結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生大的變形，乘客艙空間不應(yīng)有大的壓縮。

2 PHEV正碰問題解析

2.1 PHEV車型特點(diǎn)

PHEV的主要零部件布置關(guān)系，如圖2所示，由于車身可利用的空間有限，動(dòng)力電池被集中布置到行李箱底部，原存放備胎的位置。前艙動(dòng)力總成包含發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、控制器、變速箱等。在車輛配置上取消備胎，配備充氣泵。與傳統(tǒng)車相比，車輛前后端質(zhì)量都增加了很多，尤其是車輛后端，質(zhì)量增加約180 kg。在同樣的碰撞速度情況下，PHEV自然會(huì)產(chǎn)生更大的碰撞能量，帶來更大的安全隱患。

圖2 插電式混合動(dòng)力汽車總體布置示意圖

2.2 某PHEV正碰問題描述

按50 km/h的正面碰撞速度對(duì)某PHEV進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，車身前地板在駕駛員踏腳處發(fā)生塌陷性彎折變形，如圖3所示。隨著前地板的嚴(yán)重變形，前圍板的侵入量也隨之加劇，造成對(duì)儀表板的嚴(yán)重?cái)D壓，進(jìn)而傷及假人的腿部；同時(shí)儀表板的變形影響到轉(zhuǎn)向柱和方向盤的偏移量，致使假人的損傷風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增加。在碰撞安全性研究上，通常期望的是壓潰變形[5]，竭力避免的是彎折變形，因此位于駕駛員下方的前地板發(fā)生彎折變形更不應(yīng)出現(xiàn)。

圖3 碰撞過程中車身變形情況

2.3 前地板處彎折原因分析

車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，理想的情況是前縱梁的前段（機(jī)艙兩側(cè)）發(fā)生壓潰變形，前縱梁后段（前地板下方）不發(fā)生明顯變形。該P(yáng)HEV的基礎(chǔ)車在進(jìn)行正面碰撞仿真時(shí)，前地板處也未發(fā)生明顯的變形，而改款到PHEV再進(jìn)行正面碰撞仿真時(shí)，前地板卻發(fā)生嚴(yán)重的彎折變形。經(jīng)分析，原因是與整車質(zhì)量增加和前艙動(dòng)力總成布置改變直接相關(guān)。車輛前后端質(zhì)量增加了，正面碰撞過程中勢(shì)必有更多的碰撞能量傳遞到車身中部。

圖4示出該P(yáng)HEV基礎(chǔ)車車身前縱梁結(jié)構(gòu)圖。進(jìn)一步分析，該P(yáng)HEV的基礎(chǔ)車車身結(jié)構(gòu)本身就存在偏弱的缺點(diǎn)。圖5示出該P(yáng)HEV基礎(chǔ)車與同級(jí)車車身前縱梁斷面結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖。圖5中，A為該P(yáng)HEV基礎(chǔ)車前縱梁斷面，B為同級(jí)車前縱梁斷面。從圖5可以看出，該車身前縱梁的截面積要比同級(jí)車的前縱梁截面積小很多，只有同級(jí)車的3/5。因此，當(dāng)整車質(zhì)量和機(jī)艙布置改變時(shí)，有更多的碰撞能量向車身中部傳遞，原本沒變形的部分也可能發(fā)生彎折破壞，車身結(jié)構(gòu)偏弱的缺點(diǎn)就更容易顯露出來。

圖4 某PHEV基礎(chǔ)車車身前縱梁結(jié)構(gòu)圖

圖5 某PHEV基礎(chǔ)車與同級(jí)車車身前縱梁斷面結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

3 正碰性能改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 方案改進(jìn)

根據(jù)分析，提升正面碰撞性能有2種途徑：一是加強(qiáng)車身前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高車身結(jié)構(gòu)耐撞性[6]；二是優(yōu)化前艙動(dòng)力總成布置。由于PHEV的前艙要裝載發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、機(jī)電耦合器、控制器及變速箱等重要零部件，前艙空間非常緊張，可調(diào)整的幅度很有限，布置上也只能進(jìn)行微小的調(diào)整，改善性不大，因此改進(jìn)PHEV的正碰性能還需主要從結(jié)構(gòu)耐撞性方面進(jìn)行考慮。

從圖4中車身地板與縱梁的連接結(jié)構(gòu)來看，修改車身前縱梁的結(jié)構(gòu)勢(shì)必引起眾多相關(guān)環(huán)境件的更改，造成巨大的模具成本增加。而較簡(jiǎn)單的增加結(jié)構(gòu)耐撞性方案就是從地板上增加縱向加強(qiáng)梁，通過地板與前縱梁焊接在一起，如圖6所示。還可以根據(jù)需要在加強(qiáng)梁的內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)加強(qiáng)板，如圖7所示，該方案改動(dòng)量少，模具成本低，加強(qiáng)效果好。

圖6 車身前縱梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 車身前縱梁加強(qiáng)件斷面結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真分析

將改進(jìn)后的整車數(shù)模進(jìn)行正面碰撞仿真分析，與改進(jìn)前對(duì)比，如圖8所示。位于駕駛員踏腳位置的前地板由嚴(yán)重彎折變形轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀醪蛔冃?，僅在加強(qiáng)梁的后端，前排座椅下方有小幅度的彎折變形，但由于位于座椅下方，對(duì)假人威脅小，因此該改進(jìn)方案大大提升了駕駛員的生存空間。

圖8 改進(jìn)前后車身結(jié)構(gòu)變形對(duì)比圖

對(duì)前圍板取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行侵入量對(duì)比分析，如圖9所示，改進(jìn)后的前圍板侵入量與改進(jìn)前相比有大幅度的降低，最大值也由281.8 mm降低為240 mm，局部最大降幅達(dá)75 mm，進(jìn)一步驗(yàn)證了生存空間的改善。

圖9 某PHEV改進(jìn)前后前圍板侵入量對(duì)比

另外，分析表明，前縱梁吸能比例提高了12%，B柱加速度峰值降低了4.6%。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果良好，假人的頭部、胸部、大腿受傷害情況都在法規(guī)允許范圍內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 某PHEV正面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)后車輛狀態(tài)，如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看出，前排假人腿部周圍仍有較大的空間，未受到儀表板的擠壓。

圖10 汽車車碰撞后狀態(tài)

圖11 碰撞后假人腿部空間（駕駛員）

4 結(jié)論

文章對(duì)某PHEV正面碰撞進(jìn)行了仿真分析，針對(duì)分析出來的前地板塌陷問題，對(duì)車身前地板處縱梁進(jìn)行方案改進(jìn)，再次進(jìn)行仿真分析，有較大的改善，并通過實(shí)車進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)前后對(duì)比表明，對(duì)于正碰過程中前圍板侵入量大、前地板變形量大的車輛，加強(qiáng)車身前地板處的縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能起到減少車身中部變形，改善乘員生存空間的效果，進(jìn)而提升了車輛的碰撞安全性能。另外，在加強(qiáng)前縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可通過在地板上方設(shè)置加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，達(dá)到改動(dòng)量小、模具成本低及加強(qiáng)性能高的目的。