基于行人頭部碰撞保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李子云 李崢 李濤 李燕龍 楊飄 羅鑫 陳文

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

在美國和歐洲等汽車發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，行人保護(hù)已經(jīng)成為強(qiáng)制性法規(guī)要求，是汽車基本的市場準(zhǔn)入要求，同時(shí)也是Euro-NCAP評(píng)分內(nèi)容中的一項(xiàng)。我國仍然屬于人車混合的交通狀況，汽車碰撞事故頻繁發(fā)生。在汽車與行人碰撞事故中，行人屬于弱勢(shì)群體，加上現(xiàn)階段汽車缺乏對(duì)行人保護(hù)的措施，行人傷亡嚴(yán)重。隨著人們對(duì)行人保護(hù)意識(shí)的不斷提高，2009年我國出臺(tái)了GB/T 24550—2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》，而且2018版C-NCAP將會(huì)加入行人保護(hù)的考察項(xiàng)目。此外，在人車碰撞的交通事故中行人身體的各個(gè)部位都有可能受到損傷，但不同部位的損傷程度會(huì)根據(jù)其生物力學(xué)特性以及碰撞中與車體接觸位置的不同而有所不同。在人車碰撞事故中行人的頭部是最易受到重度損傷的部位（80%），其次為胸部（7%）、脊柱（6%）及腹部（6%）。而受到中度損傷比例最高的部位為下肢（37%），其次為頭部（35%）[1]。由此可見，人車碰撞事故中行人頭部是最易受到傷害的部位。文章在車型開發(fā)的過程中，以GB/T 24550—2009為基準(zhǔn)，以CAE計(jì)算精度修正設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過主要的3種設(shè)計(jì)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有利于提高行人頭部的保護(hù)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

按照GB/T 24550—2009[2]9的規(guī)定，并根據(jù)CAE分析計(jì)算精度，在設(shè)計(jì)時(shí)一般留有20%的安全余量，所以車型存在兒童和成人頭部碰撞區(qū)域中，頭部損傷指數(shù)（HIC）在至少一半的兒童頭部試驗(yàn)區(qū)域HIC≤800，2/3以上的成人頭部和兒童頭部合計(jì)試驗(yàn)區(qū)域HIC≤800，2個(gè)頭型剩余區(qū)域HIC≤1 360；如果只有兒童頭部碰撞區(qū)域，2/3以上的試驗(yàn)區(qū)域HIC≤800，剩余區(qū)域HIC≤1 360。

圖1示出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩頭部碰撞的高HIC區(qū)（紅色）、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（黃色）和安全區(qū)（綠色）劃分圖。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)往往出現(xiàn)在機(jī)罩前緣與前格柵交界區(qū)Ⅰ、機(jī)罩前緣與大燈交界處Ⅱ、機(jī)罩側(cè)邊和翼子板分縫處Ⅲ和機(jī)罩后緣角部Ⅳ，并且局部區(qū)域HIC＞1 360（紅色區(qū)域）[3]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩頭部碰撞區(qū)域劃分圖

根據(jù)法規(guī)要求和HIC區(qū)域分布情況，行人頭部碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分3種情況：1）任何碰撞點(diǎn)的HIC均需要小于1 360；2）縮小風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積（圖1中紅色區(qū)域）；3）擴(kuò)大安全區(qū)的面積（圖1中綠色區(qū)域）。

2 設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 避開碰撞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

2.1.1 機(jī)罩前部造型優(yōu)化

兒童頭部碰撞區(qū)域的前基準(zhǔn)線是WAD1000或者機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線向后82.5 mm，測(cè)量點(diǎn)取靠后的點(diǎn)。機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線是長1 000 mm的直尺從垂直方向后傾50°，直尺底端距離地面600 mm，機(jī)罩表面接觸點(diǎn)的幾何軌跡，如圖2所示。WAD1000是用長1 000 mm柔性卷尺在汽車縱向垂直平面內(nèi)沿著汽車前部結(jié)構(gòu)橫向移動(dòng)形成的幾何軌跡（圖2）[2]1-3。

圖2 機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線和WAD1000示意圖

無論是哪種邊緣線的設(shè)定為前部區(qū)域邊緣線，降低機(jī)罩頭部造型，都可以讓兒童頭部碰撞區(qū)域盡量遠(yuǎn)離機(jī)罩與前端環(huán)境件的分縫，避開碰撞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，如圖3和圖4所示。

圖3 機(jī)罩頭部造型降低前后前緣基準(zhǔn)線位置對(duì)比示意圖

圖4 機(jī)罩頭部造型降低前后WAD1000位置對(duì)比示意圖

2.1.2 機(jī)罩側(cè)部造型優(yōu)化

機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線是由長700 mm直尺內(nèi)傾45°與側(cè)面的相交，接觸點(diǎn)形成的幾何軌跡，如圖5所示[2]4。如果直尺先與翼子板接觸，頭部碰撞區(qū)域會(huì)落在機(jī)罩與翼子板的分縫處；如果直尺先與機(jī)罩接觸，頭部碰撞區(qū)域可以避開機(jī)罩與翼子板的分縫（圖6）。所以，將機(jī)罩CAS面相應(yīng)抬高而翼子板CAS面下壓，使得直尺盡量先與發(fā)動(dòng)機(jī)罩CAS面相切，避開機(jī)罩與翼子板的分縫。

圖5 機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線確定方法示意圖

圖6 機(jī)罩與翼子板分縫優(yōu)化前后對(duì)比

2.2 增大潰縮空間

鉸鏈活動(dòng)臂與指梁的間距為h。機(jī)罩鉸鏈處常被選作碰撞測(cè)試區(qū)域，提高h(yuǎn)，至h≥10 mm（如圖7所示），能夠有效地降低機(jī)罩鉸鏈處的HIC，詳細(xì)數(shù)值，如表1所示。

圖7 鉸鏈活動(dòng)壁與指梁的間距（h）位置示意圖

表1 鉸鏈優(yōu)化前后頭部損傷指數(shù)（HIC）對(duì)比表

2.3 弱化零部件局部結(jié)構(gòu)

2.3.1 弱化緩沖塊安裝支架

緩沖塊安裝支架處屬于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（黃色圓框內(nèi)），HIC偏高，常常超過1 360；緩沖塊安裝支架結(jié)構(gòu)開孔弱化后（如圖8所示），能夠有效地降低HIC，詳細(xì)數(shù)值，如表2所示。

圖8 緩沖塊安裝支架結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

表2 某車型優(yōu)化前后頭部損傷指數(shù)（HIC）效果對(duì)比

2.3.2 潰縮式鎖扣

傳統(tǒng)的鎖扣采用1根φ8不銹鋼材質(zhì)的棒，較難發(fā)生彎曲變形。潰縮式鎖扣在傳統(tǒng)鎖扣的基礎(chǔ)上更改成2個(gè)鏤空的鎖片與不銹鋼棒鉚接，如圖9所示。當(dāng)行人頭部碰撞在機(jī)罩鎖區(qū)域處時(shí)，2個(gè)鎖片可以發(fā)生潰縮變形，從而影響機(jī)罩鎖區(qū)域處的1，2，3點(diǎn)的HIC有效降低（如圖10所示），改善效果對(duì)比，如表3所示。

圖9 鎖扣結(jié)構(gòu)形式對(duì)比圖

圖10 機(jī)罩鎖扣影響的3個(gè)點(diǎn)位置示意圖

表3 機(jī)罩鎖扣頭部損傷指數(shù)（HIC）改善效果對(duì)比

3 結(jié)論

文章基于GB/T 24550—2009和CAE計(jì)算精度，提出在避開碰撞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)方法中，降低車型頭部造型和優(yōu)化機(jī)罩與翼子板的分縫位置均可以避開碰撞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。在增大潰縮空間方法中，提高機(jī)罩鉸鏈活動(dòng)臂與指梁的間距可以降低此處的HIC，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)中HIC＜1 360的要求。在弱化零部件局部結(jié)構(gòu)方法中，緩沖塊安裝支架開孔弱化和傳統(tǒng)鎖扣改成潰縮式鎖扣都可以降低碰撞點(diǎn)的HIC，HIC最大降幅達(dá)到892。這對(duì)于汽車行人保護(hù)開發(fā)方面具有實(shí)際借鑒意義。