基于乘員保護的駕駛室本體結構改進

黃杰，許少楠

基于乘員保護的駕駛室本體結構改進

黃杰，許少楠

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章討論了商用車駕駛室乘員保護標準的發(fā)布和實施對輕卡制造行業(yè)產(chǎn)生的影響，并針對市場在售某輕卡駕駛室本體的結構進行適應性的改進，提高其強度，以滿足商用車正面撞擊試驗。

駕駛室本體；改進；強度；正面撞擊

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-129-03

引言

在我國汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，乘用車被動安全性能和評價越來越受到人們的關注。相對于乘用車，商用車被動安全性卻還沒有引起足夠重視，人們感覺商用車車身重、體積大，發(fā)生碰撞時車身損傷和乘員受傷的概率會較小。但是目前國內(nèi)商用車大多是以平頭駕駛室為主，其結構決定了駕駛員座位離車輛最前端距離非常小，行駛過程中一旦發(fā)生兩車間的碰撞，或撞擊到障礙物，甚至發(fā)生翻滾事故時，由于受撞擊時沒有足夠的緩沖吸能區(qū)，撞擊能量將直接傳遞至駕駛室內(nèi)部甚至駕駛員和乘員身上，造成嚴重傷害（圖1）。

據(jù)統(tǒng)計：商用車駕駛室事故以3種類型為主：翻滾、與機動車碰撞、與障礙物碰撞（碰撞主要為正面碰撞）。鑒于上述情況，GB 26512《商用車駕駛室乘員保護》于2011年5月12日正式發(fā)布，標準適用于N類車駕駛室發(fā)生正面碰撞時的乘員保護，要求實施時間為2012年1月1日，并規(guī)定在生產(chǎn)車型自2013年7月1日全面實施。

圖1 正面碰撞事故圖例

由此，商用車被動安全的評價翻開嶄新的一頁，同時也對商用車制造企業(yè)提出了新的要求：

（1）在研產(chǎn)品及下一代預研產(chǎn)品設計時，應該逐步建立起“商用車駕駛室碰撞”的模擬分析、試驗驗證的設計流程、數(shù)據(jù)庫，完善必要的試驗設備及裝置，安排車輛進行實車碰撞，積累數(shù)據(jù)；

（2）在車身設計中，結合新材料、高強度鋼的應用，通過前圍、地板、A柱的結構改進，合理布置內(nèi)板及加強結構，提高駕駛室強度和抗變形能力；

（3）進一步研究駕駛室支撐和與車架縱梁連接支架的強度，控制駕駛室受撞擊后的位移量。

1 正面撞擊試驗簡介

1.1 概述

該項試驗是模擬商用車駕駛室發(fā)生剛性正面碰撞時受到的沖擊能量對前懸架連接裝置及駕駛室造成的損害，評價駕駛室的強度能否最大限度地減少乘員在發(fā)生碰撞時受到的傷害。

1.2 試驗要求

（1）駕駛室的設計以及與車輛的連接，應盡可能消除在意外事故中傷害駕駛室內(nèi)乘員的危險；

（2）完成試驗后，駕駛室應存在生存空間，人體模型不應與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸；

（3）試驗中，只要駕駛室與車架保持連接，將駕駛室固定于車架上的部件允許變形和損壞；

（4）試驗中，車門不應開啟，試驗后，不要求車門能開啟。

1.3 試驗方法

（1）擺錘為鋼制的2500mm×800mm矩形體，質(zhì)量分布均勻，撞擊面平整，質(zhì)量為1500±250kg；

（2）擺錘總成應為剛性結構，擺臂與擺錘為剛性連接，擺臂長度從其懸吊軸到擺錘的幾何中心，不小于3500mm；

（3）擺錘的撞擊面應與駕駛室的最前端相接觸；

（4）擺錘中心應低于駕駛員座椅“R”點50mm，且與車輛縱向中心平面重合；

（5）擺錘應由前向后的方向撞擊駕駛室的前部，方向水平且平行于駕駛室的縱向中心平面。當車輛的總質(zhì)量≤7000㎏時，撞擊能量為29.4kJ；當車輛總質(zhì)量＞7000㎏時，撞擊能量為44.1kJ（圖2、3）；

（6）樣車應固定在試驗臺上。

圖2 駕駛室正面撞擊示意圖

圖3 擺錘參數(shù)

2 駕駛室本體結構的改進

2.1 原駕駛室本體結構分析

目前市場在售我公司某車型（以下簡稱某車）為2006年上市銷售，當時并未考慮到駕駛室乘員保護相關法規(guī)，且經(jīng)初步CAE模擬分析，目前駕駛室狀態(tài)不符合正面撞擊法規(guī)要求。因此，需對其結構作適應性的改進。

經(jīng)過CAE模擬分析，該車型與已通過正面撞擊試驗的競品車型在碰撞后重要部位的尺寸對比如下表（表1）：

表1 駕駛員生存空間與其他車型對比

由上表可看出，模擬正面撞擊過后，駕駛室的變形量過大，駕駛員膝部、腿部、腹部空間都不能保證駕駛員必要的生存空間。

2.2 改進方向

我們分析：某車整車重量超過7000kg，正面撞擊的能量取44.1 KJ，在撞擊的時間內(nèi)，前圍總成的潰縮變形不足以吸收這么多能量，必須在鈑金結構中，設計合理的腔體結構，將撞擊的能量充分吸收的同時傳遞到A柱，側圍，地板縱梁等處（如圖4），盡量減少駕駛室在駕駛員側的潰縮量以滿足法規(guī)要求的駕駛員生存空間。根據(jù)對原車的分析及設計構想，設計的優(yōu)化方向為在前圍上橫梁，前圍下橫梁處設計出合理的腔體結構，通過腔體結構使得力能夠傳遞到地板與側圍等處，分散吸收能量。

圖4 正面撞擊時力較好的傳遞路徑

2.3 改進方案

圖5 改進后駕駛室前部斷面

（1）前圍上部：增加一個“前圍上加強板”，與“前圍外板”和“前圍內(nèi)板”形成一個閉合腔體結構，能有效吸收部分擺錘撞擊能量。

（2）前圍下部：優(yōu)化原駕駛室“地板前橫梁”，使其與“地板中加強板”連接，局部能與“前圍外板”、“中加強板”形成閉合腔結構，能吸收部分擺錘撞擊能量。

（3）地板前部：在“前地板”下設計一加強板，形成閉合腔結構，并與“地板前橫梁”和“前圍外板”焊接，能有效吸收部分擺錘撞擊能量。

具體斷面設計如下（圖5）：

3 改進措施CAE分析

目國內(nèi)商用車卡車類現(xiàn)在基本以平頭車型為主，車型開發(fā)多數(shù)是走學習、模仿之路，所以未能形成系統(tǒng)的法規(guī)研究和車身強度技術研究，隨著計算機仿真技術的發(fā)展，計算機模擬分析在汽車產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的應用，使得我們對駕駛室強度的研究也有了很大的進展。

基于上述改進方案和斷面設計，我們對原駕駛室的前圍、地板、側圍相關零部件三維數(shù)據(jù)進行相應整改并建立數(shù)學模型進行CAE模擬分析，模型包括駕駛室本體、儀表橫梁總成、轉向機構及部分底盤構件。

表2 駕駛室變形對比

圖6 駕駛員生存空間示意圖

通過對比改進后駕駛室與原駕駛室在方向盤下緣距離R點x向距離、方向盤下緣距離R點z向距離、方向盤下緣距離地板距離、方向盤管柱安裝點x向位移、側圍、前圍、地板x向變形量來評價駕駛室結構改進措施的有效性（表2），并通過對駕駛員生存空間的校核確定改進方案能否使駕駛室的強度滿足商用車駕駛室乘員保護的相關法規(guī)。

由表2可看出，經(jīng)過CAE模擬分析：改進后駕駛室在各部位的變形量均小于原駕駛室，且完全滿足駕駛員生存空間的要求（圖6）。

4 試驗驗證

按照上述方案設計的三維數(shù)據(jù)，后期我們制作了2臺樣車，根據(jù)GB 26512《商用車駕駛室乘員保護》的規(guī)定，在長春一汽檢測中心對上述改進后的駕駛室進行試驗驗證，主要以校核正面撞擊試驗后50th人體模型在駕駛室是否有足夠的生存空間，結果（圖7）：

（1）方向盤到駕駛員腿部Z向距離：80mm；

（2）儀表臺到駕駛員膝部X向距離：135mm；

（3）方向盤到駕駛員腹部X向距離：170mm；

法規(guī)僅要求碰撞過后，駕駛室應存在生存空間，人體模型不應與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸。由此，經(jīng)試驗證明，改進后駕駛室完全滿足正面撞擊試驗的要求。

圖7 碰撞后駕駛員生存空間測量

5 結論

通過對駕駛室前圍、地板、側圍等零部件結構的改進，提高了駕駛室的強度，計算機模擬分析正面碰撞試驗和實物驗證都顯示駕駛室的抗變形能力大大提高，且參照改進方案設計的駕駛室順利通過GB 26512《商用車駕駛室乘員保護》規(guī)定的正面撞擊試驗，提高駕駛室安全性的同時也為后續(xù)車型的開發(fā)積累了相關經(jīng)驗。

[1] GB 26512《商用車駕駛室乘員保護》.

[2] 陸文斌,歐建華,王佳怡.《商用車駕駛室乘員保護》試驗要求與方法研究[J].質(zhì)量與標準化,2011∶05.

Structural improvement of cab body based on the protection of the occupants

Huang Jie, Xu Shaonan
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

This paper discusses the influence of the release and carrying out of which, the protection of the occupants of the cab of a commercial vehicle, on the manufacturing business of light trucks. And accordingly improve the structure of cab body of a light truck on sale in the market，enhance its intensity to meet The Front Impact Test of A Commercial Vehicle.

Cab body; Improve; Intensity; Front impact

U467

A

1671-7988 (2017)16-129-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.045

黃杰，(男)，工程師，學士，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。目前主要從事的工作和研究方向：汽車車身設計。