SOF性能對前縱梁兼容設(shè)計影響及優(yōu)化

田曦陽，施科科，余彥永

（泛亞汽車技術(shù)中心，上海201208）

0 引言

隨著汽車保有量的迅速增長，車輛的安全性日益成為消費(fèi)者在購買汽車時考慮的主要因素之一。根據(jù)IIHS對交通事故的統(tǒng)計結(jié)果［1］，正面小重疊偏置碰撞的發(fā)生概率以及致死率在正碰事故中占比約為 25%。為此，SOF（Small Overlap Frontal Crash）碰撞試驗工況于2012年被正式提出，以完善整車安全正碰工況體系及評價指標(biāo)。SOF試驗的碰撞速度為 （64.4±1）km／h， 碰撞區(qū)域重疊率為 25%［2］。

目前部分現(xiàn)有車型面臨SOF改型需求，如何在不較大程度改動車身架構(gòu)的前提下，通過較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計優(yōu)化滿足性能需求，日益引起關(guān)注?；诖?，除優(yōu)化包括A柱、門檻板和鉸鏈板等主要承載部件設(shè)計外，為了讓前縱梁更有效率地參與載荷路徑傳遞過程，本文作者基于目前現(xiàn)有車型的前縱梁設(shè)計，討論了在前縱梁產(chǎn)品SOF改型設(shè)計時截面、導(dǎo)向和接頭等因素的影響，并實現(xiàn)了兼容優(yōu)化，為后續(xù)車型改進(jìn)提供了指導(dǎo)。

1 某車型前縱梁SOF性能表現(xiàn)

SOF評價級別一般分為 “Good”“Acceptable”“Marginal”和 “Poor”4個級別，此評價指標(biāo)通常針對整車性能進(jìn)行考核和打分。同樣，作為重要的SOF能量承受及傳力系統(tǒng)，白車身同樣需要滿足相應(yīng)的系統(tǒng)級指標(biāo)，通常包括上部侵入量指標(biāo)、下部侵入量指標(biāo)以及Y向速度等。

目前基于某車型前縱梁，如圖1所示，按照 “Acceptable”考核性能指標(biāo)，其SOF白車身目標(biāo)值以及實際值如圖2所示，上下部主要考核區(qū)域如圖3所示。

圖1 某車型前縱梁結(jié)構(gòu)示意

圖2 某車型白車身SOF侵入量

在SOF碰撞變形過程先期，平直式的前縱梁及副車架前端與壁障進(jìn)行接觸及碰撞，該區(qū)域產(chǎn)生一定的潰縮及折彎，并吸收部分能量；隨著碰撞過程的進(jìn)行，當(dāng)碰撞至前輪罩與縱梁的搭接區(qū)域，亦即副車架連接區(qū)域時，主要載荷便同時分配給了縱梁、輪罩和副車架；傳到縱梁和輪罩部分的力，又將通過前臂梁的路徑傳遞到至A柱、鉸鏈板以及門檻板，并進(jìn)一步傳導(dǎo)至車后，整個變形階段縱梁參與載荷傳遞的程度較低。

在SOF碰撞變形過程前期，平直式的前縱梁及副車架前端與壁障接觸后產(chǎn)生一定的潰縮及折彎，并吸收部分能量，隨著碰撞過程的進(jìn)行，當(dāng)壁障與前輪罩與縱梁的搭接區(qū)域，亦即副車架連接區(qū)域發(fā)生碰撞時，主要載荷便同時分配給了縱梁、輪罩和副車架。傳到縱梁和輪罩部分的力，連同上部載荷，又將通過前臂梁的路徑傳遞到至A柱、鉸鏈板以及門檻板，并進(jìn)一步傳導(dǎo)至車后。傳力路徑如圖3所示。

圖3 SOF傳力路徑示意

鑒于此種碰撞模式，改善白車身SOF性能的方向主要有兩種：第一種為假人周端優(yōu)化，亦即優(yōu)化主要載荷承受部件，主要包括但不限于A柱、門檻板、鉸鏈板等直接包圍乘員的部件，此種優(yōu)化方式為當(dāng)前普遍采用的主要方式，能夠較為有效地保護(hù)乘員、有效降低入侵傷害。第二種為路徑沿途優(yōu)化，此種優(yōu)化方式涉及的部件并不直接參與載荷抵抗及乘員保護(hù)，但可通過改善載荷傳遞參與模式，引導(dǎo)載荷朝著更加有利的方向進(jìn)行傳遞和分配。通常情況，兩種方案的組合方案能夠更加有效地改善SOF碰撞性能。

以某車型車身前縱梁為例，為了完成SOF改型，通過CAE仿真分析，第一種優(yōu)化方式能夠有效改善侵入量指標(biāo)，但仍有部分能量需要被吸收及傳導(dǎo)。為此，對第二種優(yōu)化方式進(jìn)行了深入組合，此種優(yōu)化方式在不影響PT及底盤架構(gòu)件的基礎(chǔ)上，通過采用兼容的開發(fā)模式將部分能量傳導(dǎo)至變速箱，并改善載荷分配比，從而輔助方案一完成SOF兼容優(yōu)化并滿足性能指標(biāo)要求，且優(yōu)化組件成型工藝復(fù)雜度較低，安裝簡單，成本易控制。

2 SOF對前縱梁兼容優(yōu)化影響

該車碰撞后鉸鏈板變形較大，A柱發(fā)生明顯折彎，同時，縱梁與副車架連接處產(chǎn)生部分失效。

根據(jù)變形模式分析，縱梁原主要變形區(qū)段并未較大程度參與碰撞能量吸收，反而成為刮擦區(qū)，如圖4所示，為SOF能量吸收和傳遞提供貢獻(xiàn)較小，且載荷傳遞途中缺乏導(dǎo)向設(shè)計，導(dǎo)致前輪罩及后部區(qū)域承受較大正面載荷。因此，針對此種情況，需要對前縱梁進(jìn)行第二種優(yōu)化設(shè)計，同時根據(jù)變形模式，對副車架也進(jìn)行相應(yīng)的傳導(dǎo)優(yōu)化。

圖4 （左側(cè)）前縱梁變形示意 （優(yōu)化前）

2.1 截面影響及優(yōu)化

針對上述變形模式分析，為了盡可能減少A柱、鉸鏈板和門檻板等乘員周端零件所受的正面載荷，可以對前縱梁刮擦區(qū)段進(jìn)行優(yōu)化，主要為優(yōu)化縱梁前段截面、增大與壁障的接觸面積，如圖5所示，有效利用縱梁前段進(jìn)行吸能。內(nèi)部加強(qiáng)件的優(yōu)化同樣能夠達(dá)到前期吸收能量的目的。

圖5 前縱梁前段截面優(yōu)化前后示意

值得注意的是，開口朝外的縱梁對SOF貢獻(xiàn)參與度較為友好，且能夠通過合理的設(shè)計優(yōu)化滿足不同形式的正碰需求，但基于現(xiàn)有前縱梁產(chǎn)品，為了盡可能以較低的成本滿足性能要求，拓寬縱梁截面對兼容式開發(fā)而言更加經(jīng)濟(jì)且兼容性更佳。

2.2 導(dǎo)向影響及優(yōu)化

導(dǎo)向優(yōu)化的目的是通過載荷傳導(dǎo)模式優(yōu)化，增加整車Y向速度，從而有效降低變形后期對乘員周端零件的沖擊。因此，通過在縱梁外側(cè)增加導(dǎo)向塊的方式對載荷進(jìn)行引導(dǎo)，導(dǎo)向塊如圖6所示。

導(dǎo)向塊工作原理為引導(dǎo)前縱梁產(chǎn)生Y向擠壓，從而與變速箱形成連續(xù)的傳力路徑，使整車在碰撞初期的30～60 ms內(nèi)產(chǎn)生較大側(cè)向速度。通過分析，在傳力路徑上新增導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可提高整車的Y向速度，改善變形模式，且前縱梁及副車架增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)都能提高Y向速度。針對該車型，前縱梁的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對整車橫向推開的影響相對更大，Y向速度可提升約11%。與此同時，在實施假人周端優(yōu)化方式的基礎(chǔ)上，選擇了3個侵入量較大的測點(diǎn)進(jìn)行分析。新增導(dǎo)向塊前后對侵入量的影響分析如圖7所示，不難看出，新增導(dǎo)向塊能夠通過載荷引導(dǎo)的方式一定程度上有效降低部分測點(diǎn)的侵入值。

圖6 前縱梁導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)對比

圖7 前縱梁新增導(dǎo)向塊前后測點(diǎn)入侵值對比

2.3 接頭影響及優(yōu)化

SOF性能對傳力路徑中部件的接頭強(qiáng)度同樣提出了較高的要求，其中衡量指標(biāo)之一是接頭結(jié)構(gòu)的完整性。對此，通過象腿部零件以及內(nèi)部加強(qiáng)件的料厚優(yōu)化和型面優(yōu)化，使得該處接頭得到強(qiáng)化，焊點(diǎn)未發(fā)生失效現(xiàn)象，同時加強(qiáng)了與cradle的接頭設(shè)計。

此外，為了緩沖碰撞載荷帶來的傷害，還可根據(jù)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度優(yōu)化［3］，具體情況可視不同案例區(qū)別分析，文中不詳細(xì)討論。

3 組合方案優(yōu)化結(jié)果及分析

基于乘員周端、前輪罩及前臂梁的優(yōu)化，加之上述前縱梁組合方案的優(yōu)化，對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的SOF性能進(jìn)行了分析。組合方案實施前后侵入量的對比變化如圖8所示，組合優(yōu)化后縱梁的變形情況如圖9所示。

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果分析，基于乘員周端零件的強(qiáng)化，加之前縱梁組合方案的深入優(yōu)化，可降低上部車身結(jié)構(gòu)的4個關(guān)鍵區(qū)域的侵入量值，但同時局部個別區(qū)域侵入量會產(chǎn)生相應(yīng)正反饋；下部車身結(jié)構(gòu)的4處區(qū)域侵入量指標(biāo)超差明顯得到改善并降低至Acceptable范圍內(nèi)，車身系統(tǒng)改善較為明顯。

根據(jù)縱梁組合方案實施后的整車變形模式可看出，縱梁優(yōu)化后，整車前端的縱梁參與了更多的能量吸收和傳遞，避免了前段平直段能量管理浪費(fèi)，且前縱梁變形后同時出現(xiàn)了較大潰縮和折彎現(xiàn)象，更大程度地參與了整車變形過程，為SOF性能指標(biāo)提升做出更多貢獻(xiàn)。

圖8 前縱梁組合方案實施前后侵入量對比

圖9 前縱梁組合方案實施后的前縱梁變形模式

4 結(jié)論

以某車型前縱梁為例，在優(yōu)化乘員周端部件 （A柱、門檻板，鉸鏈板等）的前提下，進(jìn)一步討論了SOF性能對前縱梁兼容設(shè)計的影響，并進(jìn)行了組合優(yōu)化方案的可行性研究，使白車身碰撞指標(biāo)滿足Acceptable要求，為后續(xù)改型車前縱梁設(shè)計提供參考。

組合方案主要包括但不限于增大縱梁前端截面、新增外側(cè)導(dǎo)向塊機(jī)構(gòu)以及強(qiáng)化接頭連接等方式；此外，還可根據(jù)載荷分配結(jié)果和傳力需要優(yōu)化縱梁內(nèi)部加強(qiáng)件或前輪罩及前臂梁總成設(shè)計，通常多種方案組合更容易滿足相關(guān)性能。