基于RCAR低速碰撞可維修性開發(fā)研究

王龍亮，崔東，方銳，樊華清，石夢妍

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，汽車保有量逐年增加，道路越來越擁擠，每年交通事故的數(shù)量不斷上升，人們對汽車保險及維修方面的花費比較關(guān)心，保險公司為了降低汽車碰撞后的維修費用，開始對維修中涉及的維修過程、維修配件、技師培訓(xùn)、維修工時等因素進行考慮。同時，汽車主機廠為了提高車型的銷量，在設(shè)計產(chǎn)品時開始考慮汽車碰撞后維修的便利性及成本等因素。為了準確地評估汽車碰撞后的維修性，各個國家以及國際性研究機構(gòu)出臺了相應(yīng)的行業(yè)標準，其中影響力最大認可度最高的是汽車維修研究委員會(RCAR)出臺的關(guān)于汽車低速結(jié)構(gòu)碰撞和保險杠測試試驗評價標準[1-2]。本文作者首先對從RCAR可維修性試驗規(guī)程進行介紹，緊接著介紹RCAR的評價方法，最后針對汽車可維修性的開發(fā)，從產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計階段、工程設(shè)計階段、試驗驗證階段4個階段做了詳細的介紹。

1 RCAR可維修性試驗介紹

RCAR目前在5大洲、20個國家擁有25名會員，如英國Thatcham公司、德國安聯(lián)技術(shù)中心AZT、美國IIHS等。

RCAR是由保險行業(yè)提供資金支持的一個國際性技術(shù)研究機構(gòu)，其主要工作內(nèi)容為研究與機動車事故維修、安全性及培訓(xùn)需求相關(guān)的工程設(shè)計及方案。為協(xié)助會員做好研究項目，RCAR為會員提供了一個相互交流、溝通的平臺。RCAR秘書長保持與會員、全球性機構(gòu)以及其他相關(guān)個人之間進行聯(lián)絡(luò)與溝通。

RCAR的總體目標是通過與汽車制造商進行對話與合作，進而影響汽車的設(shè)計，為保險公司控制成本，最終使車輛變得更安全，降低易損性，在事故發(fā)生后維修成本更合理。同時將這樣的信息，通過高品質(zhì)的培訓(xùn)報道等傳遞出去。

2 RCAR低速碰撞試驗

根據(jù)RCAR的試驗流程，進行車輛前部和尾部的15 km/h的低速碰撞試驗，主要目的是評價車輛耐撞性與可維修性。

RCAR的前碰測試示意圖如圖1所示，目標車輛以15 km/h的初始速度撞擊剛性壁障，壁障高度高于試驗車輛，車輛質(zhì)量為整車整備質(zhì)量和一個駕駛員側(cè)75 kg假人質(zhì)量。碰撞側(cè)為駕駛員側(cè)，車輛與壁障的重疊率40%，剛性壁障的幾何參數(shù)如圖所示，壁障前端面斜角為10°，前端面與縱向平面的圓角半徑為150 mm。

圖1 RCAR標準正面15 km/h碰撞試驗工況

RCAR的尾碰測試示意圖如圖2所示，碰撞臺車以15 km/h的速度撞擊車輛，臺車為不可變形的剛性壁障，質(zhì)量為1 400 kg。車輛質(zhì)量為整車整備質(zhì)量和駕駛員側(cè)75 kg碰撞假人質(zhì)量。車輛與碰撞臺車行進方向成10°角擺放，碰撞側(cè)為乘員側(cè)尾部，重疊率為40%，車輛手制動處于松開位置，臺車高度及幾何形狀如圖所示[3-4]。

圖2 RCAR標準尾部15 km/h碰撞試驗工況

3 RCAR可維修性評估介紹

3.1 變形量測量

車輛變形量的測量點如圖3和圖4所示，分為車身覆蓋件間隙測量和車底參考點測量，以毫米為單位，試驗前后各測量一次。

圖4 車底參考點測量

對于可能發(fā)生較大變形的部位，例如前后縱梁端部等，可以增加測量點的數(shù)量。所有的測量點都應(yīng)拍照，測量點附近標記其順序代碼。正面碰撞和尾部碰撞的數(shù)據(jù)分開記錄。如有可能，使用三坐標儀測量車前部車寬。并在駕駛員側(cè)在發(fā)動機機罩和前保險杠上劃線，使得這條線到車輛中心線的距離為車輛寬度的10%(該線到車輛駕駛員側(cè)最寬點間的區(qū)域即為與壁障的重疊區(qū)域)。

3.2 汽車損傷評估

分別統(tǒng)計車輛前部和尾部低速結(jié)構(gòu)碰撞試驗將車輛維修至全新狀態(tài)所需的零部件的價格，維修工時，噴漆以及材料費用。

4 汽車可維修性技術(shù)開發(fā)

汽車可維修性技術(shù)開發(fā)流程同碰撞安全開發(fā)流程一致，分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計階段、工程設(shè)計階段、試驗驗證階段4個階段。

4.1 產(chǎn)品規(guī)劃階段

產(chǎn)品規(guī)劃階段，首先分析競品車型的低速碰撞結(jié)果、保險等級信息以及相關(guān)的可維修性優(yōu)缺點，比如零部件間的連接方式、材料的選擇、焊點布置、關(guān)鍵零部件的設(shè)計等。在前期的結(jié)構(gòu)件和零部件初始設(shè)計中吸取競品車型的優(yōu)點，避免其缺點。

4.2 概念設(shè)計階段

概念設(shè)計階段主要包括碰撞區(qū)域造型校核、總布置校核、高成本零部件位置校核3個方面。

4.2.1 碰撞區(qū)域造型校核

在概念設(shè)計階段，首先對外造型進行校核，在汽車設(shè)計初期規(guī)避因造型原因?qū)е路潜匾悴考膿p傷，減小后續(xù)工程設(shè)計時的優(yōu)化難度。

結(jié)合碰撞工況，對碰撞區(qū)域的造型設(shè)計進行校核，減少碰撞區(qū)域零部件的損傷概率，如發(fā)動機罩距離前保最前端的距離，前大燈距離防撞梁的距離，排氣管距離后保最后端的距離，后尾門(行李箱蓋)、尾燈距離地面的高度校核等，如圖5和圖6所示[5]。

圖5 發(fā)動機罩與保險杠和大燈與防撞梁空間距離校核

圖6 排氣管、后尾燈、行李箱蓋與地面空間距離校核

4.2.2 總布置校核

總布置設(shè)計關(guān)乎汽車碰撞時的吸能效率，優(yōu)秀的總布置設(shè)計應(yīng)該是低成本、易更換件作為主要的吸能結(jié)構(gòu)，減少高成本、難更換件的損傷。因此總布置的校核主要針對結(jié)構(gòu)件以及機艙的布置進行校核，比如前后防撞梁的高度、寬度，吸能盒的長度，散熱器與防撞梁的吸能距離提出要求等，如圖7所示[5]。

圖7 防撞梁高度以及散熱器吸能空間的校核

4.2.3 高成本零部件位置校核

在汽車概念設(shè)計時應(yīng)避免高成本零部件的損壞，應(yīng)將高成本零部件布置于非變形區(qū)域或者對其設(shè)計保護結(jié)構(gòu)減少其損傷概率。比如ACC的布置方式，傳統(tǒng)的ACC布置采用一體式鈑金支架固定于前防撞梁中間位置，這種設(shè)計由于鈑金件直接與ACC剛性連接，在保險杠受到擠壓時容易損壞，在前期設(shè)計時應(yīng)將ACC布置與前風(fēng)窗玻璃處或者采用可壓潰的支架固定于防撞梁區(qū)域。散熱器總成布置時應(yīng)該保持防撞梁與散熱器之間沒有其他結(jié)構(gòu)件，保證吸能空間得到充分利用。壓縮機布置是應(yīng)該位于吸能盒的后端(不易變形區(qū)域)，如圖8所示[5]。

圖8 散熱器以及壓縮機的布置校核

4.3 工程設(shè)計階段

在工程設(shè)計階段，主要針對白車身、零部件、內(nèi)外飾的設(shè)計。白車身需要考慮不同焊接方式的選擇、鈑金件的搭接方式、吸能結(jié)構(gòu)件設(shè)計、拆裝便利性設(shè)計方法。零部件需要考慮易損件的判斷、拆裝便利性設(shè)計方法、線束與管路的設(shè)計、高成本零部件的保護等。內(nèi)外飾設(shè)計時需要考慮卡扣、連接件的設(shè)計，約束系統(tǒng)的更換便利性，儀表板的拆裝便利性等。

根據(jù)試驗工況進行CAE有限元分析，建立正碰、尾部碰撞有限元模型，根據(jù)仿真結(jié)果對汽車零部件、結(jié)構(gòu)件的損傷進行評估[6-8]。

相對于安全開發(fā)的高速碰撞，可維修開發(fā)為低速碰撞，相對應(yīng)的碰撞能量小，仿真結(jié)果偏差較大，為了提高仿真精度，仿真建模的時候需要注意以下幾點：

高精度的網(wǎng)格劃分，對于碰撞區(qū)域內(nèi)的零部件進行精細的網(wǎng)格劃分，準確的構(gòu)件零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如大燈網(wǎng)格的劃分如圖9所示。

準確的建模方法，對于零部件的連接選擇合適的連接方式，比如卡扣的連接方式。

高精度的材料數(shù)據(jù)庫，真實的材料特性是高精度仿真的基礎(chǔ)，尤其是塑料件材料的準確模擬更為關(guān)鍵。

根據(jù)仿真結(jié)果，分析整車侵入量，結(jié)構(gòu)件、零部件的損傷情況。圖10為損傷某車型正面結(jié)構(gòu)碰撞的接觸力-位移曲線圖，以及左右兩側(cè)的B柱下端加速度-位移曲線，圖11為零部件有效應(yīng)變云圖。

圖10 車體接觸力、左右兩側(cè)的B柱下端加速度的位移曲線

圖11 前端模塊有效應(yīng)變云圖

根據(jù)仿真結(jié)果對車輛進行優(yōu)化，來減少低速碰撞試驗下的損傷。常見的優(yōu)化方法包括：

(1)優(yōu)化防撞梁、吸能盒的吸能特性，減小縱梁、高成本零部件的損壞風(fēng)險。

(2)優(yōu)化大燈、保險杠以及其他零部件的安裝點位置以及結(jié)構(gòu)形式，減少零部件的損壞。

(3)優(yōu)化總成內(nèi)零部件的數(shù)量，盡量增加總成內(nèi)零部件的數(shù)量，避免整體更換。

4.4 試驗驗證階段

根據(jù)碰撞試驗結(jié)果，評估試驗中結(jié)構(gòu)件、零部件的損傷情況，根據(jù)維修過程、維修配件、維修工時等因素，計算獲得汽車的維修成本。同時根據(jù)試驗結(jié)果，針對不滿足要求的指標，分析主要原因，并提供分析報告和優(yōu)化方案。

要想獲得優(yōu)秀的可維修性指標，上述每個階段都應(yīng)該考慮汽車的維修性設(shè)計，只有通過各個階段的校核設(shè)計驗證，才能降低汽車碰撞后維修成本、保險公司的賠付成本、消費者的使用成本，促進汽車行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

文中根據(jù)RCAR低速碰撞法規(guī)的試驗內(nèi)容以及評價方法，同時結(jié)合整車開發(fā)經(jīng)驗，總結(jié)出針對低速碰撞可維修正向開發(fā)的流程。開發(fā)流程分為4個階段即產(chǎn)品規(guī)劃階段、概念設(shè)計階段、工程設(shè)計階段、試驗驗證階段，每個階段都提出了具體開發(fā)內(nèi)容。該開發(fā)流程對后續(xù)車型關(guān)于低速碰撞可維修性的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。