汽車前副車架脫落設(shè)計(jì)

王月+肖海濤+杜漢斌+周大永+劉衛(wèi)國(guó)

摘 要：為解決車輛短前懸在正面碰撞中能量吸收不足導(dǎo)致整車加速度波形增高，對(duì)乘員的傷害增大的問(wèn)題，對(duì)汽車前副車架脫落設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，包含零部件試驗(yàn)設(shè)計(jì)和CAE模擬分析及系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了副車架在碰撞中的脫落，碰撞能量得到釋放，動(dòng)力總成可以下沉，增加了機(jī)艙的變形吸能空間。為碰撞加速度波形的控制提供了一種新的方法，同時(shí)也為新車型被動(dòng)安全性能的開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：前副車架；脫落設(shè)計(jì)；試驗(yàn)研究；正面碰撞；加速度波形

中圖分類號(hào)：U467.1+4文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.10

副車架是轎車底盤(pán)中非常重要的安全及承載部件，作為轎車前部的承載基體，承受和傳遞汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，副車架的剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命等對(duì)車輛整體的強(qiáng)度、操縱穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要[1-2]。

前副車架在被動(dòng)安全研究中作為正面碰撞的下傳力路徑，其強(qiáng)度的要求對(duì)碰撞力的傳遞和吸收及整車碰撞中加速度波形的控制具有重要作用[3-4]。

1 副車架脫落設(shè)計(jì)研究的意義

正面碰撞吸能空間是碰撞安全性能的主要部分。機(jī)艙的吸能空間大，則碰撞安全性能的開(kāi)發(fā)難度不大，但目前車型向著短前懸輕量化的方向發(fā)展，機(jī)艙的變形空間相對(duì)變小，勢(shì)必導(dǎo)致車輛的前端吸能空間縮短，同時(shí)考慮輕量化要求盡可能減少加強(qiáng)板的運(yùn)用。從碰撞吸能角度分析，機(jī)艙縱梁材料強(qiáng)度不能過(guò)高，材料強(qiáng)度過(guò)高，材料的延展性差，碰撞中易出現(xiàn)折彎變形，壓潰吸能效果反而降低。這就導(dǎo)致碰撞能量不能被前端結(jié)構(gòu)有效地吸收，會(huì)產(chǎn)生較高的加速度波形，而加速度波形直接表現(xiàn)為對(duì)乘員的沖擊作用效果，波形越高，對(duì)乘員的作用越大，受到的傷害越嚴(yán)重。

為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)副車架脫落，使其在碰撞過(guò)程中，受到動(dòng)力總成的沖擊擠壓，與車身連接結(jié)構(gòu)發(fā)生脫離失效。這樣動(dòng)力總成由于重力作用會(huì)發(fā)生下沉，這樣就增加了前縱梁的變形吸能空間，在慣性作用下動(dòng)力總成就可以繼續(xù)向駕駛員方向運(yùn)動(dòng)，直至與車身前圍橫梁接觸后，運(yùn)動(dòng)停止。由于副車架連接點(diǎn)失效部分的碰撞能量得到釋放，同時(shí)動(dòng)力總成下沉，前縱梁的變形吸能空間增加，對(duì)乘員艙的整體沖擊作用降低，從而將加速度波形控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)。

2 副車架脫落總體研究

2.1 對(duì)標(biāo)分析

實(shí)現(xiàn)羊角位置及副車架后安裝點(diǎn)脫落設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方式：一是通過(guò)鈑金件在碰撞中的撕裂來(lái)實(shí)現(xiàn)，二是通過(guò)螺栓的剪斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1為不同車型副車架脫落方式的對(duì)比分析，其中車型1（圖1a）副車架套管通過(guò)螺栓連接固定到車身上，在車身側(cè)固定焊接螺母的支架上開(kāi)凹槽。在碰撞過(guò)程中，動(dòng)力總成受到壁障撞擊，推動(dòng)副車架向后運(yùn)動(dòng)（乘員艙方向），副車架與車身的連接點(diǎn)在沖擊力的作用下，形成向下的拉拔力，焊接螺母從安裝支架的凹槽處脫落，從而實(shí)現(xiàn)副車架和車身的分離。但焊接螺母在脫離前，必須首先撕裂鈑金，鈑金撕裂力的波動(dòng)性很大，導(dǎo)致脫落過(guò)程不穩(wěn)定。此外，在焊接螺母的安裝支架上開(kāi)缺口，導(dǎo)致副車架安全套管與車身的結(jié)合面減小，從而減少副車架與車身安裝螺栓摩擦副的力矩，容易導(dǎo)致安裝螺栓松脫。副車架脫落可以有效控制碰撞中波形脈寬的變化，即加速度在392 m/s2脈寬持續(xù)時(shí)間較短，僅為3 ms，約束系統(tǒng)對(duì)此不敏感，因此對(duì)乘員保護(hù)有利。

車型2（圖1b）前連接點(diǎn)采用變直徑螺栓，與車身螺母的結(jié)合部位螺紋規(guī)格為M8；后連接點(diǎn)車身螺母的結(jié)合部位螺紋規(guī)格為M12。同時(shí)，前后連接點(diǎn)套筒都比較長(zhǎng)，目的是增加螺栓碰撞失效力矩，使其更容易脫落，同時(shí)前連接點(diǎn)弱化，采用M8的螺紋，降低碰撞失效力，進(jìn)而在碰撞中實(shí)現(xiàn)前后點(diǎn)脫開(kāi)。副車架脫落，使加速度波形得到控制，加速度峰值控制在343 m/s2以內(nèi)，約束系統(tǒng)匹配壓力降低。

車型3（圖1c）前連接點(diǎn)在羊角位置螺栓剪斷，后連接點(diǎn)處車身撕裂。在這兩個(gè)位置斷開(kāi)，車體加速度波形得以控制在343 m/s2以內(nèi)，約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)作用更好，對(duì)乘員有利。

通過(guò)對(duì)不同車型的分析研究，設(shè)計(jì)羊角位置的脫落為螺栓剪斷或者通過(guò)羊角處套筒拉脫，可以避免鈑金撕裂的不穩(wěn)定性。副車架后固定點(diǎn)設(shè)計(jì)為螺栓剪斷，更便于零部件性能設(shè)計(jì)的一致性。而且設(shè)計(jì)副車架脫落還可以更好地控制碰撞中波形的變化，對(duì)乘員保護(hù)更為有利。

2.2 零部件試驗(yàn)研究

副車架與車身的連接主要為羊角位置的連接以及副車架后安裝點(diǎn)與車身的連接，全副車架還有在副車架左右縱梁前端的連接點(diǎn)，如圖2所示。對(duì)于碰撞，機(jī)艙縱梁前部要發(fā)生壓潰或者折彎的變形，同時(shí)副車架縱梁也將發(fā)生折彎的變形，使副車架縱梁前部的安裝位置整體發(fā)生后移。但對(duì)于羊角及副車架后安裝點(diǎn)位置，位于縱梁中后部和乘員艙底部，這兩個(gè)位置在正面碰撞中變形較小，因此要實(shí)現(xiàn)副車架的脫落和碰撞能量的釋放，應(yīng)主要考慮羊角及后安裝點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

在整車碰撞分析中，偏置碰撞各連接點(diǎn)受力情況如圖3所示：副車架后點(diǎn)剪切力在60 kN左右，羊角位置在40～50 kN之間?？紤]仿真與實(shí)際的差別，分別對(duì)羊角位置及副車架后固定點(diǎn)的情況進(jìn)行研究。

2.2.1 螺栓剪切試驗(yàn)

對(duì)副車架前后連接點(diǎn)所用螺栓的參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1：用M12×1.25，10.9級(jí)，碰撞剪斷力范圍在38.2～42 kN之間；采用M14×1.5，10.9級(jí)，碰撞剪斷力范圍在53～58 kN之間，吸能更多，但零部件加工工藝，裝配工藝較難控制。綜合考慮，副車架連接螺栓采用M12×1.5，10.9級(jí)。

試驗(yàn)緊固方式：采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法進(jìn)行緊固，轉(zhuǎn)

矩：90 N·m+90°～105°，預(yù)緊力為71～88 kN，超彈性裝配，螺栓不能重復(fù)使用。試驗(yàn)所用套筒結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)車中副車架后安裝點(diǎn)位置相同。

根據(jù)副車架后點(diǎn)的連接方式進(jìn)行螺栓的剪切試驗(yàn)，狀態(tài)模擬實(shí)車的安裝形式，試驗(yàn)前后的圖片如圖4所示，其中套筒厚度為4.5 mm，材料為Q345。試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表2所示，剪斷力在58 kN左右。圖中曲線表明，在初始階段主要受套筒的摩擦力作用，力的大小在15 kN左右，在摩擦力作用下運(yùn)動(dòng)到套筒與螺栓的接觸位置，由于螺栓所受的作用力增加，當(dāng)受力增加到使螺栓發(fā)生剪斷的時(shí)候，螺栓發(fā)生剪斷，力被卸載。

2.2.2 套筒拉脫試驗(yàn)

考慮到在實(shí)車實(shí)際裝配中的狀態(tài)及套筒與螺栓的摩擦因素，所以需要對(duì)套筒進(jìn)行電泳處理，且套筒尺寸與實(shí)車一致，材料為Q345，材料厚度為4.5 mm，套筒高度為55 mm；螺栓M12，螺距1.25。

固定螺栓的力矩要求：采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法，轉(zhuǎn)矩要求90 N·m+90°～105°，預(yù)緊力為71～88 kN，超彈性裝配。

試驗(yàn)裝置如圖6所示：從上部對(duì)推塊施加力的作用，推塊下移，拉動(dòng)套筒一起向下運(yùn)動(dòng)，由于螺栓受到下部的支撐作用靜止不動(dòng)，當(dāng)力大到一定程度時(shí)套筒被拉脫，與螺栓分離。

由試驗(yàn)結(jié)果（表3）可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)的套筒拉脫力在27 kN左右。

2.3 副車架脫落系統(tǒng)試驗(yàn)

2.3.1 CAE分析研究

根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，首先進(jìn)行CAE仿真分析，采用Hypermesh軟件搭建分析模型[5-8]，如圖7所示。

對(duì)搭建的模型賦予相應(yīng)的材料屬性和速度，分析結(jié)果如圖8和圖9所示。副車架羊角位置連接點(diǎn)在受到傳動(dòng)軸撞擊后實(shí)現(xiàn)套筒拉脫，副車架后連接點(diǎn)由于所受剪切力達(dá)到螺栓剪斷力，實(shí)現(xiàn)了螺栓自身的剪斷。同時(shí)，由于重力作用，副車架連接點(diǎn)脫開(kāi)，副車架自身下沉，由于沖擊的慣性作用，副車架后移，這樣就降低了對(duì)前圍部分的沖擊。

2.3.2 臺(tái)車試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：

（1）副車架羊角套筒厚度4.5 mm，開(kāi)口方向與車體x方向夾角約30°，螺栓直徑M12，螺距1.25，要求采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法預(yù)緊，預(yù)緊力矩90 N·m+90°～105°。

（2）結(jié)合整車碰撞中前副車架吸收的能量為21.25 kJ，根據(jù)公式：

。

式中：v為碰撞時(shí)的速度，m/s；E為能量，kJ；m為質(zhì)量，kg。參考整車仿真分析中動(dòng)力總成與副車架發(fā)生撞擊的速度為38～40 km/h進(jìn)行計(jì)算，得出滑車的質(zhì)量為296 kg。

（3）移動(dòng)沖擊小車：采用變速器的后端面，動(dòng)力與左右半軸連接型面，通過(guò)焊接的形式進(jìn)行連接，臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖10所示。

（4）副車架和車身的連接與實(shí)車的裝配狀態(tài)一致，如圖11所示。

根據(jù)上述試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，白車身固定在牽引跑道一端，對(duì)臺(tái)車進(jìn)行牽引加速，速度為試驗(yàn)要求的速度。試驗(yàn)后副車架前后4個(gè)安裝點(diǎn)全部脫落，其中左/右羊角連接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)套筒脫出，左右后安裝點(diǎn)都為螺栓剪斷，實(shí)現(xiàn)了副車架整體脫落，如圖12～14所示。

試驗(yàn)結(jié)果（表4）表明，副車架系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證（38～42 km/h），均可實(shí)現(xiàn)羊角位置套筒拉脫，后安裝點(diǎn)位置螺栓剪斷，試驗(yàn)的一致性較好。

2.3.3 整車碰撞分析驗(yàn)證

經(jīng)整車碰撞試驗(yàn)分析，表明該方案在整車中也可以得到實(shí)現(xiàn)，如圖15所示，在羊角位置實(shí)現(xiàn)套筒拉脫，在副車架后安裝點(diǎn)螺栓剪斷。加速度波形可以得到控制，如圖16所示，加速度392 m/s2以上5 ms，平均加速度在294 m/s2左右。因此，該設(shè)計(jì)方法可行且對(duì)乘員保護(hù)有利。

3 結(jié)論

對(duì)副車架脫落設(shè)計(jì)的研究結(jié)果表明，在整車碰撞中實(shí)現(xiàn)副車架脫落是可以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)副車架在碰撞中的脫落，碰撞能量得到釋放，動(dòng)力總成可以下沉，增加了機(jī)艙的變形吸能空間，為碰撞加速度波形的控制提供了一種新的方法，同時(shí)也為新車型被動(dòng)安全性能的開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。