全承載客車正面碰撞吸能器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

崔崇楨

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450001）

在客車交通事故中，約有50%為碰撞事故，所占比例最高，其中83%的碰撞是正面碰撞事故[1]。國(guó)內(nèi)外公路客車通常采用平頭造型，客車前部可變形吸能空間小，且車身結(jié)構(gòu)多采用矩形型材焊接而成的桁架車架結(jié)構(gòu)，車身壓潰吸能能力較弱。當(dāng)發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，較高的碰撞能量使客車前部結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生大變形，擠壓駕駛員及前排乘客。為了解決這一難題，國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和客車制造廠商對(duì)如何提高客車碰撞安全性進(jìn)行了研究。CERIT 等[2]在車架前部上方設(shè)計(jì)了兩種吸能結(jié)構(gòu)，降低前圍結(jié)構(gòu)的侵入量，增加駕駛員和導(dǎo)游生存空間。BERG 等[3]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種客車前部防碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)（FCG），改善了駕駛員和導(dǎo)游的保護(hù)效果。為推動(dòng)我國(guó)客車正面碰撞安全性提升，中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布了JT/T 1369—2020 《客車正面碰撞的乘員保護(hù)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求客車30 km/h 正面碰撞后，駕駛區(qū)應(yīng)存在生存空間。李強(qiáng)[4]、李友真[5]、彭旺等[6]、黎勇等[7]從吸能結(jié)構(gòu)材料厚度、誘導(dǎo)槽位置和形狀等方面，對(duì)大客車緩沖吸能裝置的耐撞性能進(jìn)行了研究。曹立波等[8]、楊延功等[9]對(duì)大型客車正面碰撞吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和約束系統(tǒng)進(jìn)行了研究。以上研究主要通過(guò)仿真分析方法從理論上分析了吸能結(jié)構(gòu)對(duì)提升客車正面碰撞安全性的重要性，但對(duì)大客車產(chǎn)品實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何進(jìn)行吸能器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證考慮較少，對(duì)客車工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行不同客車正面碰撞安全性工程化開發(fā)的指導(dǎo)作用不足。本文將結(jié)合全承載大客車實(shí)車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用正向設(shè)計(jì)法，通過(guò)整車正面碰撞仿真分析計(jì)算出吸能器的壓潰力設(shè)計(jì)目標(biāo)，并制作鋁合金和DP 鋼兩種吸能器，通過(guò)臺(tái)車和實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證吸能器的吸能效果，為大客車碰撞吸能器設(shè)計(jì)探索一種可行的方法。

1 吸能器設(shè)計(jì)

1.1 吸能器壓潰力確定

以質(zhì)量為13 t 的12 m 全承載客車為研究對(duì)象，首先建立大客車整車有限元模型，并進(jìn)行正面30 km/h 碰撞仿真分析（碰撞動(dòng)能約為450 kJ），如圖1 所示，客車前部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，向駕駛區(qū)凹陷。由于轉(zhuǎn)向管柱的固定支架向車內(nèi)變形，受其影響，方向盤下沿向后移動(dòng)245 mm、向下移動(dòng)99 mm，侵入駕駛員生存空間，如圖1b 所示。

圖1 大客車正面碰撞仿真分析及駕駛員生存空間

為了改善駕駛員生存空間，在整車有限元模型中增加簡(jiǎn)化吸能器模型，并對(duì)車架傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使吸能器承受的碰撞力向車架多條傳力結(jié)構(gòu)傳遞分散，確保吸能器能夠產(chǎn)生軸向變形，如圖2所示。以駕駛員生存空間不被方向盤等內(nèi)飾侵入為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整吸能器的壁厚、材料等參數(shù)，進(jìn)行多次仿真分析對(duì)比，確定吸能器吸收的能量不低于整車碰撞能量的25%時(shí)，即吸能器吸收的能量不低于112 kJ，前部結(jié)構(gòu)變形量較低，可以滿足不侵入駕駛員生存空間的要求。根據(jù)大客車車架前段吸能器實(shí)際安裝空間，確定左右兩側(cè)可以安裝兩個(gè)吸能器，因此，單個(gè)吸能器吸能量為56 kJ；車架前端到前圍內(nèi)面的距離約為200 mm，考慮安裝誤差，吸能器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成180 mm；車架前端面的高度為160 mm，確定吸能器截面輪廓尺寸為150 mm。由于吸能器被壓潰后還有一定的剩余長(zhǎng)度，有效吸能長(zhǎng)度約為原長(zhǎng)度的0.7 倍，因此，有效吸能長(zhǎng)度約為130 mm，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出單個(gè)吸能器平均壓潰力約為430 kN。式中：E為單個(gè)吸能器吸收的能量，J；s為吸能器的壓潰變形量，m；F為吸能器的平均壓潰力，N。

圖2 客車車架傳力結(jié)構(gòu)示意圖

因此，按照430 kN 壓潰力指標(biāo)進(jìn)行吸能器參數(shù)設(shè)計(jì)、材料及工藝選擇等。

1.2 吸能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)吸能器結(jié)構(gòu)時(shí)，需要確定吸能器截面型式、材料、厚度等參數(shù)。常見的吸能器截面形狀有正方形結(jié)構(gòu)、田字型結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)、嵌套結(jié)構(gòu)等，常用的吸能器材料有鋼材、鋁合金、復(fù)合材料等[10-11]。由于客車動(dòng)能大，吸能器需要吸收的能量也較大，普通的單層薄壁結(jié)構(gòu)難以滿足吸能要求，所以選取內(nèi)外雙層八邊形結(jié)構(gòu)、田字型和雙目型等多胞截面型式，確保吸能器的吸能量。結(jié)合材料、工藝制造的可行性，內(nèi)外八邊形吸能器截面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，焊接方式難以制造，因此選用綜合性能良好的6 系鋁合金材料，通過(guò)擠壓方式成型；田字型和雙目型吸能器截面相對(duì)規(guī)則、簡(jiǎn)單，可以通過(guò)焊接方式制造，因此選用DP600 鋼，兼顧成型性和材料強(qiáng)度。以430 kN 的平均壓潰力為目標(biāo)進(jìn)行吸能器靜態(tài)壓潰仿真分析，從而確定理論壁厚，最終確定3 種吸能器結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 不同吸能器參數(shù)對(duì)比

2 樣件試制

根據(jù)吸能器設(shè)計(jì)方案，采用擠壓成型的工藝試制鋁合金吸能器，并在鋁合金吸能器前部棱邊上增加誘導(dǎo)孔，降低壓潰力的初始峰值。為了便于在車架上安裝，在鋁合金吸能器的后部焊接封板，并開螺栓孔，如圖3 所示。

圖3 鋁合金吸能器樣件

采用DP600 的鋼材試制鋼吸能器，鋼制吸能器外板和內(nèi)板之間采用塞焊工藝，并在棱邊上增加誘導(dǎo)孔，如圖4 所示。

圖4 田字型和雙目型吸能器樣件

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 靜壓試驗(yàn)驗(yàn)證

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)兩種材料的吸能器進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，對(duì)比吸能器變形情況和壓潰力，吸能器樣件長(zhǎng)度均為300 mm。在初步方案中鋁合金吸能器采用6005 材料，壓潰時(shí)出現(xiàn)了鋁型材結(jié)構(gòu)碎裂，沒(méi)有產(chǎn)生褶皺變形，變形模式不穩(wěn)定，不利于碰撞吸能，不滿足設(shè)計(jì)要求。改用6061 材料，壓潰時(shí)變形模式變好，但出現(xiàn)局部撕裂現(xiàn)象；最終通過(guò)調(diào)整鋁合金吸能器的材質(zhì)，采用6063P 的鋁合金，冷卻方式采用水冷，壓潰力在450 kN 左右，壓潰力平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求，且解決了吸能器壓潰過(guò)程中的撕裂問(wèn)題。3種鋁合金吸能器壓潰變形如圖5所示，6063P 鋁合金吸能器壓潰力如圖6 所示。

圖5 三種鋁合金吸能器壓潰變形對(duì)比

圖6 6063P 鋁合金吸能器壓潰力-位移曲線

兩種DP600 鋼吸能器軸向壓潰變形如圖7 所示，雙目型吸能器和田字型吸能器軸向變形過(guò)程中，均出現(xiàn)棱邊焊點(diǎn)、焊縫開裂失效，部分母材撕裂，變形模式不穩(wěn)定。從圖8 壓潰力曲線來(lái)看，雖然棱邊上增加了誘導(dǎo)孔，但雙目型吸能器在變形初始屈服時(shí)刻仍然出現(xiàn)了高達(dá)800 kN 的壓潰力峰值，是鋁合金吸能器的1.67 倍，這需要車架結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度保證吸能器首先壓潰變形；在壓潰變形過(guò)程中由于焊點(diǎn)、母材失效，導(dǎo)致田字型DP 鋼吸能器平均壓潰力不足250 kN，雙目型吸能器平均壓潰力不足350 kN，均低于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。

圖7 DP600 鋼吸能器變形對(duì)比

圖8 DP600 鋼吸能器壓潰力-位移曲線

從鋁合金吸能器和DP600 鋼吸能器的靜壓試驗(yàn)可以看出，6063P 鋁合金吸能器變形模式穩(wěn)定，本體沒(méi)有撕裂失效；而DP 鋼吸能器屈服峰值力高，焊點(diǎn)與母材撕裂失效難以控制，且平均壓潰力較低，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，選用鋁合金吸能器進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3.2 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

6063P 鋁合金碰撞吸能器在靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中的性能滿足設(shè)計(jì)要求，還需要對(duì)其在偏置碰撞、斜角碰撞等條件下的變形情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，保證在實(shí)際碰撞工況中也能很好地產(chǎn)生變形。因此，采用臺(tái)車碰撞的方式，對(duì)單吸能器碰撞、偏置碰撞、斜角碰撞3 種工況條件下的碰撞性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 單吸能器碰撞

將6063P 鋁合金吸能器固定在臺(tái)車前部剛性面上，進(jìn)行碰撞。臺(tái)車及吸能器總質(zhì)量為1007 kg，碰撞時(shí)刻實(shí)際速度為49.2 km/h。模擬在理想狀態(tài)下，鋁合金吸能器的變形情況。碰撞后，鋁合金吸能器產(chǎn)生了褶皺變形，變形量約為185 mm，沒(méi)有撕裂、開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖9 所示。

圖9 6063P 鋁合金吸能器碰撞變形

3.2.2 偏置碰撞

在實(shí)際碰撞工況中，鋁合金吸能器可能局部與其他車輛或物體產(chǎn)生碰撞，在這種碰撞條件下，吸能器也要能夠吸收部分能量。因此，進(jìn)行了6063P鋁合金吸能器局部撞擊障礙物的變形情況，如圖10所示，臺(tái)車及吸能器總質(zhì)量為1 024 kg，偏置率為50%，碰撞時(shí)刻速度為35.1 km/h。碰撞后，6063P鋁合金吸能器沿撞擊部位分界處產(chǎn)生撕裂，被撞擊部分產(chǎn)生了軸向壓潰變形，變形量約為160 mm，意味著在實(shí)際碰撞中即使吸能器局部產(chǎn)生碰撞，也能起到吸能作用。

圖10 6063P 鋁合金吸能器偏置碰撞變形

3.2.3 斜角碰撞

在實(shí)車斜角碰撞中，由于吸能器主要碰撞受力方向與其軸向成一定角度，吸能器的后部連接部位也要承受一定的橫向力，需要后部連接方式橫向強(qiáng)度能夠支撐吸能器產(chǎn)生斜角變形。因此，進(jìn)行吸能器15°斜角碰撞試驗(yàn)，如圖11 所示，臺(tái)車及吸能器質(zhì)量為683 kg（不含配重塊質(zhì)量），碰撞時(shí)刻速度為40 km/h。吸能器產(chǎn)生壓潰變形，變形量約為50 mm，吸能器根部母材局部產(chǎn)生撕裂，但吸能器后部連接方式未失效，吸能器未脫落，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 6063P 鋁合金吸能器斜角碰撞變形

從以上3 種鋁合金吸能器碰撞試驗(yàn)可以看出，鋁合金吸能器在多種碰撞工況中都能產(chǎn)生壓潰變形，未發(fā)生撕裂、脫落現(xiàn)象，吸能性能良好。

3.3 整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證6063P 鋁合金吸能器在整車正面碰撞中的變形情況，在交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)后整車30 km/h 的正面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛總質(zhì)量13.404 t，以30 km/h 的速度垂直撞擊剛性壁障，如圖12 所示，并采用泡沫駕駛員假人測(cè)量生存空間是否被擠壓。

圖12 30 km/h 正面碰撞試驗(yàn)車輛

碰撞后，前部左右吸能器產(chǎn)生良好的軸向壓潰變形，沒(méi)有失穩(wěn)、撕裂現(xiàn)象產(chǎn)生，如圖13 所示，表明吸能器吸能效果較好。

圖13 左右側(cè)6063P 鋁合金吸能變形對(duì)比

碰撞后方向盤向后移動(dòng)142 mm，與駕駛員模型腹部x向距離為65 mm；方向盤由于慣性力向上輕微翻轉(zhuǎn)，方向盤下沿與駕駛員模型大腿z向距離增加了12 mm，達(dá)到80 mm，如圖14 所示。說(shuō)明方向盤未侵入到駕駛員假人腹部，也沒(méi)有擠壓駕駛員假人大腿，駕駛員生存空間完好，滿足《客車正面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)4.1 中“客車駕駛區(qū)和前排乘客座椅區(qū)域應(yīng)存在正面碰撞的生存空間”的技術(shù)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖14 碰撞后駕駛員生存空間

整車改進(jìn)前后方向盤的移動(dòng)量見表2，方向盤后移量減少了103 mm，下移量減少了111 mm，駕駛員生存空間的改善效果明顯。

表2 改進(jìn)前后駕駛員生存空間對(duì)比

從以上分析結(jié)果可以看出，通過(guò)增加吸能器和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，大客車在正面碰撞中前部結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，方向盤后移量明顯改善，保證了駕駛員的生存空間不被侵入。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合大型全承載客車整車30 km/h 正面碰撞仿真分析，確定吸能器需要吸收的能量和壓潰力，作為吸能器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2）通過(guò)合理調(diào)整優(yōu)化鋁合金吸能器的材料、冷卻方式，可以控制吸能器的壓潰力、變形模式，獲得良好的吸能效果。6063P 鋁合金吸能器在多種碰撞工況中都能產(chǎn)生理想的變形，滿足整車碰撞安全性設(shè)計(jì)要求。

（3）DP600 鋼吸能器壓潰過(guò)程中屈服力大、焊縫、母材容易產(chǎn)生開裂失效，實(shí)際壓潰力與理論設(shè)計(jì)值差距大。

（4）具有良好吸能特性的吸能器加上傳力路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證客車整車碰撞中駕駛員生存空間的有效辦法。