整車被動安全設計之布置安全性

楊志剛 林祥輝 張路

極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

整車安全性設計的核心是保護乘員的安全，當然在完全可以保證乘客安全的情況下，盡可能不讓座駕進入回收站，這應該是最完美的。

一般來說，要達到對駕乘人員相同的保護指標，大車比小車有著先天的優(yōu)勢，就正碰、偏置碰而言，它的發(fā)動機艙比小車的大的多，縱梁輪罩、保險杠等吸能結構都能很好的完成吸收能量的任務，從而減弱駕駛艙區(qū)域變形；如果是側碰，大小車的區(qū)別將會更加明顯，拋開車輛前進的速度而言，相對碰撞物而言，他們都是靜止的，被同樣的物體碰撞，肯定是小車受到的傷害比較大，進而危害里面的乘客。對于大車而言，縱梁有足夠的長度，保險杠也可以做的很大，能量的吸收可以做的很好，比較容易的在防火墻之前就可以把問題解決掉。

而對于小車而言，特別是裝有比較大的發(fā)動機的小車，縱梁的吸能區(qū)域就要小得很多，指望它來吸收絕大部分的能量比較牽強，這時需要借助于一定的結構（如SHOT GUN、副車架Sub frame、縱梁后支板）把能量導入到側圍、前地板、門檻等部件上面；另一方面，也要盡力去做好布置這個環(huán)節(jié)，以增加變形區(qū)域的寬度。

我們保護乘客的因素主要有以下幾點：

前保加強梁、縱梁、前圍板、車門、等車身件——結構安全性；

發(fā)艙內零部件、方向盤、腳踏板、儀表板等——布置安全性；

儀表板、轉向系統(tǒng)、氣囊、安全帶、座椅等——約束系統(tǒng)保護。

本章主要闡述的是布置設計在安全性上的作用。

2 前部空間

被動安全設計需要定義整車的可變形空間，需要保證可變形空間以保證能量吸收量。發(fā)動機和變速箱碰撞中本身基本不可潰變，僅在空間產生位移現(xiàn)象。因此在設計指導和布置分析及碰撞模擬過程中都簡單處理為不可變形的剛性體。在布置安全性設計中首要要考慮的是前部結構的整體布置，高速碰撞中的ODB 碰撞，此處可借鑒法規(guī)GB/T 20913 乘用車正面偏置碰撞的乘員保護及C-NCAP 中國新車評價規(guī)程的要求，車頭前部的結構布置形式可按下圖1 所示進行：

圖1 OBD 碰撞高度布置

前碰的主要前段傳力結構有縱梁、副車架、shotgun。對于100%正碰，壁障是一堵墻，對于以上三個結構沒有特殊的高度布置要求；對于40%偏置碰，壁障是ODB 碰撞塊，此處對于縱梁、吸能盒、副車架和shotgun 有嚴格的布置要求。

上圖所示的三個Z 向高度為ODB 的主要高度尺寸，一般要求shotgun 高度H3 ≤850mm、吸能盒（沒有吸能盒則是縱梁）高度H2 ≤530mm、副車架高度H1 ≥200mm，主要目的是讓三個結構件碰撞時接觸碰撞塊。

2.1 懸置支架設計

懸置支架的設計和布置不能占用過多的縱梁的壓潰變形區(qū)和變形空間，懸置的安裝點和懸置都是硬點，周邊難以產生吸能變形，它占用的空間必定會影響整車碰撞過程的吸能量；另外考慮支架在一定載荷下的可控失效，減小對乘員艙的沖擊和侵入。

發(fā)動機支腳可采用鋁合金材料，在發(fā)生碰撞后很容易斷裂而下沉，保證其不會像炮彈一樣沖入駕駛艙傷害乘客。包括轉向柱以及剎車踏板等，在受到碰撞時要能及時斷裂，這也是減少傷害的有效方法之一，否則它們容易對駕駛員的頭、胸、腿等部位構成威脅。

2.2 動力總成尺寸

動力總成是剛性體，在碰撞時不可壓縮，它的尺寸很大程度上決定了前部車身的變形空間。所以，在選擇及布置動力總成是，盡量使動力總成的X 向尺寸最小，以增大前艙的可潰縮空間；其次，可采用軟質的進氣管。

2.3 副車架

副車架本體是剛度很高的承載體之一，碰撞中若提前接觸到副車架將會影響車身結構壓潰吸能的變形部位，導致整車碰撞的加速度峰值提前或增大，乘員艙的乘員也會因過大或提前到來的加速度，造成嚴重的傷害。因此設計和布置副車架時既要考慮它的承載作用也要兼顧碰撞安全效果。但要是在可變形區(qū)域，將副車架前端做吸能處理，那么在發(fā)生正面碰撞時，副車架前端就成為了整車碰撞吸能的一個重要部分。此時，副車架前端的高度、吸能結構以及與縱梁的連接位置，要綜合考慮ODB 碰撞、行人保護及對縱梁影響的要求。

2.4 蓄電池

蓄電池在碰撞過程中是不可壓縮物，在布置時應優(yōu)先考慮布置在副駕駛側，并且盡量向上布置。與懸置類似，也應布置在前艙不可潰縮部位。蓄電池的支架若連接在縱梁上，應考慮設計一些弱化結構來配合前端壓潰。

2.5 制動

真空助力器受到碰撞力的作用，大多會導致防火墻侵入乘員艙、踏板后移，最終導致乘員傷害的增大。所以，應盡量減小真空助力器X 向尺寸，布置時其它硬物應與真空助力器Y 向錯開，防火墻增加橫梁減小侵入。

2.6 轉向系統(tǒng)

發(fā)生碰撞過程中，人體胸部和頭部的傷害值主要來源轉向盤和轉向柱的碰撞傷害。根據(jù)此要求：

1、轉向管柱本身的安裝角度及碰撞中運動軌跡會影響人體對管柱的壓縮變化，改變了管柱設計吸能的作用，導致人體傷害值加大；

2、外部件碰撞運動撞擊轉向管改變了安裝布置位置，沒有起到設計目標，導致吸能失效，所以布置轉向應充分考慮周邊的碰撞時可能的環(huán)境；

3、碰撞A 柱的侵入和整車的彎曲量加大的轉向管的位移；

4、布置轉向系統(tǒng)時應注意在Y 向上避讓其它硬物。

2.7 前保險杠布置

前保險杠總成布置：根據(jù)市場法規(guī)和標準來定義前保險杠總成的性能。如：法規(guī)前碰ODB 的定義、前保險杠低速碰撞吸能、壓潰空間、Euro NCAP 試驗ODB 碰撞標準、整車性能等。為滿足這些要求，我們就要對前保險杠的碰撞性能的敏感性，如：保險杠的結構、壓潰空間、布置高度、截面面積、材料等進行研究。

前保險杠的布置高度一般由前縱梁的高度來決定，要是此高度匹配不合理會導致前縱梁在碰撞過程中壓潰失穩(wěn)，導致后端大彎曲變形很可能對乘員艙侵入量過大。

3 乘員艙人機空間

對于整車被動安全，乘員艙空間在縱向垂面上的示意圖如下圖文所示，主副駕的空間要求條目在成員安全性設計的中內容主要有如表所示的內容。

圖2 假人與車的位置關系

表1 假人空間尺寸說明

需注意除座椅高度、玻璃窗和頭枕高度外，前碰和側碰時乘客廂的所有設置必須完全相同。

4 整車后部碰撞布置

4.1 后部結構壓潰空間及布置

根據(jù)碰撞力的傳遞特性，可以把后碰劃分以下幾個區(qū)域：碰撞緩沖區(qū)、壓潰變形吸能區(qū)、碰撞安全保碰撞力的傳遞區(qū)，如圖3示意。

圖3 后碰力的傳遞示意圖及各區(qū)域分布圖

要達到良好碰撞性能，后保橫梁和后縱梁的高度布置起很大的決定因素。其中后保橫梁和后縱梁的高度布置息息相關，縱梁的布置同時決定后底板的高度。所以后底板設計時，同時需要考慮后碰法規(guī)GB 20072 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求。

根據(jù)各項法規(guī)要求，定義出后保橫梁中心離地高度要求范圍：歐洲為455mm-502mm，北美為457mm-508mm。后保橫梁中心在設計狀態(tài)下離地高度按照457mm-502mm 布置能滿足要求。后保橫梁高度確定后，后縱梁高度也同時確定，最終后底板的高度也取決于后縱梁的高度。

4.2 備胎的布置

備胎的布置主要考慮：備胎與油箱間的間隙。如圖4 所示：考慮后碰油箱的泄露情況。對于A 值而言，我們希望它盡量小——為零或者備胎底面高于油箱的最高面最好，這樣在發(fā)生后碰備胎沿向車頭的方向移動的時候，減小碰到油箱的可能性；對于B 值而言，我們希望它盡量的大，一般經驗值B 大于100mm；對于C 值而言，我們希望它盡量的大，一般經驗值C 大于200mm。

圖4 備胎空間布置

對于備胎的布置，現(xiàn)在國際上有一種趨勢。備胎在后碰過程中向前偏上或偏下方移動，這樣可以減少對油箱的碰撞。具體做法：在備胎固定處設計引導支架，在備胎與油箱之間設置較強支架或者橫梁，在后碰過程中將備胎擋住，減少對油箱的碰撞。

4.3 油箱的布置

油箱的布置主要考慮以下三大問題：

油箱安裝點的設置及安裝點強度根據(jù)油箱設定容積不同，安裝點的個數(shù)及布置也不同，但至少要布置三個安裝點。為了提高安裝點的強度，安裝點一般布置在后底板橫梁上。多采用車身上焊接M8 或M10 焊接螺母。推薦采用四點固定，車身焊接螺母使用QR37108。

油箱與底板預留間隙油箱與后底板總成中各件需預留間隙，一般間隙值為7 ～10mm，一方面可以減小安裝難度，另一方面可以避免車在運動過程中油箱碰撞底板引起噪聲。但是油箱并不是所有的面都保證與車身至少7 ～10mm 間隙，一般油箱都會有三個面是與車身貼合的，在貼合處增設減震墊，使得油箱與車身的接觸為軟接觸。這樣既可以減少安裝點處的強度，又可以減少油箱與底板的接觸噪聲。另外，加油管和車身之間的距離需大于10mm。

后碰燃油泄露問題

A、油箱附近一定范圍內最好不要有尖銳的翻邊以及突出的螺栓。

因為這些尖銳的翻邊及突出的螺栓若正對著油箱或加油管，完全有可能在后碰的時候這些東西會將油箱或加油管穿破。

B、油箱自身問題。

實事上，在后碰中最容易泄油的并不是油箱本身，而是加油管與油箱連接處。這些就需要設計油箱時加以注意。

C、b 值盡可能大些，一般布置經驗要大于60mm，后面副車架梁的開口槽設計最好不要對著油箱或增加一個圓角翻邊，如圖5 所示。

圖5 燃油箱翻邊結構

燃油箱體積變化量不超過5%，塑料燃油箱最大塑性應變不超過0.3mm，金屬燃油箱最大應力不超過燃油箱材料最大屈服應力的70%。以上主要是CAE 分析參考值。

5 總結

本文主要從布置設計的角度闡述被動安全的設計，文中所述的設計方案主要偏向于乘用車，而商用車可參考之。另外，一篇文章不可能把所有的設計內容均考慮完備，比如行人保護的要求對于布置空間也是有的，如，一般要求發(fā)蓋內側與發(fā)動機最上端硬物之間的距離不小于75mm；發(fā)蓋鎖扣為硬物，不可布置在發(fā)蓋最前端；同時考慮雨刮旋轉軸布置在發(fā)蓋內，及相應可潰縮處理等。本文所闡述內容，也體現(xiàn)了整車安全性設計所涵蓋的內容是及其廣泛的，需要結合整個研發(fā)團的力量進行設計之。