新能源乘用車車身安全策略研究

摘 要：在新能源蓬勃發(fā)展的今天，兼容混動/純電動力模式的乘用車車身在被動安全設(shè)計方面依然存在諸多難點(diǎn)，筆者通過探討正碰（FRB、SOB）、側(cè)碰（MDB、柱碰）和后碰等典型工況的被動安全設(shè)計，嘗試系統(tǒng)總結(jié)此類兼容車身在開發(fā)過程中的思路和方法，解決設(shè)計難點(diǎn)，加強(qiáng)公司在車身碰撞安全領(lǐng)域的研發(fā)能力，提升車輛安全性，強(qiáng)化嵐圖安全標(biāo)簽。

關(guān)鍵詞：新能源乘用車；車身安全；電池安全；被動安全開發(fā)策略

中圖分類號：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0009-12

Research on Safety Strategies for New Energy Passenger

Vehicle Body

YUN Tao， XIE Man， HAN Jian-yong， HOU Chun-sheng， ZHOU Zhong-biao

（VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： In today’s booming development of new energy vehicles， passenger cars that are compatible with hybrid/pure electric power modes still face many difficulties in passive safety design. By exploring passive safety designs in typical scenarios such as frontal collisions （FRB， SOB）， side collisions （MDB， pole collisions）， and rear collisions， the author attempts to systematically summarize the ideas and methods in the development process of such compatible vehicle bodies. This aims to solve design challenges， strengthen the company’s research and development capabilities in the field of vehicle collision safety， enhance vehicle safety， and reinforce the safety label of Voyah.

Key Words： New Energy Passenger Vehicle; Body Safety; Battery Safety; Passive Safety Development Strategy

引 言

2023年我國新能源汽車終端銷量達(dá)到了732萬輛，是2021年新能源汽車銷量的2.5倍，市場占有率也首次超過了30%。其中，增程混動的占比從2021年4%增長到2023年的9%，實(shí)現(xiàn)了翻番。插電混動占比從2021年15%增長到2023年的24%，增幅巨大。純電占比雖然有所降低，但依然占據(jù)新能源的67%的份額，是新能源絕對的主力。面對市場需求的變化，開發(fā)兼容電動/混動等動力模式的車型成為越來越多企業(yè)的選擇。同時，安全也成為消費(fèi)者越來越關(guān)注的重點(diǎn)。兼容混動和純電的新能源車輛的被動安全，既要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃油車對乘員、油箱的保護(hù)，同時也要實(shí)現(xiàn)對電池包的保護(hù)，難度相較于單一動力車型增加不少。本文針對越來越嚴(yán)苛的安全需求，探討兼容混動/純電動力模式的新能源平臺的被動安全設(shè)計策略。

隨著消費(fèi)者對車輛安全的重視度提升，車輛安全認(rèn)證的機(jī)構(gòu)分工也越來越細(xì)致，安全認(rèn)證工況也越來越完善，新能源主機(jī)廠內(nèi)部在各類認(rèn)證工況的基礎(chǔ)上制定各自的加嚴(yán)工況，類似“碰撞高壓安全”相關(guān)的工況等，這些工況總共有近40項之多。本文討論的內(nèi)容主要與碰撞安全相關(guān)，從碰撞安全多樣性的工況中選取最具代表性的5種工況（如表1），結(jié)合筆者的開發(fā)經(jīng)驗，跟各位讀者探討。

新能源車輛有多樣性，例如有各種類型混動車型和純電車型，在車身結(jié)構(gòu)相同的情況下，機(jī)艙內(nèi)布置有發(fā)動機(jī)總成的混動車型的安全開發(fā)難度更大，所以本文探討的安全策略以動力總成布置在前機(jī)艙的混動車為主，對于純電車型與混動車型的差異，本文會在對應(yīng)工況下做補(bǔ)充說明，以供讀者參考。

1 前碰工況

1.1 全寬正碰（FRB）車身安全策略

全寬正碰（FRB）常被簡稱為正碰，下文以正碰代指全寬正碰。如圖1所示，車輛的正碰工況簡單來說，就是車輛以初速度V撞上剛性壁，至車速降低至零，車輛在該過程中的位移（前部的變形量）為L，這個過程發(fā)生的時長為t，組成最簡單的碰撞模型。

碰撞發(fā)生時，我們的首要任務(wù)是保護(hù)駕乘人員免受損傷，首先要保證乘員的生存空間，即控制變形空間L的長度，使其在駕駛艙外，避免駕駛艙變形。所以我們期望在L范圍內(nèi)，能夠提供足夠大的加速度a使車輛盡早能撞停，保證駕駛室的空間不受影響，而加速度a過大，也會對乘員造成過大傷害，所以碰撞的開發(fā)過程可以說就是控制碰撞過程中的加速度a的值，使其既能保證使其在我們設(shè)想的L內(nèi)完成，也能保證乘員的損傷在可接受的范圍內(nèi)。所以對上述的速度V、位移L、時間t的關(guān)系轉(zhuǎn)化成加速度、時間的關(guān)系來對整個正碰進(jìn)行表達(dá)，即大家常用到的加速度α-時間t曲線。

如下圖2是一個典型的加速度時間曲線。通常將發(fā)動機(jī)總成布置在前機(jī)艙的新混動車型的波形與其相仿。其顯著的特征是簡化波形[5]（圖中的虛線），有兩個明顯的加速度平臺G1和G2，故大家稱其為等效雙階波。

等效雙階波是一種用于分析和優(yōu)化車輛正面碰撞性能的工具。有助于更清晰地理解和分析碰撞過程中的能量變化和車輛結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。等效雙階波中兩個不同高度的梯形波形，分別代表碰撞過程中的兩個階段。這兩個階段通常與車輛不同部分結(jié)構(gòu)的變形和能量吸收有關(guān)。通過分析這兩個梯形波的高度、持續(xù)時間和形狀，可以獲得關(guān)于車輛碰撞性能的重要信息。通過調(diào)整車身結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，可以改變這兩個梯形波的形狀，從而達(dá)到優(yōu)化碰撞性能的目的。等效雙階波被廣泛應(yīng)用在正面碰撞中，不僅可以用于指導(dǎo)新車型的設(shè)計開發(fā)，還可以用于對現(xiàn)有車型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

對于雙階波形的解讀，如圖2所示：

A為碰撞開始時刻，C為發(fā)動機(jī)碰撞到壁障的時刻，E為車輛撞停的時刻（該時刻為車體變形最大點(diǎn)），F(xiàn)為碰撞結(jié)束時刻。

可變形空間，可以對應(yīng)變形區(qū)域：A-B，對應(yīng)前保險杠橫梁前部、前保險杠吸能盒（圖4中的D1+D2）。

B-C：動力總成前部車身變形（圖4中的D3）。

C-D-E：帶動動力總成、縱梁中部、后部、及整個車身的彈性變形。（圖4中的D4+駕駛室的最大變形）

E-F：載荷釋放，車身回彈。

對雙階波形曲線積分，即是速度，所以在相同的碰撞速度下，可以認(rèn)定在雙階波形曲線下的面積不變。所以，正碰的開發(fā)過程就是通過調(diào)整各階段碰撞路徑上的結(jié)構(gòu)，來調(diào)整雙階波上兩個臺階的高度及持續(xù)的時間，從而達(dá)到控制整個過程中加速度的目的。

考慮乘員傷害值的控制以及后續(xù)約束系統(tǒng)標(biāo)定等因素，雙臺階的高度一般控制在如下范圍：15≤G1≤25，25≤G2≤35。通常都是盡量提升G1的高度，來降低G2的高度，從而達(dá)到控制整個碰撞過程中加速度峰值的效果。

如圖3所示，正碰的開發(fā)過程就是通過規(guī)劃和調(diào)整吸能的空間、傳力路徑、變形空間、斷面性能四個要素，將目標(biāo)車輛的雙階曲線盡量向我們目標(biāo)曲線擬合的過程。

（1）可變形空間：

可變形空間就是上文圖1中的L。對于2021版C-NCAP中，50km/h的FRB工況，L的理想目標(biāo)值≥450mm。如圖4所示為機(jī)艙的可變形空間示意。其中，D1為前防撞梁前到冷卻模塊的距離。D2為冷卻模塊的厚度，因為冷卻模塊在正面碰撞中會被擠壓在壁障與動力總成之間會被壓縮，所以一般將D2的一半計入可變形空間。D3為從冷卻模塊到動力總成的距離。D4為動力總成到前圍板的距離。

按照上述規(guī)則，圖中車型正碰的可變形空間Lphev=D1+D2/2+D3+D4=425mm。吸能空間小于目標(biāo)值，并不是一定不可行，只是在后續(xù)匹配G1和G2兩個平臺略高，或在靠近E點(diǎn)的加速度升高，造成非變形區(qū)域出現(xiàn)可接受的變形。

對于純電車型，變形空間的計算方法有所不同。如圖5所示，因為機(jī)艙內(nèi)沒有動力總成，電機(jī)的布置位置相對較低，在變形中配合副車架向下滑出，不會擠壓在壁障與車身之間，所以機(jī)艙內(nèi)的空間可全部視為可變形空間，而輪胎成了壁障與車身之間擠壓的最大件，輪胎擠壓可以變形（按50mm計），所以純電車型的可以變形Lev=D1+D5+50=580mm。

Lphev與Lev是同款車型不同配置的正碰可變性空間，Lev明顯優(yōu)于Lphev，所以一般著重開發(fā)混動配置的正碰，純電車型在混動車型的基礎(chǔ)上做補(bǔ)充即可。

（2）傳力路徑：

如圖6所示，正碰傳力路徑根據(jù)可變形區(qū)域的傳力路徑和非變形區(qū)域的傳力路徑兩部分：

變形區(qū)域傳力路徑：①車身前縱梁傳力路徑；②副車架傳力路徑；③shotgun傳力路徑。結(jié)合可變形空間，通過這三條路徑的斷面性能及變形趨勢的設(shè)定，從而達(dá)到控制G1和G2的效果。

非變形區(qū)域傳力路徑：④A柱上部傳力路徑；⑤中通道傳力路徑；⑥門檻傳力路徑。正碰通過車門的傳力較少，此處不再贅述車門的傳力路徑。該處的傳力路徑應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，保證非變形區(qū)域不變形。

（3）變形/吸能策略：

變形/吸能策略是整個正碰開發(fā)的關(guān)鍵，主要分車身、底盤、動力三個部分。

第一部分：車身變形/吸能策略。針對縱梁和shotgun傳力路徑，變形/吸能策略設(shè)定如圖7所示，①前防撞梁吸能盒的充分潰縮吸能區(qū)。吸能盒除了保證正碰的吸能外，在正面低速碰撞中，是吸能主體，吸能盒充分潰縮后，車體的應(yīng)變≤0.3%。

前縱梁變形吸能區(qū)，該區(qū)域縱梁吸能的設(shè)計策略一版有潰縮和彎折兩種，潰縮比彎折吸收的能量更大，根據(jù)各自車型機(jī)艙布置的情況選擇合適的變形方式，如圖中的變形趨勢為前半段潰縮，后半段彎折的設(shè)計。圖中②為縱梁第一彎折點(diǎn)，③為縱梁第二個彎折點(diǎn)，④為縱梁第三個彎折點(diǎn)。下圖中變形后的狀態(tài)，②和③之間幾乎潰縮。原則上，正碰的全部能量可以在該區(qū)域內(nèi)消耗完成。但是因為變形空間往往不能達(dá)到理想狀態(tài)，G1和G2又要維持在理想的范圍內(nèi)，會造成不變形區(qū)域的部分變形，即侵入量。

不變形區(qū)域車身變形到該區(qū)域，已經(jīng)在碰撞過程的后期，原則上區(qū)域⑤（A柱kickdown）不發(fā)生明顯的變形。為保證該區(qū)域有足夠的傳力能力，減少侵入量，在新能源車型的設(shè)計中，經(jīng)常會增加一條傳力路徑，如圖中⑥，將電池包的前部安裝點(diǎn)布置在該區(qū)域，借助電池包將區(qū)域⑤頂住，提升該區(qū)域的整體剛強(qiáng)度。

第二部分：副車架變形/吸能策略。如圖8所示，①LLP吸能盒穩(wěn)定軸向壓潰；副車架中部安裝點(diǎn)③先失效，保證②副車架前縱梁向下彎折；副車架后部安裝點(diǎn)④接著失效，保證副車架向下向后（如圖8中的⑤）移動。EV車型，電機(jī)固定在副車架上，副車架的這套變形策略會帶動前電機(jī)一起下沉并滑出機(jī)艙，避免擠壓前圍板。

副車架后部安裝點(diǎn)④脫開后移過程，有可能撞擊到電池包，為了保證副車架向下向后移動不會對電池包造成損傷，一般有兩種措施：一種是保證前副車架后點(diǎn)距離電池包前部≥65mm，避免副車架后移過程中撞擊到電池包；另一種方案：電池包前部安裝點(diǎn)正對前副車架后安裝點(diǎn)，副車架后移時頂在電池包的該安裝點(diǎn)上（如圖8中的⑥），安全點(diǎn)強(qiáng)度足夠，使其不失效，阻止載荷傳遞至電池包內(nèi)部，起到保護(hù)電池包的作用。

第三部分：動力系統(tǒng)變形/吸能策略。因動力總成占用前機(jī)艙大部分空間，在碰撞發(fā)生時不僅作為一個不可壓縮空間，減少機(jī)艙的可變形空間，甚至還會影響縱梁的正常彎折。所以動力總成在正碰中的策略就是盡量減少以上影響。動力總成的應(yīng)對策略也是能與縱梁脫開，向下向后移動，所以在碰撞發(fā)生時，動力總成懸置（如圖9中的①所示）需要斷裂或Y向拔脫，釋放對縱梁中部約束，避免影響縱梁彎折變形；

懸置斷裂策略：建議斷裂在動總側(cè)，更好的釋放動力總成向后、向下運(yùn)動，釋放變形空間。筆者也嘗試過斷在車身側(cè)，動總會卡在減震塔位置，影響動力總成下降，但是可以適當(dāng)提升波形（僅供參考，策略因車而異）。后懸置（圖9所示中的②）是否斷裂對變形的影響不大；

（4）各傳力路徑截面力：

上文中，介紹了車身、底盤、動力的正碰策略，要實(shí)現(xiàn)先后變形、先后斷裂/失效的設(shè)定，就要對響應(yīng)路徑的截面力匹配，保證各部有序、穩(wěn)定按照設(shè)定變形。

截面力的設(shè)定，前期通過對標(biāo)或計算選取適當(dāng)性能的斷面形式，后期通過正碰仿真，根據(jù)設(shè)定好的策略對關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)不斷迭代調(diào)整。

（5）結(jié)果：

如圖10所示，結(jié)合上述正碰策略，筆者開發(fā)某款的新能源車型的雙階波的擬合情況。在吸能空間相當(dāng)?shù)那疤嵯拢ㄟ^調(diào)整車身及相關(guān)結(jié)構(gòu)，不斷迭代，成功達(dá)成設(shè)計目標(biāo)，供參考。

1.2 正面25%偏置碰撞（SOB）車身安全策略

正面25%偏置碰撞常被簡稱為小偏置碰，下文以小偏置碰代指該工況。具體工況詳見CIASI官方網(wǎng)站。行業(yè)內(nèi)應(yīng)對小偏置碰的策略主流的有兩種：一種是滑出策略：依靠在碰撞過程中設(shè)計足夠Y向加速度，最后車輛Y向與壁障錯開，使車輛避免與壁障的正面撞擊，滑出壁障，這類方式通常稱為滑出策略，沃爾沃、特斯拉model3采用該策略。另一種是硬接策略：即車輛最終完全撞在壁障上。本文主要討論硬接方式的小偏置碰撞策略。

（1）可變形空間：

如圖11所示，是小偏置碰中表現(xiàn)優(yōu)異的某兩款車型的加速度-位移曲線，可以視作目標(biāo)曲線。設(shè)計思路：一方面和正碰的思路相同，盡量加大壁障在撞擊到A柱前的吸能，從而降低A柱撞擊壁障時車輛的速度，另一方面，在整個過程中，通過結(jié)構(gòu)盡量多得的提供Y向的加速度，避免在壁障接觸A柱時，潰縮的各類結(jié)構(gòu)堆積在前圍板與壁障之間，造成前圍板侵入量過大。

（2）傳力路徑及變形/吸能策略

從曲線很清晰的看出，小偏碰的過程可分劃分成8個階段：

階段A：吸能盒壓潰，形成第一峰值。加大該階段的加速度峰值，兩個主流的設(shè)計方法：①加大縱梁開檔尺寸，加大前縱梁與小偏置碰的壁障的重疊量，可以使吸能盒充分壓潰，從而增加吸能。②如圖12所示，設(shè)計副吸能盒，提升吸能。以上兩個方法，可以盡量讓其帶動縱梁變形，對下個階段的加速度都有一定的提升效果。

階段B：壁障幾乎不與任何剛性件接觸，導(dǎo)致加速度波形較低。車身在該階段結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量加強(qiáng)shotgun前段與縱梁的連接，使其變形時帶動縱梁變形，從而顯著增大該階段的加速度。

如圖13所示：①吸能盒后端/shotgun前端與縱梁搭接結(jié)構(gòu)做強(qiáng)，一方面可以帶動縱梁變形，提升該階段加速度。另外在壁障經(jīng)過該處時，將副吸能潰縮后的結(jié)構(gòu)形成堆積，擠壓在縱梁與壁障之間，從而形成Y向加速度，推動車輛Y向位移。也有部分車型在前防撞梁末端加一個鑄件在防撞梁彎折敲擊在縱梁上，形成一個鋼性塊從而增加車輛Y向位移。

②僅靠Shotgun自身的結(jié)構(gòu)，該處吸能不大。應(yīng)充分利用③的空間，設(shè)計一個零件將shotgun與縱梁連接，拉拽縱梁變形，從而提升該階段的加速度。

以上設(shè)計都是盡量在壁障經(jīng)過該區(qū)域時帶動縱梁變形，④虛框中是借助已有的動力總成（純電車型該處是機(jī)艙組合桿）、前副車架的Y向橫梁等結(jié)構(gòu)提升縱梁的Y向剛度，在避障通過時，盡量多的提供Y向加速度，讓車輛在Y向產(chǎn)生位移。

階段C：壁障撞擊減震塔，導(dǎo)致第二峰值。該處減震塔與縱梁的連接足夠強(qiáng)，過程中不應(yīng)有連接失效，保證減震塔能帶動縱梁變形，從而提供車輛加速度。

如圖14所示，①shotgun在此區(qū)域變成平直結(jié)構(gòu)。

②減震塔與縱梁的連接強(qiáng)度足夠，能帶動縱梁變形，提升加速度。盡量防止減震塔被X向擠壓至前圍板，造成前圍侵入量加大。在階段A和階段B累積的Y向位移，到此可以起到大作用，防止減震塔被整個X向擠向前圍板。

③Y向支撐減震塔的橫梁，該階段減震塔同樣需要足夠的Y向支持，持續(xù)提供Y向加速度，推動車輛Y向位移。

階段D：底盤為主，車身為輔。該階段減震塔變形對加速度影響有限，主要靠車輪擠壓A柱下，依次完成：輪輞碎裂、卡盤碎裂、內(nèi)輪圈、轉(zhuǎn)向節(jié)卡住占位四個階段（如表2所示），可以提供穩(wěn)定的加速度。

該階段的波形在小偏置整個過程中非常重要，通過控制轉(zhuǎn)向機(jī)、擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)失效時機(jī)，從而控制輪輞運(yùn)動是該階段的關(guān)鍵。因為各車型載荷、車身機(jī)構(gòu)、懸架結(jié)構(gòu)的不同，控制方式也大不相同，所以各車型需因地制宜，來指定策略。下文是筆者在某車型中的策略，供讀者參考。

如圖15所示，圖中是一個前懸架，①上擺臂在轉(zhuǎn)向節(jié)的安裝點(diǎn)；②轉(zhuǎn)向拉桿在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝點(diǎn)；③下擺臂在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝點(diǎn)；④下擺臂在副車架前部安裝點(diǎn)；⑤下擺臂在副車架后部安裝點(diǎn)。下文按照序號代表各控制點(diǎn)，如表3所示，各階段，通過各控制點(diǎn)的失效順序（通過各相關(guān)零件匹配在斷裂時刻的失效力），保證車輪能按照設(shè)定撞入A柱下。

階段E：車身為主，底盤為輔。A柱下部足夠強(qiáng)，支撐完成階段D車輪的吸能，并在壁障最終撞擊到該處保持不失效，將載荷傳遞至A柱上、車門、門檻。該階段的核心，是A柱下的結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)，保證其不失效：如圖16所示，①A柱下內(nèi)板與A柱上內(nèi)板的分縫盡量避開壁障碰撞區(qū)域，避免焊點(diǎn)失效造成的A柱下整體失效。②A柱下外加強(qiáng)板盡量避免在該區(qū)域分件。③在A柱下增加連接內(nèi)外板的加強(qiáng)件，主要有兩個作用：一方面避免A柱下內(nèi)外板在碰撞中焊點(diǎn)失效而分離；另外輪轂和剎車盤殘留的占位堆積正好頂在該加強(qiáng)板上，以保護(hù)A柱下結(jié)構(gòu)完整性。

階段F：乘員艙區(qū)域為非變形區(qū)域。在圖11的加速度位移曲線可以看出，加速度在此刻有巨大提升，車身A柱上、門檻、車門窗臺板形成最后一道防線，強(qiáng)行將車輛抵住，這三條傳力路徑上的截面力大幅提升，必須保證在此刻的截面力下不失效。在A柱下撞擊壁障時，門檻起到主要的傳力作用，其次是A柱。

對于A柱在小偏經(jīng)常彎折的問題，有兩點(diǎn)經(jīng)驗分享：如圖17所示，①A柱前段相對A柱下部的前凸量盡量控制在60mm以內(nèi)；也可以在前凸的這部分結(jié)構(gòu)上設(shè)計弱化，使其在壁障作用下可潰縮，但單同時保證前凸后部的結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，保證門洞不變形。②最大化窗臺板傳力路徑的傳力能力，對A柱下有強(qiáng)力有力的支持。

（2）結(jié)果：

如圖18所示，圖中是筆者按照如上安全策略開發(fā)的某車型加速度-位移曲線，與目標(biāo)車型的簡化曲線放在一起，供參考。硬接策略，在壁障碰撞A柱下時，加速度較大。

2 側(cè)碰工況

2.1 側(cè)柱碰車身安全策略

在側(cè)柱碰相比前碰工況，變形區(qū)域沒有前機(jī)艙那么復(fù)雜，不需要分段分解控制各階段。側(cè)柱的傳力路徑主要分成兩部分：一部分是由下車體及電池包組成的平臺部分，是側(cè)柱碰開發(fā)主體；另一部分由車門、A柱組成的上車體傳力路徑，在該工況起到輔助的作用。

（1）下車身可變性空間及吸能策略：

側(cè)柱碰下車體傳力路徑，如圖19所示，同樣分為吸能空間和非變形空間。碰撞柱首先撞擊門檻，門檻將載荷傳遞至地板橫梁和電池包。門檻及電池框體組成吸能空間，座椅橫梁、電池包內(nèi)部的橫梁組成抵抗變形的傳力路徑，支持非變形空間。通過側(cè)柱作用在門檻上的力60%通過車身傳遞，40%通過電池包傳遞。

關(guān)于吸能空間，如圖20所示，從車身門檻最外側(cè)到電芯的空間，形成了平臺側(cè)柱碰的總吸能空間，一般要求≥250mm。其中，車身門檻斷面的Y向尺寸≥160mm，這部分空間在側(cè)柱碰中完全潰縮吸能；門檻內(nèi)側(cè)與電芯之間≤90mm構(gòu)成電池包框體的變形空間，電池包邊框與電芯的距離≥35mm，以保證邊框有足夠的變形空間，避免邊框剛受力還沒有潰縮就將載荷傳遞至電芯。以上這些空間對于平臺車寬的設(shè)定至關(guān)重要，車寬一定的情況下，直接限定了電池包的Y向尺寸和車內(nèi)的空間。

如上文所講，側(cè)柱碰的可變形區(qū)域有限，要求在側(cè)柱碰后，該區(qū)域完全潰縮，如圖21所示。在開發(fā)過程中，該區(qū)域的吸能效果，對仿真結(jié)果特別敏感，區(qū)域內(nèi)殘留的未潰縮區(qū)域，就代表著有未被吸收的能量，都會加大后方非變形區(qū)域的路徑上的截面力就會加大。所以，該區(qū)域的重點(diǎn)就是保證設(shè)計在變形區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)能最大化的吸能。通過調(diào)整門檻內(nèi)吸能結(jié)構(gòu)的厚度、增加潰縮誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)、做好變形區(qū)域與非變形區(qū)域的截面力匹配等，達(dá)到完全潰縮吸能的效果。

在設(shè)計門檻內(nèi)的吸能結(jié)構(gòu)，盡量與座椅橫梁Z向?qū)R。如表4所示，通過不同形式的門檻內(nèi)吸能結(jié)構(gòu)在側(cè)柱碰后，電芯上受擠壓的力值對比，得出結(jié)論：鋁型材相比鋼板結(jié)構(gòu)，吸能效果更容易提升；吸能結(jié)構(gòu)與座椅橫梁在Z向?qū)R，對減小電芯擠壓力有較大的收益。

（2）下車身主要傳力路徑：

對于非變形區(qū)域，主要靠地板橫梁和電池包提供傳力路徑，需要設(shè)計的足夠強(qiáng)，抵抗變形。如圖22所示，地板橫梁盡可能設(shè)計成左右貫通式，利于傳力。對于地板下面的電池包，車身需要設(shè)計能保證電池包參與傳力路徑的結(jié)構(gòu)（見圖中F7/F8/F9）。

（3）上車身主要傳力路徑：

側(cè)柱碰上車體傳力路徑見圖23所示，主要依靠車門防撞梁、窗臺板、A柱上等結(jié)構(gòu)傳力至前縱梁、前圍橫梁、頂蓋橫梁、B柱等。在開發(fā)中只要滿足如下要求即可：頂蓋上橫梁①②③沒有彎折，車門窗臺板④、車門防撞梁⑤無鈑金撕裂，搭接位置無失效；車門上/下鉸鏈⑥、門鎖⑦結(jié)構(gòu)保持完整，無失效；

（4）結(jié)果：

實(shí)際開發(fā)中按照以上策略，在吸能空間相當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過調(diào)整車身及相關(guān)結(jié)構(gòu)，不斷迭代，以達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。如圖24所示，筆者開發(fā)的某款車型在側(cè)碰工況中，碰撞柱上的力-位移曲線，整個側(cè)柱碰分為三個階段：第一階段，碰撞柱碰撞車門，僅車門變形，該階段吸能較少。第二階段，門檻加入到變形中，載荷急劇上升，該階段是主要吸能區(qū)間。第三階段，電池框架加入吸能，通過電池包框架潰縮變形，最終將能量化解。

2.2 側(cè)面碰撞（MDB）車身安全策略

（1）車身傳力路徑：

在滿足側(cè)柱碰的情況下，平臺的部分可以滿足側(cè)面碰撞，此時，側(cè)面碰撞的主要開發(fā)內(nèi)容集中在上車身及開閉件。

上車身的傳力路徑見圖25，與側(cè)柱碰類似，相比側(cè)柱碰，頂蓋橫梁的截面力明顯小于側(cè)柱碰，主要原因是側(cè)碰的碰撞面積大，載荷分散。側(cè)碰的受力主要集中在B柱和車門。

如圖26所示，在側(cè)碰后B柱應(yīng)呈現(xiàn)“鐘擺”變形，彎折位置在R點(diǎn)以下，B柱上部結(jié)構(gòu)保持完好，不能有彎折，設(shè)計上要保證足夠的強(qiáng)度。彎折點(diǎn)以下是B柱在側(cè)碰的吸能區(qū)，設(shè)計上適當(dāng)弱化，以便變形吸能，但也要掌握好度，避免該區(qū)域出現(xiàn)開焊、撕裂等不受控的失效；

（2）車門傳力路徑：

車門在側(cè)碰中的主要傳力結(jié)構(gòu)，如圖27所示。下面對這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路分享給大家：

①鉸鏈加強(qiáng)板與車門防撞梁的連接足夠可靠：

a.防撞梁與鉸鏈加強(qiáng)板直接焊接；

b.鉸鏈加強(qiáng)板和前防撞梁有足夠連接強(qiáng)度；

c.搭接位置避開車門線束孔；

②防撞梁截面要有足夠的彎矩，以防止侵入量超標(biāo)，為保證防撞梁足夠的彎矩，防撞梁截面尺寸參考圖28：

③車門下部與門檻Z向重疊量≥150mm，如圖29所示。該設(shè)計旨在防止側(cè)碰時車門向內(nèi)卷入，如果不能保證重疊量，也可以車門內(nèi)增加一根加強(qiáng)梁來實(shí)現(xiàn)。

④車門防撞梁后端與車門連接足夠可靠：防撞梁后端與車門內(nèi)板重疊量L≥50mm，以保證足夠的強(qiáng)度。

⑤車門防撞梁布置最好能正對臺車：

a.車門防撞梁呈前高后低的布置形式；

b.布置高度在300～900mm范圍內(nèi)，且盡量覆蓋350～600mm的空間；

（3）結(jié)果：

實(shí)際開發(fā)中按照以上策略，各主要路徑不失效的前提下，通過調(diào)整車身及相關(guān)結(jié)構(gòu)，不斷迭代，以達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。如表5所示，筆者開發(fā)的某車型，在碰撞后的關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)的侵入量及侵入速度，供參考。該車型侵入量、侵入速度均控制在較低的水平，可確保側(cè)碰中乘員免受傷害，在相關(guān)認(rèn)證中乘員傷害的評價項拿到滿分。

后碰工況，主要探討80km/h后面碰撞工況的車身安全策略，下文簡稱為后碰。該工況是嵐圖汽車內(nèi)部“碰撞高壓安全”工況的一項，其工況與美標(biāo)FMVSS 301/305相同，如圖30所示，1368kg的臺車以80km/h，偏置70%，從后碰撞目標(biāo)車輛，試驗后，對燃油泄漏、動力電池電解液泄漏、乘員安全等做了要求，旨在保護(hù)乘員和周圍環(huán)境。

（1）傳力路徑及變形/吸能策略：

如圖31所示，后碰設(shè)計了3個階段：

第一階段，變形吸能區(qū)域（588mm）：

a.該區(qū)域，地板或后儲物空間內(nèi)可布置安全功能非強(qiáng)相關(guān)件，如：隨車工具、氣罐等；

b.蓄電池、電壓線束布置在此區(qū)域需保證碰撞中不會發(fā)生擠壓掉電、短路問題；

c.車身吸能盒、縱梁后段穩(wěn)定軸向壓潰變形，同時要求座椅在在Z向沒有明顯位移。

第二階段，輕微變形區(qū)域（330mm）：

a.布置高壓系統(tǒng)部件，高壓部件需要針對性強(qiáng)化，應(yīng)對變形帶來的輕微擠壓，如車載充電機(jī)等；

b.高壓線束盡量避免布置在此位置，需要避免擠壓；該區(qū)域內(nèi)，正對座椅的范圍內(nèi)，盡量不布置零件，避免后碰擠壓座椅。

第三階段，非變形區(qū)域：

該區(qū)域幾乎不變形，保證乘員、油箱、電池包安全?？v梁中段/前段不能發(fā)生明顯彎折變形；

如圖31，為了保證上述策略，對車身主要傳力路徑進(jìn)一步細(xì)化，在變形吸能區(qū)域，采用4道傳力路徑（左右對稱：縱梁①及后承載地板下加強(qiáng)梁1-1），提供足夠的吸能；在輕微變形和非變形區(qū)域，采用5道橫梁（2-1、3-1、3-3、4-1、4-2）設(shè)計，改善縱梁變形穩(wěn)定性，同時加強(qiáng)側(cè)面?zhèn)髁?，減小側(cè)面追尾第三排座椅區(qū)域的變形；

（2）結(jié)果：

實(shí)際開發(fā)中按照以上策略，各主要路徑不失效，通過調(diào)整車身及相關(guān)結(jié)構(gòu)，不斷迭代，以達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。如表6所示，筆者開發(fā)某款車型在碰撞后，關(guān)鍵考察對象的狀況，供參考。

3 結(jié)論

在新能源市場蓬勃發(fā)展的背景下，消費(fèi)者對車輛安全性的要求日益提高，因此，加強(qiáng)車身碰撞安全設(shè)計，提升車輛安全性，已成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

本文分別對正面碰工況（FRB、SOB）、側(cè)面碰撞工況（MDB、柱碰）和80km/h后碰等典型工況提出了一系列被動安全設(shè)計的思路和方法，從可變性空間、傳力路徑、變形/吸能策略等方面，對筆者開發(fā)經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)合該策略，筆者已成功完成四款車身的安全開發(fā)，均實(shí)現(xiàn)了C-NCAP5星及C-IASI乘員保護(hù)G級的安全認(rèn)證。

另外，因為各車型的布置、結(jié)構(gòu)有多樣性，注定安全策略不是唯一的。本文旨在為廣大車身或安全開發(fā)者在制定與自身結(jié)構(gòu)契合的安全策略時提供一種參考思路。未來，我們將繼續(xù)深入研究新能源車輛的被動安全設(shè)計，為消費(fèi)者提供更加安全、可靠的出行解決方案。

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贠 濤

畢業(yè)于吉林大學(xué)，工業(yè)設(shè)計專業(yè)（車身方向），本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于嵐圖汽車科技有限公司，任車身開發(fā)領(lǐng)域總監(jiān)，主要從事白車身、開閉件、座椅、內(nèi)飾、外飾等方面的研究工作。專注于乘用車的車身開發(fā)近20年，所主持開發(fā)車型獲得過CNCAP最高分，曾獲中國十佳車身和中國車身大會特別榮譽(yù)獎；專利授權(quán)30項；獲得省級、行業(yè)級、公司級多項榮譽(yù)；獲武漢經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)“車谷產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才”稱號。

專家推薦語

楊 斌

本文以正面碰撞工況（FRB、SOB）、側(cè)面碰撞工況（MDB、柱碰）和80km/h后碰等5種典型工況，提出了主要針對動力總成布置在前機(jī)艙的混動車型的被動安全設(shè)計的思路和方法，并對純電車型應(yīng)對策略進(jìn)行了差異性論述，研究原理采用恰當(dāng)，技術(shù)路線清晰，邏輯結(jié)構(gòu)合理，相關(guān)數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠，該文對新能源乘用車的車身碰撞安全設(shè)計有較強(qiáng)的借鑒意義和應(yīng)用推廣價值。