無B柱車身的碰撞安全策略開發(fā)淺析

摘 要：文章通過具體案例闡述了無B柱車身在正面碰撞、側(cè)面碰撞、頂壓、柱碰過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路以及分析了安全碰撞性能提升的開發(fā)策略。

關(guān)鍵詞：無B柱車身 碰撞策略 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 緒論

為了提升乘員的進(jìn)出便利性，給用戶帶來更好的乘坐體驗(yàn)，無B柱車身的開發(fā)成了整車開發(fā)的一種新趨勢，它能讓乘客直接坐進(jìn)車內(nèi)，而不是鉆進(jìn)去，同時(shí)可以給智能座艙帶來更多的使用場景，支持座椅180°旋轉(zhuǎn)，給整車營造辦公和家居的感受。但因無B柱，整個(gè)門洞尺寸是有B柱車型的兩倍以上，對(duì)車身剛度、尤其是其安全性能的開發(fā)成為阻礙該項(xiàng)開發(fā)的重要的技術(shù)難點(diǎn)之一，制約了無B柱車身量產(chǎn)化的進(jìn)程。

車身B柱對(duì)整車剛度以及前部、側(cè)面碰撞的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要作用，同時(shí)提供門鉸鏈和鎖的安裝結(jié)構(gòu)和有效支撐。無Ｂ柱車身，對(duì)于控制A柱上邊梁在小偏置碰中的變形及相關(guān)聯(lián)的A柱底部的侵入量都帶來了極大的挑戰(zhàn)，就如拱橋結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于把中間的橋墩取消，拱橋的跨度越大，技術(shù)難度越大。

本文主要從碰撞路徑搭建，及關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)運(yùn)用為出發(fā)點(diǎn)，提供了無B柱車身滿足C-NCAP的五星要求及CIASI耐撞性的G的水平評(píng)價(jià)的達(dá)成路徑和方法。

2 碰撞安全策略開發(fā)

隨著車輛的普及和汽車保有量在中國的逐步提升，汽車安全受到越來越多的關(guān)注，CNCAP對(duì)于被動(dòng)安全的要求也在逐步提升，對(duì)于碰撞安全測試試驗(yàn)，2023年以來在碰撞速度、壁障重量和類型上都進(jìn)行了加嚴(yán)，從而對(duì)安全性能的達(dá)成又增加了新的挑戰(zhàn)。如正面碰撞速度由原來的50km/h增加到56km/h，側(cè)面碰撞速度由原來的50km/h增加到60km/h，壁障質(zhì)量由1.4t增加到1.7t[1]，由能量公式 E=1/2mv2可知，其碰撞能量的增加不容小覷。而對(duì)于電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池系統(tǒng)碰撞安全性研究尤為重要[2]。側(cè)柱碰對(duì)電安全性能的特別要求，使碰撞位置覆蓋整個(gè)電池區(qū)域，尤其給無B柱車身的側(cè)面安全增添了更高難度。

因此，更高的要求，需要更好的設(shè)計(jì)，分別從結(jié)構(gòu)布局、材料及工藝選擇出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而才能達(dá)到一個(gè)高碰撞性能的車身。

2.1 正面碰撞安全策略開發(fā)

通過開發(fā)雙重正面防撞系統(tǒng)，采用雙重吸能結(jié)構(gòu)+雙重抗形變結(jié)構(gòu)組成的新型防撞系統(tǒng)，即使在較短前懸的前提下，也能在正碰過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

雙重吸能結(jié)構(gòu)由連接縱梁的上層防撞梁和增加吸能盒的下層防撞桿組成，如圖2所示綠色部件，通過選用高強(qiáng)度7系鋁合金作為前防撞梁，兼顧了車身輕量化和碰撞潰縮卸力需求。截面采用日字型設(shè)計(jì)，相比主流口字型防撞鋼梁，抗沖擊能力提升30%以上，有效潰縮變形吸收碰撞能量。而雙重抗變形結(jié)構(gòu)是由上部梯形結(jié)構(gòu)和下部桁架結(jié)構(gòu)（圖2中金色部件）組成，抵御碰撞對(duì)乘員艙的入侵。上部梯形結(jié)構(gòu)連接兩側(cè)車身框架，讓粗壯的側(cè)框結(jié)構(gòu)提前參與抵御正面沖擊，如圖3（a）所示；下部桁架結(jié)構(gòu)為類似鋼桁架橋結(jié)構(gòu)的多個(gè)穩(wěn)定三角支撐梁，在乘員艙前部下底板支撐經(jīng)由縱梁傳遞而來的正面沖擊。具體結(jié)構(gòu)及傳力路徑如下。

同時(shí)，該正面防撞系統(tǒng)將碰撞過程中力的傳遞路徑分配為上下兩部分，上部路徑通過防撞梁-左右前縱梁-前圍下橫梁-中通道+前圍上橫梁-CCB管梁實(shí)現(xiàn)，下部路徑通過副車架-門檻+電池包防護(hù)梁實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

與傳統(tǒng)車型相比，在該系統(tǒng)中，通過合理規(guī)劃碰撞路徑，對(duì)碰撞力進(jìn)行分解，將碰撞力大部分從地板部分進(jìn)行傳遞，較少的力通過上部的A柱上邊梁進(jìn)行傳遞。從而確保A柱上邊梁在碰撞過程中，不發(fā)生折彎甚至不變形，從而最大程度減少乘員艙侵入量。增加的上部梯形防撞結(jié)構(gòu)由前圍上橫梁、斜撐結(jié)構(gòu)、CCB管梁等部件構(gòu)成，確保上部通過A柱將力向上部傳遞，將左右前減震器座設(shè)計(jì)一根焊接橫梁結(jié)構(gòu)（1），極大提高了車身的前部扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)在前減震器上部與A柱中間部位增加一個(gè)斜撐結(jié)構(gòu)（2），并與橫梁（1）及CCB（3），形成了這個(gè)獨(dú)特新穎的上部梯形支撐結(jié)構(gòu)。在縱梁根部，設(shè)計(jì)有“人”結(jié)構(gòu)的兩根斜梁結(jié)構(gòu)（4-1、4-2），且兩個(gè)4-2的斜撐梁與前艙的下橫梁（5）形成一個(gè)倒三角型結(jié)構(gòu)。將縱梁的力分別分解到門檻和中央通道。在電池包內(nèi)的中間部位設(shè)計(jì)有一根縱梁（6），與前地板中央通道（7），構(gòu)建成中間傳遞路徑，并能夠約整個(gè)碰撞30%的力。

因此，通過傳遞路徑的集成化，借助儀表橫梁對(duì)A柱下部提供有力的支撐，在前減震器座和A柱之間增加一個(gè)斜撐，形成一個(gè)碰撞支撐梯形，提供了車身的碰撞區(qū)域的穩(wěn)定性。將車身中央通道與電池包連接一個(gè)整體，形成整體碰撞路徑，不但獲得了很好的碰撞性能，還提高了系統(tǒng)的輕量化水平。

2.2 側(cè)面碰撞安全策略開發(fā)

通過開發(fā)超級(jí)側(cè)方盔甲系統(tǒng)，以超高強(qiáng)度鋼A柱-熱氣脹無縫鋼管上邊梁-超高強(qiáng)度鋼C柱-多層鋼鋁門檻梁為車身基礎(chǔ)部件以及行業(yè)首創(chuàng)隱藏式雙B柱、門內(nèi)橫梁的側(cè)面門系統(tǒng)共同構(gòu)成了高強(qiáng)度的側(cè)方防撞系統(tǒng)，如圖8（a）和8（b）所示。

該系統(tǒng)將側(cè)門系統(tǒng)和車身設(shè)計(jì)有效結(jié)合，形成一個(gè)有效抵抗變形的結(jié)構(gòu)。將B柱集成在車門中，即在門系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)隱藏雙B柱，并引用全球先進(jìn)的熱氣漲成型技術(shù)，與車身有效結(jié)合，并結(jié)合車門防撞梁結(jié)構(gòu)，與車身形成上下及前后鎖止結(jié)構(gòu)，對(duì)側(cè)面碰撞提供強(qiáng)有力的支持，確保側(cè)面碰撞滿足CNCAP新側(cè)碰要求。隱藏式B柱采用3.5mm料厚2000MPa高強(qiáng)度熱氣脹型成型管，同時(shí)通過防真，在碰撞比較苛刻部位設(shè)計(jì)防脫開機(jī)構(gòu)，保證門能夠提供更大的鎖止力，防止門內(nèi)的虛擬B柱與車身在碰撞過程中滑脫。6套門鎖系統(tǒng)與車身形成互鎖，如圖9所示。車門互鎖設(shè)計(jì)類似傳統(tǒng)”榫卯“結(jié)構(gòu)（多見于故宮、懸空寺），雖無實(shí)體連接之名卻有連接強(qiáng)度之實(shí)，從而形成側(cè)面保護(hù)的鋼盔鐵甲。

與此同時(shí)，統(tǒng)籌電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共同構(gòu)筑鋼鋁三層門檻，由外至內(nèi)提供逐級(jí)保護(hù)。外層門檻采用7mm厚的6系蜂窩鋁材，碰撞時(shí)能夠最大程度潰縮，緩沖吸能；內(nèi)層門檻采用坦克裝甲級(jí)1500MPa多層超高熱成型鋼材料，軍車級(jí)大梁籠式結(jié)構(gòu)，每平方厘米能夠承受15噸重量，頂住碰撞沖擊不變形；第三層門檻采用鋁合金材質(zhì)，使用行業(yè)罕見的雙排多點(diǎn)大螺栓連接機(jī)構(gòu)將電池包與車身集成一體，大大提升碰撞縱深及承載強(qiáng)度，將電池包穩(wěn)穩(wěn)固定，避免二次受損。門檻整體縱深180mm，長度2200mm，如圖10所示。

與傳統(tǒng)動(dòng)力電池的單排掛載結(jié)構(gòu)相比，該系統(tǒng)將電池包與車身在側(cè)面布置兩排安裝點(diǎn)，如圖11所示，第一排安裝點(diǎn)將電池包外殼體作為吸能的一部分；第二排安裝點(diǎn)與車身門檻內(nèi)側(cè)連接在一起，提升門檻的抗彎性能，確保電芯在碰撞中不被擠壓，從而將動(dòng)力電池與車身緊密連接，使得電池包的安全結(jié)構(gòu)與車身安全結(jié)構(gòu)高度結(jié)合。

2.3 頂壓策略開發(fā)

頂橫梁采用Y向支撐，如圖12所示。頂壓載荷分別向前橫梁、上邊梁、后A柱三個(gè)方向分解，使整個(gè)車身都參與力的傳遞，均衡合理的傳遞路徑，確保頂壓承重基礎(chǔ)。相比拼焊腔體結(jié)構(gòu)，一體成型的熱氣脹管梁結(jié)構(gòu)連續(xù)性更好，熱氣脹管梁長度達(dá)1900mm，可將頂壓載荷沿X向分解的力直接傳遞到C柱，共同承擔(dān)來自頂部的壓力。車頂承重試驗(yàn)在第一側(cè)載荷達(dá)到車重 4 倍的情況下，再進(jìn)行第二側(cè)的試驗(yàn)，第二側(cè)載荷最高達(dá)到 130kN，可承重 13噸，是自身車重的 4 倍。

2.4 小偏置碰撞策略開發(fā)

正面25%的小偏置碰撞作為最嚴(yán)苛的正面碰撞測試，其試驗(yàn)結(jié)果往往可以代表整車整體正面碰撞的性能[3]，因此，小偏置碰性能具有重要研究意義。本方案小偏置碰撞中前防撞梁端部增加碰撞受力支撐，在碰撞初期可產(chǎn)生Y向偏轉(zhuǎn)位移，減少避障對(duì)車身的侵入量，如圖13所示。

同時(shí)，結(jié)合小偏置碰撞能量傳遞路徑，在前輪罩后部和門檻交界處增加兩個(gè)鋁擠出件，兩個(gè)零件以L型結(jié)構(gòu)焊接而成，與門檻和車身以螺栓連接，以抵抗碰撞中對(duì)乘員艙的侵入，如圖14所示。

摒棄傳統(tǒng)的等分六宮格設(shè)計(jì)，結(jié)合仿真中力的傳遞路徑，將等分的六宮格變更為不等分結(jié)構(gòu)，如圖15所示，最大程度吸收碰撞能量，減少X向侵入量，仿真分析結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖16所示。

2.5 正柱碰策略開發(fā)

如圖17柱碰壁障方式，將防撞梁與吸能盒通過螺栓連接，兩側(cè)依靠抵抗變形的加強(qiáng)筋和誘導(dǎo)變形的潰縮筋相互配合，在柱碰過程中，防撞梁與吸能螺栓連接處可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，前縱梁與吸能盒會(huì)進(jìn)行折彎，從而最大程度的吸收碰撞能量，防止防撞梁斷裂，提升正柱碰性能。

3 結(jié)論

綜上所述，通過雙重正面防撞系統(tǒng)、超級(jí)側(cè)方盔甲系統(tǒng)、頂部Y向支撐結(jié)構(gòu)、小偏置碰導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、正柱碰的吸能策略等等成就了無B車車身較好的碰撞安全性能，為車身設(shè)計(jì)人員提供新的思路和方法，共創(chuàng)極致安全的出行體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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