胡智勇，劉忠剛，李 遠(yuǎn)，張建明，劉仲陽

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

安全性和環(huán)保性是當(dāng)今汽車發(fā)展的主要方向，當(dāng)人們在購買和使用汽車時，首要關(guān)注的就是與自身有密切相關(guān)的安全性能，提高汽車的安全性是汽車工業(yè)的主要任務(wù)。同時隨著地球能源的日益緊張和人們節(jié)能減排意識的日益提高，微型轎車由于能耗低、靈活性強(qiáng)，越來越受到人們的青睞。出于自身成本與設(shè)計的原因，微型轎車前艙的布置通常比較緊湊；如果刻意為了提高車身的安全性，傳統(tǒng)的設(shè)計方法需要增大車身的結(jié)構(gòu)，增加車身的重量和長度，這樣會造成影響到汽車整體布置。所以微轎的成功與否同安全性、整體布置之間的平衡有直接的關(guān)系。為了使微轎結(jié)構(gòu)更安全，性能更強(qiáng)大，車身前艙結(jié)構(gòu)勢必要進(jìn)行更多的創(chuàng)新與優(yōu)化。本文主要介紹汽車前艙中的一個部件——水箱橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 汽車的被動安全防護(hù)

被動安全是指車輛在發(fā)生不可避免的事故后，車體及約束系統(tǒng)對車內(nèi)乘員和在外行人進(jìn)行保護(hù)，使人員的傷害程度降到最低。

目前汽車上普遍采用的被動安全措施主要包括采用安全帶、安全氣囊等乘員約束系統(tǒng)來保護(hù)乘員；采用結(jié)構(gòu)緩沖與吸能措施來減少碰撞過程中乘員承受的碰撞能量。其中提高汽車碰撞安全吸能的一個主要方面就是改善汽車的結(jié)構(gòu)緩沖和吸能特性。它一般是靠設(shè)計具有較好變形吸能特性的安全車身結(jié)構(gòu)來吸收碰撞能量，即通常所說的“碰撞吸能結(jié)構(gòu)”。

1.1 碰撞吸能結(jié)構(gòu)

車身主要由薄板結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在正面碰撞中，車身縱梁在碰撞中承受主要的吸能與抵抗外力變形，一般縱梁吸能占總能的50%以上，所以，優(yōu)化縱梁的正面碰撞特性可以明顯改善縱梁的吸能特性，保證乘員的安全。 為了在發(fā)生碰撞時更好地保護(hù)車內(nèi)乘客的安全，轎車車身的前后還設(shè)計有變形區(qū)，或者稱之為吸能區(qū)。以便保證在發(fā)生碰撞時，轎車車身的變形能夠按照預(yù)先設(shè)計的方向逐漸變形直至停車，從而盡量減小傳遞到乘客艙和乘客身體的沖擊，減小乘客艙的變形，保障車內(nèi)乘客安全。設(shè)計變形吸能區(qū)時，需要在車身上設(shè)計一些強(qiáng)度比較小的區(qū)域。在發(fā)生碰撞時這些區(qū)域會斷裂或者發(fā)生折疊，而不會向乘客艙方向擠壓。經(jīng)過精確設(shè)計變形吸能區(qū)的轎車，可以準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)生碰撞時車身的變形方向和程度。

1.2 吸能區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

通過設(shè)計人員多年的研究與分析，汽車碰撞吸能結(jié)構(gòu)方面也取得了大量的成果，以下是幾條通用的設(shè)計原則：

（1）碰撞過程中，能量吸收結(jié)構(gòu)的變形模式應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，具有可重復(fù)性和可靠性，即吸能結(jié)構(gòu)在隨機(jī)的碰撞事件中能以相對固定的模式吸收碰撞能量。

（2）在能量吸收過程中，應(yīng)控制質(zhì)心加速度以保護(hù)乘員的安全，將加速度引起的慣性力過載控制在人體傷害極限范圍內(nèi)；

（3）為了吸收更多的總動能，吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)提供盡量多的變形行程，而且在變形前不占據(jù)過大的空間，變形后不造成次生破壞（例如侵穿或碎片飛裂等）；

（4）出于節(jié)能的要求，裝置在汽車上的能量吸收結(jié)構(gòu)應(yīng)該質(zhì)量較輕，具有良好“比吸能”，即單位質(zhì)量所吸收能量較高；

（5）能量吸收裝置通常是一次性使用結(jié)構(gòu)，成本低廉，易于制造和更換。

現(xiàn)代轎車的變形吸能設(shè)計通常為盒狀吸能區(qū)結(jié)構(gòu)，吸能盒是一個封閉的腔體（見圖1），并分布有潰縮筋，布置在防撞梁后面，起緩沖作用。

2 微轎水箱安裝橫梁的優(yōu)化

汽車水箱安裝橫梁通常布置在汽車前艙中的前部，它的主要作用是安裝固定汽車散熱水箱，同時對汽車正碰時產(chǎn)生的碰撞力給予分解與緩沖。

對于微型轎車，由于車型的限制，前發(fā)動機(jī)艙的結(jié)構(gòu)改進(jìn)幅度只能是漸進(jìn)式。為了充分挖掘水箱安裝橫梁的功能性，提高車身正碰的安全性，對水箱安裝橫梁的結(jié)構(gòu)有針對性的進(jìn)行了兩方面的優(yōu)化：

（1）在可控制加長車身的情況下，增加吸能區(qū)結(jié)構(gòu)；

（2）減少與車身的固定連接點(diǎn)，增加前發(fā)動機(jī)艙的使用空間（見圖2）。

2.1 新增吸能區(qū)結(jié)構(gòu)的CAE分析

根據(jù)吸能區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，在水箱安裝橫梁的下部左右安裝處各增加了一個盒狀的吸能結(jié)構(gòu)，吸能盒結(jié)構(gòu)上設(shè)置有潰縮筋，同時水箱橫梁的支撐板由板狀改為槽裝結(jié)構(gòu)，與吸能盒一起作為碰撞吸能區(qū)對碰撞力進(jìn)行緩沖。經(jīng)過對改進(jìn)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行車身碰撞CAE分析對比，可以得到加速度（Acc.）、速度（Vel.），左、右側(cè)曲線圖見圖 3、圖 4。

首先，在加速度曲線對比圖中可以看到：改進(jìn)后的方案達(dá)到的第一峰值和第二峰值均比改進(jìn)前方案有大幅度的減低；其次，在速度曲線圖對比圖中可以看到：改進(jìn)后的方案在速度降到0 km/h時所用的時間長于改進(jìn)前的方案。綜合對比可以得出結(jié)論：由于增加吸能區(qū)結(jié)構(gòu)的因素，對碰撞力產(chǎn)生了緩沖和吸收，可以使車身受到的碰撞動能有明顯的減少。

為更直觀的觀察車身受力變形情況，進(jìn)行車身變形CAE的分析，根據(jù)不同時間點(diǎn)對前車身碰撞左視圖進(jìn)行觀察（見圖5）。

由圖5可以看出在0.012秒前，車身受到的動能充分作用在吸能區(qū)結(jié)構(gòu)上，當(dāng)吸能區(qū)變形結(jié)束后，才將碰撞力傳給縱梁。所以，在車身碰撞開始階段，吸能區(qū)將大量動能進(jìn)行吸收，從而降低了車身的碰撞峰值力，減輕了碰撞傷害。

2.2 獨(dú)立簡潔的水箱安裝橫梁結(jié)構(gòu)

在改進(jìn)車身被動安全性能的同時，綜合考慮了水箱安裝橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)簡化，平衡因新增吸能區(qū)而增加車身重量。

設(shè)計該水箱安裝橫梁結(jié)構(gòu)為獨(dú)立的門式結(jié)構(gòu)（見圖6），上部安裝固定汽車散熱水箱1，下部與車身連接固定處集成了吸能盒結(jié)構(gòu)2，吸能盒的前部使用螺栓固定前防撞加強(qiáng)梁3。

由于在結(jié)構(gòu)中集成了吸能盒結(jié)構(gòu)2，水箱橫梁支撐板4由板狀結(jié)構(gòu)變成槽狀結(jié)構(gòu)，使水箱安裝橫梁在車身X方向上的穩(wěn)定性大大增加。同時通過水箱安裝板5的焊接，與水箱上橫梁6及水箱橫梁支撐板4形成三角加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，保證了水箱安裝橫梁的強(qiáng)度，進(jìn)而取消傳統(tǒng)的輪罩板與水箱安裝橫梁連接方式，使其結(jié)構(gòu)簡化緊湊，在保證水箱安裝橫梁強(qiáng)度的同時，達(dá)到輕量化、增加前艙安裝空間的目的。

3 結(jié)論

通過對水箱安裝橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在可控的增加車身長度下，可以大幅度提升車身安全性，同時簡化了車身結(jié)構(gòu)，改善前發(fā)動機(jī)艙的空間布置，降低了整車的成本，對微型轎車的性能有重要的提升作用。

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