寇青林，王宜海，張鐵凱，張 勇

（1.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.南通友星線束有限公司，江蘇 南通 226009）

汽車行人保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，是一項(xiàng)基于保護(hù)行人安全的汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。C-NCAP是China-New Car Assessment Program（中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程）的縮寫。C-NCAP是將在市場(chǎng)上購(gòu)買的新車型按相關(guān)要求進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試，評(píng)價(jià)結(jié)果按星級(jí)劃分并公開發(fā)布，旨在給消費(fèi)者系統(tǒng)、客觀的車輛信息，促使企業(yè)按照更高的安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和生產(chǎn)，從而有效減少道路交通事故的傷害及損失。

C-NCAP要求對(duì)一種車型進(jìn)行車輛速度50km／h對(duì)剛性固定壁障100%重疊率的正面碰撞、車輛速度64 km／h對(duì)可變形壁障40%重疊率的正面偏置碰撞、可變形移動(dòng)壁障速度50 km／h與車輛的側(cè)面碰撞等3種碰撞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)試驗(yàn)得分和總分，由總分多少確定星級(jí)。評(píng)分規(guī)則非常細(xì)致嚴(yán)格，最高得分為51分，星級(jí)最低為1星級(jí)，最高為5+。

考慮到C-NCAP法規(guī)的要求，目前新車型的研發(fā)階段就要考慮整車對(duì)行人的傷害值。在汽車與行人碰撞過(guò)程中，行人的頭部會(huì)撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)艙與前風(fēng)窗玻璃之間的刮水器輸出軸，若該輸出軸非常堅(jiān)硬，就會(huì)刺進(jìn)被撞行人的頭部，從而造成嚴(yán)重傷害，C-NCAP會(huì)依據(jù)該傷害進(jìn)行扣分。刮水器輸出軸在碰撞時(shí)對(duì)行人的傷害和如何優(yōu)化輸出軸結(jié)構(gòu)減輕傷害是本文研究的重點(diǎn)。

1 模型的建立和行人保護(hù)頭型試驗(yàn)

本文就兒童頭部的模型碰撞進(jìn)行分析，具體參考C-NCAP要求，在兒童頭部的碰撞區(qū)域內(nèi)選取21個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬點(diǎn)傷害值分析。

1.1 碰撞模型的建立

頭部模型如圖1所示，它的參數(shù)如下：①直徑為165±1 mm， 質(zhì)量為3.5±0.07 kg； ②慣性矩0.008~0.012kgm2；③質(zhì)心 （頭型幾何中心）偏差在±2mm內(nèi)；④球體皮膚14±0.5 mm厚；⑤覆蓋面積至少為球體的一半。

圖2為頭部模型與整車前艙機(jī)蓋做碰撞時(shí)的示意圖。

1.1.1 碰撞區(qū)域的劃分和傷害值的要求

按照法規(guī)要求選取發(fā)動(dòng)機(jī)罩WAD1000到WAD1700（WAD： 包絡(luò)線）的區(qū)域進(jìn)行兒童頭部分析，選取WAD1700到發(fā)動(dòng)機(jī)后參考線區(qū)域進(jìn)行成人頭部碰撞分析，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)后參考線在WAD1700前端，所以無(wú)成人頭部碰撞區(qū)域，碰撞區(qū)域劃分如圖3所示。

法規(guī)要求2／3測(cè)試區(qū)域內(nèi)傷害值HIC<1700（HIC：頭部傷害指標(biāo)），1／2兒童頭部測(cè)試區(qū)域傷害值HIC<1000。

1.1.2 碰撞區(qū)域碰撞點(diǎn)的選取

選點(diǎn)原則：通過(guò)斷面比對(duì)，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)罩沿著碰撞方向有可能與發(fā)動(dòng)機(jī)艙硬點(diǎn)接觸的點(diǎn)及危險(xiǎn)點(diǎn)作為分析的參考點(diǎn)，選取點(diǎn)如圖4所示。

由圖4可知，刮水器的兩個(gè)輸出軸已經(jīng)作為危險(xiǎn)點(diǎn)被選在了測(cè)試范圍內(nèi)，分別為C13和C19。選取的各個(gè)測(cè)試硬點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。后面將會(huì)對(duì)這選取的21個(gè)硬點(diǎn)進(jìn)行傷害值的模擬測(cè)試。

1.2 硬點(diǎn)的傷害值測(cè)試

通過(guò)對(duì)選取的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真，就可以得出各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的傷害值曲線圖，如圖5所示。

以JAC正在研發(fā)的某車型為例，如果采用傳統(tǒng)的刮水器輸出軸 （非潰縮結(jié)構(gòu)），兩個(gè)輸出軸的傷害值分別為：C13的HIC=3 481，C19的HIC=1 816，都不能滿足法規(guī)規(guī)定的HIC小于1700的要求。

表1 選取的硬點(diǎn)坐標(biāo)圖

由圖6可知，在選取的21個(gè)硬點(diǎn)中，刮水器輸出軸的硬點(diǎn)傷害值不能滿足行人保護(hù)的法規(guī)要求，下面就對(duì)這兩個(gè)硬點(diǎn)的結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行分析。

1.3 輸出軸的傷害值分析

由圖7可知，刮水器輸出軸的硬點(diǎn)傷害值過(guò)大，是由于碰撞時(shí)輸出軸對(duì)頭部模型有了一定的入侵量，而且硬點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)潰縮和斷裂。所以為了滿足法規(guī)的需求，需要對(duì)刮水器輸出軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 刮水器潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮水器常用的潰縮結(jié)構(gòu)是弱化輸出軸的結(jié)構(gòu)，目的是在刮水器輸出軸受到一定外力的情況下刮水器輸出軸硬點(diǎn)能夠向下潰縮，降低兩個(gè)輸出軸對(duì)行人頭部的傷害。

2.1 速度螺母的結(jié)構(gòu)

將速度螺母設(shè)計(jì)成輸出軸在一定壓力下可以下沉，這個(gè)壓力低于5.5 kN，具體是沿軸向的分力達(dá)到2.7±0.5 kN左右，輸出軸的速度螺母斷裂，輸出軸即會(huì)下沉，和軸承座斷裂可以起到一樣的行人保護(hù)效果。

如圖8所示，速度螺母是刮水器輸出軸的限位機(jī)構(gòu)。當(dāng)刮水器正常工作時(shí)，速度螺母可以滿足輸出軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)而不會(huì)出現(xiàn)脫落。當(dāng)在輸出軸施加外力時(shí)，結(jié)構(gòu)弱化過(guò)的速度螺母就會(huì)斷裂，輸出軸會(huì)在瞬間向下移動(dòng)。

2.2 速度螺母的設(shè)計(jì)

速度螺母的設(shè)計(jì)要點(diǎn)要能夠滿足兩個(gè)條件，即在5.5kN的外力作用下，刮水器輸出軸在要求的時(shí)間內(nèi)，向下潰縮的位移量能夠滿足傷害值HIC小于1 700?；谝陨系囊?，速度螺母的設(shè)計(jì)要求如下：①速度螺母能夠在要求的外力2.7 kN壓力下發(fā)生脫離，輸出軸受力和速度螺母的水平位移曲線圖如圖9所示；②速度螺母能夠滿足刮水器的正常功能和可靠性指標(biāo)。

2.3 速度螺母的脫離測(cè)試

測(cè)試目的：驗(yàn)證速度螺母能否滿足2.2節(jié)所述的設(shè)計(jì)要求，即速度螺母能否在規(guī)定的時(shí)間和外力下脫離輸出軸，保證輸出軸硬點(diǎn)能夠下移。

2.3.1 測(cè)試的條件

1）環(huán)境條件 測(cè)試溫度：TU=TR=23±5℃；濕度：30%~80%。

2）測(cè)試工具 拉壓試驗(yàn)機(jī)和測(cè)試夾具，如圖10所示。

2.3.2 測(cè)試的方法

1）測(cè)試準(zhǔn)備：把夾具安裝在拉壓試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整夾具，并把樞軸放置在拉壓試驗(yàn)機(jī)傳感器測(cè)頭正中央，同時(shí)確保傳感器測(cè)頭與樞軸垂直。速度螺母的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。

2）測(cè)試過(guò)程：運(yùn)行拉壓試驗(yàn)機(jī)壓樞軸直到速度卡簧脫離樞軸，檢查樞軸套并記錄速度卡簧脫離時(shí)拉壓試驗(yàn)機(jī)施加的壓力。

3）測(cè)試結(jié)果：樞軸套不能出現(xiàn)損壞、裂痕或者變形，速度卡簧脫離時(shí)的壓力應(yīng)該滿足刮水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 方案的結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)以上的優(yōu)化改進(jìn)后，該方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果如圖12和圖13所示。

在2.7kN的外力作用下，副刮硬點(diǎn)C13的傷害值HIC由改進(jìn)前的3481降為改進(jìn)后的1199，主刮硬點(diǎn)C19的傷害值HIC由改進(jìn)前的1 816降為改進(jìn)后的848，都能滿足法規(guī)HIC＜1700的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)行人保護(hù)法規(guī)校核方法的分析研究，對(duì)不滿足行人保護(hù)法規(guī)的刮水器輸出軸結(jié)構(gòu)做了潰縮處理，并對(duì)核心部件的設(shè)計(jì)和測(cè)試進(jìn)行了說(shuō)明。再對(duì)改進(jìn)后的刮水器輸出軸做了傷害值校核，此種潰縮結(jié)構(gòu)可以滿足行人保護(hù)法規(guī)的設(shè)計(jì)要求。

［1］李向榮.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩兒童行人保護(hù)安全性仿真研究［J］.汽車工程，2010（1）：56-59.

［2］孔美東.車載雨刮智能控制系統(tǒng)［J］.電工電氣，2009（12）：31-33. （編輯李 翩）