王月，龔潔，孫立志，肖海濤，周大永,2, 劉衛(wèi)國,2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江杭州 311228；2.浙江省汽車安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

?

某車型正面偏置碰撞中油門踏板問題優(yōu)化分析

王月1，龔潔1，孫立志1，肖海濤1，周大永1,2, 劉衛(wèi)國1,2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江杭州 311228；2.浙江省汽車安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

某車型在64 km/h正面40%偏置碰撞試驗(yàn)中，出現(xiàn)油門踏板斷裂問題，對乘員保護(hù)不利。對其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，主要為油門踏板支架自身強(qiáng)度偏低和油門踏板安裝點(diǎn)位置抗斷裂能力偏低所引起的。針對該問題，通過優(yōu)化油門踏板支架結(jié)構(gòu)和調(diào)整油門踏板安裝點(diǎn)底座的材料，使得油門踏板支架強(qiáng)度和安裝點(diǎn)位置的強(qiáng)度得到提高。運(yùn)用Hyperworks及LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后踏板支架的強(qiáng)度得到明顯改善，變形量減小了5 mm。經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，乘員的小腿傷害也得到改善，小腿部位得分提高1.2分，因此油門踏板位置的優(yōu)化對乘員起到很好的保護(hù)作用，說明所提的優(yōu)化方案合理。同時(shí)，運(yùn)用CAE軟件進(jìn)行優(yōu)化分析可以有效縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。

油門踏板；強(qiáng)度；試驗(yàn)研究；偏置碰撞；優(yōu)化

Automobile Safety Technology,Hangzhou Zhejiang 311228,China)

0 引言

近年來，隨著汽車保有量的增加，交通事故的發(fā)生也隨之增多，因此提高汽車安全性、降低交通事故是設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)[1]。車輛某一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷都將直接影響到車輛的整體安全性能。在C-NCAP中對車輛關(guān)鍵位置在碰撞試驗(yàn)中的變形情況進(jìn)行規(guī)定和限制，以最大限度地保證車輛的安全性能。如：A柱、轉(zhuǎn)向管柱、踏板等。具體要求如表1、2所示。

表1 踏板上移量罰分要求

表2 踏板后移量罰分要求

同時(shí)法規(guī)規(guī)定：如果某踏板被設(shè)計(jì)成在碰撞過程中完全從其固定點(diǎn)脫落，且在試驗(yàn)中脫落并且沒有產(chǎn)生明顯的移動(dòng)阻力，則不罰分[2]。

作者針對某車型在進(jìn)行正面40%可變形壁障偏置碰撞中出現(xiàn)的油門踏板在安裝位置斷裂的問題進(jìn)行分析，并對存在的問題進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證避免了在C-NCAP評價(jià)中出現(xiàn)的罰分問題，提高了車輛的安全性能。

1 問題描述及分析

1.1 問題描述

圖1 試驗(yàn)后圖片

某車型在進(jìn)行正面40%可變形壁障偏置碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)油門踏板在安裝點(diǎn)位置斷裂的現(xiàn)象， C-NCAP中規(guī)定：如果某踏板被設(shè)計(jì)成在碰撞過程中完全從其固定點(diǎn)脫落，且在試驗(yàn)中脫落并且沒有產(chǎn)生明顯的移動(dòng)阻力，則不罰分。因此該車型在進(jìn)行C-NCAP評價(jià)中存在罰分的問題，試驗(yàn)后圖片如圖1。

1.2 問題原因分析

1.2.1 踏板結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)出現(xiàn)的問題，對踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行對標(biāo)分析，見表3，分析發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安裝點(diǎn)位置厚度7 mm，參考車型安裝點(diǎn)位置厚度較現(xiàn)有試驗(yàn)車輛大。初步評估現(xiàn)有踏板安裝點(diǎn)位置強(qiáng)度較弱，對油門踏板斷裂問題的發(fā)生存在影響。

表3 不同車型油門踏板對比

圖2 試驗(yàn)裝置圖

對油門踏板安裝點(diǎn)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方式采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過試驗(yàn)測量安裝點(diǎn)位置出現(xiàn)斷裂所需要的力的大小，評估試驗(yàn)車輛安裝點(diǎn)位置的強(qiáng)度。

試驗(yàn)方法：將油門踏板固定于試驗(yàn)臺(tái)上，安裝方式與實(shí)車相同，對其安裝面位置加載，如圖2所示。

對不同結(jié)構(gòu)及厚度的踏板底座進(jìn)行三點(diǎn)壓彎試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖3所示。從表4中可以發(fā)現(xiàn)：該車型踏板抗斷裂力為3.0 kN，相對其他車型偏低。

圖3 不同車型試驗(yàn)結(jié)果

踏板類型AB現(xiàn)有車底座厚度/mm1077底座材料PA66-GF30PA66-GF30PP-GF50斷裂力/kN5.55.23.0

1.2.2 踏板支架結(jié)構(gòu)分析

對碰撞試驗(yàn)后的車輛踏板支架的變形情況進(jìn)行掃描分析，如圖4所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn): 問題車輛3個(gè)安裝點(diǎn)及最大變形較大，如表5所示，其中存在問題的車輛最大變形為5.7 mm，試驗(yàn)中不存在問題的車輛變形為4.5 mm，相對變形相差1.2 mm，上下安裝點(diǎn)之間變形角度偏差7.8°，差別較大、因此得出踏板支架強(qiáng)度較低、對踏板在安裝點(diǎn)位置出現(xiàn)斷裂問題存在較大影響的結(jié)論。

圖4 試驗(yàn)后結(jié)果

1與2之間角度/(°)2與3之間角度/(°)1與3之間角度/(°)最大變形/mm問題車輛16.48.59.85.7無問題車輛8.85.212.74.5

2 模擬分析及優(yōu)化方案

2.1 仿真模型

使用整車計(jì)算輔助工程(CAE)進(jìn)行正面偏置碰撞分析，模型采用可變形壁障在與試驗(yàn)相同條件下以64 km/h的速度進(jìn)行碰撞。模型搭建采用前處理軟件Hypermesh，具體模型如圖5所示。碰撞采用LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果采用后處理軟件Hyperview和Hypergraph，能量關(guān)系如圖6所示。

圖5 正面偏置碰撞模型

圖6 能量關(guān)系

其中沙漏能占總能量的3%，小于5%的要求，模型求解具有參考意義[3-6]。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)：踏板支架仿真出現(xiàn)與試驗(yàn)相同的變形趨勢，中間位置相對變形較大。

圖7 踏板支架CAE變形情況

2.2 優(yōu)化方案

通過對問題點(diǎn)的分析，得出踏板與踏板支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對踏板在安裝點(diǎn)位置出現(xiàn)斷裂均存在影響，因此，分別對油門踏板結(jié)構(gòu)及油門踏板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化。

2.2.1 油門踏板支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于試驗(yàn)后踏板相對變形較大，為5.7 mm，對踏板安裝點(diǎn)位置出現(xiàn)斷裂存在較大影響，因此需對踏板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。重新設(shè)計(jì)踏板支架結(jié)構(gòu)，提高踏板支架抗變形的能力，如圖8所示。

材料由B240ZK提高到B280VK，厚度由原來的1.5 mm調(diào)整到1.8 mm。通過材料性能的對比分析(如表6所示)，踏板支架的強(qiáng)度得到明顯提高。

圖8 結(jié)構(gòu)修改前后比較

表6 B240ZK和B280VK材料對比分析結(jié)果

2.2.2 油門踏板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后比較

通過油門踏板結(jié)構(gòu)分析及零部件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其踏板底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。因此修改其踏板底座的結(jié)構(gòu)和材料，結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9所示。從表7發(fā)現(xiàn)：修改后材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度明顯提高，同時(shí)經(jīng)過零部件試驗(yàn)驗(yàn)證，抗斷裂力較原結(jié)構(gòu)明顯增加?？紤]到踏板對乘員腿部的影響，將新踏板踏板臂設(shè)計(jì)為可斷裂結(jié)構(gòu)，如圖10示。

表7 PP-GF50和PA66-GF40材料對比分析結(jié)果

圖10 斷裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 優(yōu)化結(jié)果分析評定

3.1 油門踏板支架仿真結(jié)果分析

將優(yōu)化結(jié)果放到整車碰撞仿真模型中分析踏板支架的相對變形量，從圖11—12可以看出：優(yōu)化前踏板上下固定點(diǎn)相對變形為10 mm，優(yōu)化后相對變形為2.5 mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)相對變形明顯降低，對碰撞結(jié)果有利。

圖11 基礎(chǔ)結(jié)果

圖12 優(yōu)化結(jié)果

3.2 油門踏板結(jié)構(gòu)分析

對新的油門踏板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，可以看出：踏板的抗斷裂力由原來的3 kN提高到5.5 kN，抗斷裂性能明顯提高。

圖13 新踏板試驗(yàn)結(jié)果

4 整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

將新結(jié)構(gòu)的油門踏板支架和新結(jié)構(gòu)的油門踏板裝配到整車中，進(jìn)行正面40%偏置碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖14—15所示，可以看出：試驗(yàn)后踏板底座整體及踏板安裝點(diǎn)位置未出現(xiàn)斷裂，踏板臂在設(shè)計(jì)斷裂的位置出現(xiàn)斷裂，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 踏板支架及底座變形情況

圖15 踏板臂斷裂情況

踏板位置的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，對車內(nèi)乘員的傷害如表8所示，可以看出：油門踏板結(jié)構(gòu)性能的改善可以明顯降低對乘員腿部的傷害。

表8 總體得分情況對比

5 總結(jié)

通過對某車型在正面40%偏置碰撞中出現(xiàn)的踏板斷裂問題進(jìn)行分析，針對出現(xiàn)的問題提出了較為合理的分析方法，并進(jìn)行了零部件及整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，所提的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)開發(fā)需求，避免罰分問題的出現(xiàn)，提高了車輛的安全性能；

(2)運(yùn)用CAE進(jìn)行仿真分析，對方案的驗(yàn)證具有一定的指導(dǎo)作用，可以縮短開發(fā)周期、節(jié)約成本。

(3)對出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析的方法和過程合理，可以指導(dǎo)其他相關(guān)問題的分析和優(yōu)化方案的驗(yàn)證。

【1】李伯棟. 簡化車身 B-立柱結(jié)構(gòu)參數(shù)的抗彎曲沖擊特性研究[D].長春:吉林大學(xué),2007.

【2】C-NCAP評價(jià)規(guī)程(2015版)[M].中國汽車研究中心,2015:24-25.

【3】胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng),謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:136-137.

【4】賈宏波,黃金陵,郭孔輝,等.汽車車身結(jié)構(gòu)碰撞性能的計(jì)算機(jī)模擬、評價(jià)與改進(jìn)[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,28(2):317-322.

【5】劉珍海,喬磊磊,岳國輝,等.正面小重疊碰撞工況模擬研究與實(shí)車優(yōu)化分析[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2012,3(4):339-342.

LIU Z H,QIAO L L,QUE G H,et al.Simulation Research and Optimal Analysis for Small Overlap Frontal Crashworthiness of a Real Car[J].Journal of Automotive Safety and Energy,2012,3(4):339-342.

【6】簡曉春，王笑.正面和偏置碰撞的耐撞性仿真與車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2011,2(3):212-216.

JIAN X C,WANG X.Simulation of Crashworthiness during Front Impact and Offset Impact and Vehicle Body Structure Improvement[J].Journal of Automotive Safety and Energy,2011,2(3):212-216.

Acceleration Pedal Optimization Analysis of Front Offset Impact for One Vehicle

WANG Yue1, GONG Jie1, SUN Lizhi1,XIAO Haitao1，ZHOU Dayong1,2, LIU Weiguo1，2

(1.Geely Automobile Institute, Hangzhou Zhejiang 311228,China;2.Zhejiang Key Laboratory of

During the 64 km/h positive 40% offset impact for one vehicle, the acceleration pedal fractured and did harm to occupant protection. The root causes were analyzed, which was due to the low strength of acceleration pedal bracket and unreasonable fracture-resistance ability at the mounting point. An optimization scheme was proposed including modifying bracket structure and changing the materials of acceleration pedal at the mounting point, so as to improve bracket strength and the strength at the mounting point. Hyperworks and LA-DYNA software were adopted for simulation analysis. The results show that the optimized bracket strength is obviously improved and the deformation is reduced by about 5 mm. Through the verification of vehicle test, the shank injury of occupants is decreased, with the score increases by 1.2.Therefore, the optimization of the position of acceleration pedal strengthens occupant protection. The results demonstrate the reasonability of the optimization scheme. Optimizing analysis by CAE can effectively reduce development cycle and save cost.

Acceleration pedal;Strength;Experimental research; Offset impact; Optimization

2016-03-15

王月(1984—),女，碩士，工程師，主要從事汽車被動(dòng)安全性能研究。E-mail:wangyue0351106@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.001

U463.55

A

1674-1986(2016)08-001-05