晏強，靳家琛

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車在當(dāng)代經(jīng)濟建設(shè)中有著舉足輕重的作用，高速公路網(wǎng)的建設(shè)帶動公路物流運輸?shù)某掷m(xù)增長，公路貨運量占比穩(wěn)中有升，未來10年將在75%～80%之間波動。隨著運輸環(huán)境朝高效方向發(fā)展，重型卡車技術(shù)不斷創(chuàng)新，車輛性能不斷升級，用戶對車輛的安全性能要求越來越高。市場研究表明，用戶對車輛安全性的關(guān)注度占比 30%左右，遠(yuǎn)高于對車輛其它性能的關(guān)注程度。

前下部防護作為重型卡車被動安全的一道關(guān)鍵壁壘，在保護車輛、人員及貨物安全方面起著至關(guān)重要的作用。一方面，前下部防護應(yīng)具有足夠的強度，抵抗外來撞擊力，保護車輛結(jié)構(gòu)安全；另一方面，前下部防護還應(yīng)具有一定的變形吸能能力，在提供足夠強度的同時具有合適的剛度，產(chǎn)生形變，減緩撞擊作用力，降低撞擊損失。同時，重型卡車的前下部防護還具有防止碰撞發(fā)生時對方車輛、人員鉆入底盤下，被車輪碾壓造成二次傷害。

因此，前下部防護的設(shè)計需要綜合考慮車輛安全、行人安全及交通安全，同時還要考慮零部件結(jié)構(gòu)方案可行性、生產(chǎn)工藝可行性及零部件成本等因素。本文通過完成前下部防護布置分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、CAE仿真分析等工作，對前下部防護的強度、剛度及可靠性進行了全面提升。

1 前下部防護設(shè)計

1.1 法規(guī)解讀及布置分析

1.1.1 前下部防護橫向構(gòu)件尺寸

根據(jù)法規(guī)要求，商用汽車的前下部防護裝置應(yīng)滿足一些尺寸要求，就橫向構(gòu)件的斷面高度而言，對N2類車輛不小于100mm，對N3類車輛不小于120mm。本文提到的某重型卡車為N3類車輛，故斷面高度應(yīng)不小于120mm。同時，橫向構(gòu)件的兩端不應(yīng)彎向前方且不應(yīng)有尖銳的外側(cè)邊緣，橫向構(gòu)件的端部成圓角狀，其端頭圓角半徑不小于 2.5mm。橫向構(gòu)件的外表面應(yīng)為光滑表面。螺釘或鉚釘?shù)念^部凸出該表面的高度不大于10mm。

1.1.2 前下部防護布置分析

根據(jù)法規(guī)要求，前下部防護在車輛前部可以被設(shè)計成具有不同結(jié)構(gòu)、位置的安裝形式，但應(yīng)有可靠的方法以保證其安裝，并保障在安裝后不會隨意移動。

為充分保障碰撞發(fā)生時雙方的生命財產(chǎn)安全，對重型卡車前下部防護橫向構(gòu)件的離地間隙有嚴(yán)格要求。具體而言，位于 P1兩點之間的前下部防護下邊緣的最大離地間隙應(yīng)不大于400mm；位于兩個P1點之外的前下部防護下邊緣的離地最大間隙可大于400mm，但應(yīng)在平面M以下。平面M是過P1點正下方的前下部防護下邊緣上的點與水平面成 15°的向上斜面。對前下部防護橫向構(gòu)件的離地間隙要求，見圖1。

圖1 前下部防護橫向構(gòu)件的離地間隙要求

為充分保障重型卡車行駛時的道路交通安全，對前下部防護橫向構(gòu)件的長度有嚴(yán)格要求。具體而言，前下部防護的最大寬度不可超出兩側(cè)前輪翼子板的外側(cè)寬度。前下部防護任一端的最外緣與同側(cè)前車輪輪胎最外端面（不包括輪胎的變形量）的橫向水平距離不大于100mm。對于P1、P2、P3點的定義為：P1點位于距離前軸輪胎最外側(cè)（不包括輪胎的變形量）相切的縱向平面200mm處；P2點對稱于車輛的縱向中心平面兩側(cè)，相互之間的距離為 700mm～1200mm（分析驗證時定義為前下部防護連接支架支撐處）；P3點位于車輛的縱向中心平面上。對前下部防護橫向構(gòu)件的長度要求及P1、P2、P3點的位置定義，見圖2。

圖2 前下部防護橫向構(gòu)件的長度要求及碰撞點定義

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 前下部防護橫向構(gòu)件設(shè)計

橫向構(gòu)件是前下部防護裝置的關(guān)鍵零件，其材料、結(jié)構(gòu)、強度直接影響前下部防護的可靠性。根據(jù)前文分析，對橫向構(gòu)件長度L及高度H進行設(shè)計確定，以滿足法規(guī)對前下部防護裝置的尺寸要求。橫向構(gòu)件中間為平直梁，兩端為向后彎曲的圓弧形狀。這種結(jié)構(gòu)基于兩方面設(shè)計原因：一方面，橫向構(gòu)件與車身前保險杠外形需匹配，零件之間的間隙應(yīng)均勻合理；另一方面，圓弧形狀向后彎曲的結(jié)構(gòu)相對橫向構(gòu)件直接折彎向后的結(jié)構(gòu)而言，受力更好。

橫向構(gòu)件的截面應(yīng)具有良好的受力效果。槽形截面鋼結(jié)構(gòu)重量低，但強度難以滿足碰撞要求；矩形截面鋼管結(jié)構(gòu)若要滿足碰撞要求，材料厚度也需增加，重量上升。經(jīng)過計算分析，橫向構(gòu)件采用“日”字形截面，生產(chǎn)工藝為輥壓成型，成型后對中間配合縫進行焊接。該截面形狀受力較好，選用相對鋼材料具有輕量化優(yōu)勢的鋁合金材料。前下部防護橫向構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意，如圖3所示。

圖3 前下部防護橫向構(gòu)件示意圖

1.2.2 前下部防護連接支架設(shè)計

本文定義的前下部防護連接支架，是指與前下部防護橫向構(gòu)件焊接相連的結(jié)構(gòu)件，包括鋁合金斜支撐支架和壓鑄鋁支架。橫向構(gòu)件與連接支架構(gòu)成前下部防護總成，如圖4所示。

整個前下部防護總成部件，均為輕量化材料?？紤]到P1點的碰撞安全，設(shè)計斜支撐支架加強橫向構(gòu)件 P1點處的強度。斜支撐支架為矩形管材，材料與橫向構(gòu)件一致，一端與橫向構(gòu)件焊接，另一端與壓鑄鋁支架焊接。

圖4 前下部防護總成示意圖

P2點的碰撞破壞性強，正面承受的撞擊力大，對P2點的支撐強度要求高。若采用鋁合金鈑金設(shè)計P2點的支架，難以滿足碰撞要求，不能起到安全作用。若設(shè)計為鋼材鈑金支架，支架與橫向構(gòu)件的連接工藝將變得復(fù)雜。經(jīng)分析，P2點的連接支架設(shè)計為壓鑄鋁支架，不僅實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，在強度上滿足了碰撞要求，而且與橫向構(gòu)件的焊接工藝可行。

1.2.3 前下部防護安裝支架設(shè)計

為使前下部防護可以獨立拆裝，提高其維修性，設(shè)計前下部防護安裝支架，其作用是將前下部防護總成與重型卡車車架相連。此外，前下部防護安裝支架還集成有安裝車身保險杠、冷卻系統(tǒng)輔助支撐及水箱保護柵等功能。該支架功能集成度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料采用可焊鑄鋼，并同時設(shè)計有與車架腹面和翼面兩個方向連接的安裝孔，提高可靠性，見圖5。

圖5 前下部防護安裝支架

2 前下部防護CAE仿真分析

2.1 分析模型

根據(jù)法規(guī)要求，在試驗過程中以及試驗完畢后，前下部防護前端面的各測試點到車輛最前端的水平距離應(yīng)不大于400mm；P1兩點之間的前下部防護下邊緣的最大離地間隙應(yīng)不大于450mm，如圖6所示。

圖6 前下部防護碰撞測試要求示意圖

該前下部防護CAE仿真分析是基于HyperWorks工具的有限元分析，以殼單元仿真鈑金、四面體單元仿真鑄件。以HyperMesh為前處理工具，求解器采用LS-DYNA，后處理工具采用 HyperView。將前下部防護與車架相連，根據(jù) GB 26511-2011標(biāo)準(zhǔn)，施加載荷。測試時應(yīng)盡可能快地施加作用力，車輛或裝置應(yīng)經(jīng)受住至少0.2s的作用時間。

工況1：對兩P1點分別持續(xù)施加相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量50%的水平載荷，水平載荷最大值不超過80kN。

工況2：對兩P2點分別持續(xù)施加相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量100%的水平載荷，水平載荷最大不超過160KN。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 工況1分析結(jié)果

對P1點進行碰撞分析時，X向位移結(jié)果如圖7所示，在0.3秒達(dá)到最大值106mm，滿足法規(guī)要求。

圖7 前下部防護P1點碰撞測試X向位移結(jié)果

P1點測試后，前下部防護安裝支架、連接支架、橫向構(gòu)件等零件的最大應(yīng)變小于其材料的斷裂延伸率，仿真分析安全，如圖8所示。

圖8 前下部防護P1點碰撞測試各零件應(yīng)變結(jié)果

2.2.2 工況2分析結(jié)果

對P2點進行碰撞分析時，X向位移結(jié)果如圖9所示，在0.3秒達(dá)到最大值74mm，滿足法規(guī)要求。

圖9 前下部防護P2點碰撞測試X向位移結(jié)果

圖10 前下部防護P2點碰撞測試各零件應(yīng)變結(jié)果

P2點測試后，前下部防護安裝支架、連接支架、橫向構(gòu)件等零件的最大應(yīng)變小于其材料的斷裂延伸率，仿真分析安全，如圖10所示。

3 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將截面形狀受力更好的橫向構(gòu)件、加強 P1點強度的斜支撐支架及可靠性較高的壓鑄鋁支架相互焊接，構(gòu)成強度大、可靠性高、輕量化的前下部防護總成。安裝支架設(shè)計為與車架腹面、翼面同時相連的結(jié)構(gòu)，進一步提升前下部防護的可靠性和維修性。

通過CAE仿真分析，驗證本文提到的前下部防護裝置滿足法規(guī)要求。此外，該前下部防護各零件加工工藝可行、材料及生產(chǎn)成本較低，優(yōu)化設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 商用車前下部防護要求.GB 26511-2011.