周丹鳳 涂金剛

摘要：2020版Euro NCAP更新了汽車碰撞安全試驗工況。為研究新工況下的碰撞安全性，以不同質(zhì)量的車輛作為研究對象，對比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況下被撞車輛的結(jié)構(gòu)變形以及加速度波形的差異。研究表明：新工況與現(xiàn)行工況下的被撞車輛表現(xiàn)差異明顯，對中小型車輛影響較大。針對分析結(jié)果提出改進思路，為新車型的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：MPDB；ODB；碰撞；安全性能

中圖分類號：U461.91

文獻標志碼：B

0 引 言

汽車碰撞安全法規(guī)和評價標準體系可分為2種：一種是以歐盟各國為代表的歐標ECE法規(guī)和Euro NCAP評價標準；另一種是以美國為代表的美標FMVSS法規(guī)和US NCAP評價標準。[1]許多歐亞國家、南美洲國家和澳大利亞制定的法規(guī)和標準通常以歐盟體系為指導(dǎo)。由于Euro NCAP對法規(guī)的制定起到至關(guān)重要的作用，因此Euro NCAP的發(fā)展動向備受各國汽車碰撞安全研究領(lǐng)域的關(guān)注。最新發(fā)布的2018年安全開發(fā)手冊[2]提到，2020版Euro NCAP提高汽車碰撞安全高速碰工況難度，更改偏置碰工況試驗形式，并增加正碰工況。

2020版Euro NCAP側(cè)面AEMDB碰撞工況的撞擊速度從原來的50 km/h提升到60 km/h，并考察側(cè)碰對遠端乘員的保護，這將增加碰撞能量、擴大約束系統(tǒng)的保護范圍，對原有車身結(jié)構(gòu)強度提出更高的要求。然而，汽車企業(yè)面臨的更大挑戰(zhàn)是Euro NCAP新工況對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。2020版Euro NCAP以50%重疊的可變形移動壁障和車輛均以50 km/h的速度對撞的MPDB工況，替代現(xiàn)行的40%重疊可變形固定壁障、速度為64 km/h的前部偏置碰撞ODB工況。[2]為研究新工況的碰撞特性，本文結(jié)合以往和在研車型的碰撞安全開發(fā)工作，對比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況對車身碰撞結(jié)果的差異，研究MPDB工況對汽車設(shè)計的影響，為新車型的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

1 2020版Euro NCAP MPDB工況

ODB工況對整車結(jié)構(gòu)變形，尤其是乘員艙的完整性要求很高，該工況要求降低整車加速度脈沖對乘員造成的傷害，同時保證整車變形后乘員能有足夠大的生存空間。ODB工況已運行實施多年，經(jīng)過多次對評價標準細節(jié)的調(diào)整，各主機廠已熟悉該工況的考察項，且可借鑒現(xiàn)有車型的設(shè)計案例。對于2020版Euro NCAP MPDB工況的碰撞特性和難易程度，各大主機廠沒有明確了解，也無應(yīng)對策略。新工況示意見圖1，與現(xiàn)行ODB工況差別較大。壁障小車質(zhì)量為1 400 kg，壁障小車和被撞車輛均以50 km/h的速度相對運動，以50%的重疊率相對撞擊。前排駕駛員為新開發(fā)的THOR假人，副駕駛員為原Hybrid Ⅲ假人，后排為2個Q系列兒童假人，考察兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員的保護情況。[3]

2 MPDB與ODB工況差異

2.1 MPDB和ODB工況的特點

從對道路交通安全的實際指導(dǎo)意義來看，MPDB工況與車輛實際發(fā)生事故時的場景更相似；從工況開發(fā)角度來看，約束系統(tǒng)標定的參數(shù)在車輛發(fā)生前碰時，安全帶和氣囊的點爆時間對車內(nèi)乘員能夠起到更好的約束和保護作用?，F(xiàn)行ODB工況雖然被撞車輛速度更高，碰撞情況更加嚴重，但與實際交通事故存在一定差異。與MPDB工況相比，ODB工況對車輛乘員保護的指導(dǎo)意義稍差。

MPDB與ODB工況差異對比見表1。對比2個工況的碰撞具體細節(jié)，可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。[4-5]碰撞速度和碰撞方式的改變，直接影響整車的變形模式和對假人直接作用的加速度脈沖波形特征，不同的假人對整車加速度脈沖的響應(yīng)速度和傷害的敏感程度也不盡相同。

2.2 不同質(zhì)量的車輛在MPDB和ODB工況下的表現(xiàn)對比

由于壁障小車的質(zhì)量大小直接影響被撞車輛的碰撞能量和能量交換，因此將被撞車輛的質(zhì)量分為3種情況，分別對比在MPDB和ODB工況下車身結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。

不同質(zhì)量大小的車輛MPDB與ODB工況碰撞總能量對比見表2。MPDB工況碰撞總能量總是比ODB工況碰撞總能量大。其中，質(zhì)量最小的車輛MPDB工況與ODB工況總能量相差較大，車輛質(zhì)量越大，2個工況的總能量相差越小。因此，MPDB工況對小型乘用車的挑戰(zhàn)更大。

在前部碰撞中，被撞車輛車身結(jié)構(gòu)主要從結(jié)構(gòu)變形和加速度脈沖特性2個方面進行評價。結(jié)構(gòu)變形又分為前艙吸能空間變形和乘員艙生存空間完整性2個方面。乘員艙生存空間考察的量化指標主要體現(xiàn)在前擋板侵入量和最大侵入位置。通常情況下，主要考察的監(jiān)測點為乘員腳部區(qū)域和踏板安裝區(qū)域。乘員腳部區(qū)域侵入量直接影響乘員腿部傷害值；踏板安裝區(qū)域在偏置碰中通常是前擋板侵入量最大區(qū)域，影響踏板的后移和上抬運動幅度，導(dǎo)致踏板位移量超標，從而影響Euro NCAP中修正項的扣分情況，間接增加駕駛員右腿扣分風(fēng)險。加速度脈沖通過車身座椅和約束系統(tǒng)直接作用于乘員，脈沖幅值的高低直接影響乘員頭頸和胸部的傷害程度。[6]

分別對比3種不同質(zhì)量被撞車輛前擋板侵入量在MPDB和ODB工況中的加速度特性曲線，在統(tǒng)一標尺情況下，不同質(zhì)量車輛前擋板侵入量對比見圖2。雖然MPDB工況總碰撞能量大于ODB工況總碰撞能量，但是MPDB工況下部分能量轉(zhuǎn)化為被撞車輛和壁障小車的偏轉(zhuǎn)能量。因此，對于同一款車，MPDB工況下前擋板侵入量較?。坏珜τ谫|(zhì)量不同的車輛，被撞車輛質(zhì)量越接近壁障小車的質(zhì)量，能量交互越小，前擋板侵入量最大值越大。

不同質(zhì)量被撞車輛加速度（取絕對值）波形對比見圖3。對于同一款車，MPDB工況加速度相位較ODB工況提前，峰值大小和時刻均存在一定差異。當(dāng)被撞車輛質(zhì)量小于壁障小車質(zhì)量時，MPDB工況加速度峰值高于ODB工況；當(dāng)被撞車輛質(zhì)量大于壁障小車質(zhì)量時，MPDB工況加速度峰值低于ODB工況；當(dāng)被撞車輛與壁障小車質(zhì)量相當(dāng)時，MPDB工況加速度峰值與ODB工況相當(dāng)，且相位偏差最小。隨著被撞車輛質(zhì)量與壁障小車質(zhì)量差異的增大，MPDB工況和ODB工況加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大，這與MPDB工況碰撞過程中被撞車輛與壁障小車各自的初始動能有密切關(guān)系。MPDB工況的加速度波形與ODB工況的加速度波形相差很大，需增加MPDB工況的標定，對約束系統(tǒng)標定也是挑戰(zhàn)。

3 影響MPDB工況結(jié)果的因素及提升方向

對于傳統(tǒng)燃油汽車車身結(jié)構(gòu)而言，雖然MPDB工況較ODB工況侵入量普遍有所降低，但是對于1 400 kg及以下的中小型車輛，加速度波形時刻提前，峰值升高。

3.1 前艙框架設(shè)計

從車身設(shè)計角度，前艙框架是前部碰撞的主要吸能部件，見圖4。碰撞工況的車身設(shè)計主要從以下幾個方面考慮。

3.1.1 前保橫梁

前保橫梁的強度直接決定前艙框架的變形時刻及模式。MPDB工況中前保橫梁應(yīng)保證有較高強度，從而能夠在碰撞過程中推遲發(fā)生折彎時刻，保證縱梁受力的穩(wěn)定。一旦前保橫梁發(fā)生折彎，就不能再承力，在MPDB工況中呈“V”字形向發(fā)動機艙內(nèi)折彎變形，導(dǎo)致縱梁Y向受力增大；若縱梁Y向抗彎性能較差，將會呈現(xiàn)Y向內(nèi)傾趨勢，失去支撐傳力作用。因此，前保橫梁是MPDB工況的第一道關(guān)口，在車身框架設(shè)計中要保持足夠的抗彎性能。

3.1.2 前縱梁

在前部碰撞中前縱梁是主要的吸能部件，其變形是否穩(wěn)定直接決定前部碰撞結(jié)果的好壞。在MPDB工況中，前縱梁與前保橫梁是相互作用且相輔相成的。在保證前保橫梁強度的同時，應(yīng)加強前縱梁的Y向抗彎性能。在前保橫梁發(fā)生折彎變形后，前縱梁應(yīng)繼續(xù)保持一定的傳力作用，穩(wěn)定變形。在MPDB工況中Y向拉力過大，前縱梁較難出現(xiàn)壓潰變形模式，一般以Y向“Z”字形折彎變形為主。為保證前縱梁的Y向抗彎性能，設(shè)計時應(yīng)考慮足夠大的截面和合理的寬高比。

3.1.3 輔助結(jié)構(gòu)

前保橫梁與前縱梁構(gòu)成的主要傳力路徑如果達不到足夠的抗彎性能，還可以采用一些輔助結(jié)構(gòu)作為補充，一般分為上、下2部分：上部分是貫穿前縱梁前段外側(cè)到鉸鏈柱的上縱梁結(jié)構(gòu)；下部分是連接前縱梁前端到副車架本體的副車架縱梁結(jié)構(gòu)。這2部分或其中1部分輔助結(jié)構(gòu)對前縱梁的Y向抗彎起輔助支撐作用，從而保證前縱梁在MPDB工況碰撞過程中穩(wěn)定“Z”字形折彎變形。

關(guān)鍵部件的合理匹配和設(shè)計可以保證前縱梁合理變形，不會向發(fā)動機艙方向整體傾倒，避免侵入量集中；車身框架穩(wěn)定有序的變形傳遞碰撞力，吸收碰撞能量，從而合理分配加速度波形峰值，避免車身集中受力，傷害乘員。

除碰撞能量吸收外，前部碰撞的重要設(shè)計準則還包括載荷傳遞和結(jié)構(gòu)設(shè)計。完整的框架設(shè)計使碰撞產(chǎn)生的力能夠順暢傳遞，并合理地分布于車身[6]；牢籠式“O”形閉環(huán)設(shè)計使乘員艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保障乘員足夠的生存空間。

3.2 前艙機械布置

對于MPDB工況而言，前保橫梁的變形均為中間折彎形式。前保橫梁折彎后，與壁障50%重疊的車身一側(cè)參與相對碰撞。在前艙空間壓縮達到最大后，以前保橫梁折彎點為中心，被撞車輛和壁障小車同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)。前艙參與碰撞的主要為駕駛員一側(cè)，故駕駛員一側(cè)的可利用前艙有效碰撞空間和碰撞空間利用率是前艙機械布置的核心。

在前艙碰撞空間一定的前提下，前艙硬物合理安裝和布置對碰撞空間的利用尤為重要，其布置方案對比見圖5。圖5a）的布置方案不合理：蓄電池、ESP、真空助力在一條縱軸線上，且均在左側(cè)，導(dǎo)致在MPDB工況碰撞過程中參與碰撞一側(cè)的空間利用率較低，對控制踏板安裝區(qū)域乘員艙侵入值壓力較大；硬物間相互碰撞，會產(chǎn)生較大的減速度峰值，給乘員胸部帶來傷害。圖5b）的布置方案較為合理：蓄電池前置可降低乘員艙侵入壓力，橫向布置可節(jié)省縱向空間；前艙硬物合理分布，可以避免相互接觸撞擊，有效提高碰撞空間利用率，降低加速度峰值。

3.3 新技術(shù)的應(yīng)用

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和碰撞安全評價體系的不斷完善，在車輛設(shè)計和生產(chǎn)過程中，越來越多的新材料、新技術(shù)得到應(yīng)用和推廣。

3.3.1 新材料

隨著材料工業(yè)的快速發(fā)展，高端材料的研發(fā)和推廣速度不容小覷。航空鋁材有望在汽車設(shè)計中進行推廣，其質(zhì)量輕、性能高等優(yōu)良性能在提高車身燃油經(jīng)濟性的同時，減小車輛碰撞能量，保證足夠的車身強度，使有效碰撞空間內(nèi)的能量吸收達到最佳，從而減小碰撞能量對車內(nèi)乘員造成的沖擊，降低乘員傷害。[7]碳纖維材料已越來越多被應(yīng)用到乘用車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，其同樣具有質(zhì)量輕、強度高等特性，一般應(yīng)用在乘員艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，保證乘員生存空間的完整性。前擋板采用碳纖維材料可以有效阻擋前艙硬物的侵入。[8]

3.3.2 新技術(shù)

新材料的應(yīng)用要結(jié)合新技術(shù)才能最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，二者相互依存、相輔相成。鋁合金材料的誕生，促進鋁制部件鉚接技術(shù)和鋁材焊接技術(shù)的發(fā)展。[9]隨著碳纖維材料的出現(xiàn)，碳纖維粘接技術(shù)應(yīng)運而生。近年來，新興的激光拼焊板技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)、機器人應(yīng)用技術(shù)、中頻電阻電焊技術(shù)、鉚接技術(shù)和膠接技術(shù)在汽車車身制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.3.3 主動安全系統(tǒng)

主動安全系統(tǒng)能夠在事故發(fā)生前及時采取緊急避撞措施，避免發(fā)生車禍或者盡量將傷害降至最低。該系統(tǒng)是由安裝在車身各個部位的車載傳感器、激光雷達、紅外線、超聲波傳感器，以及更加先進的毫米波雷達等設(shè)備組成的，具有工況檢測功能，可隨時通過聲音、圖像等方式向駕駛員提供車輛周圍和車輛本身等必要信息，并可自動或半自動地進行車輛

控制，幫助駕駛員做出最快反應(yīng)，從而有效防止事故發(fā)生或降低損傷程度。[10]

4 結(jié)束語

對比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況發(fā)現(xiàn)：對于同一款車，MPDB工況較ODB工況侵入量有所降低，但加速度相位提前，峰值大小和時刻均存在一定差異。當(dāng)被撞車輛質(zhì)量小于壁障小車質(zhì)量時，MPDB工況加速度峰值高于ODB工況；當(dāng)被撞車輛質(zhì)量大于壁障小車質(zhì)量時，MPDB工況加速度峰值低于ODB工況；當(dāng)被撞車輛與壁障小車質(zhì)量相當(dāng)時，MPDB工況加速度峰值與ODB工況相當(dāng)，且相位偏差最小。隨著被撞車輛質(zhì)量與壁障小車質(zhì)量差異的增大，MPDB工況和ODB工況加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大。

針對MPDB工況對中小型車輛沖擊較大的問題，結(jié)合分析結(jié)果提出2點改進方向：在車身前艙設(shè)計中，前保橫梁要足夠強，前縱梁要有一定的Y向抗彎能力，如抗彎性能不足，可以采用輔助結(jié)構(gòu)，通過前結(jié)構(gòu)整體剛度匹配，保證前縱梁抗彎性能，使前縱梁呈現(xiàn)Y向“Z”字形穩(wěn)定折彎模式；對于前艙機械布置，左側(cè)縱向空間硬物應(yīng)盡量避免過于集中，前艙硬物布置應(yīng)合理分散。

隨著新車安全評價標準的不斷更新和完善，新材料、新技術(shù)不斷突破和革新，乘用車安全性能的設(shè)計也將不斷優(yōu)化，推動乘用車主動安全技術(shù)的進步和發(fā)展，最終達到徹底避撞，提高道路交通安全性。

參考文獻：

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（編輯 付宇靚）