朱學(xué)武 王士彬 張健
(1.中國第一汽車集團有限公司,汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室,長春 130011;2.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(長春),長春 130011)
主題詞:碰撞吸能盒 內(nèi)高壓成型 平均壓潰力 耐撞性能 安全
合理的受力結(jié)構(gòu)是汽車輕量化的重要途徑,內(nèi)高壓成型作為一種空心輕體件制造技術(shù)應(yīng)運而生。20世紀90年代起,Gary E.Morphy研究了內(nèi)高壓成型技術(shù)在副車架、排氣系統(tǒng)應(yīng)用的可能性[1-2]。Williams B.W研究了內(nèi)高壓鋁管不同斷面形狀對耐撞性的影響[3]。歐美汽車公司將內(nèi)高壓成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造排氣系統(tǒng)、副車架、車身框架、散熱器支架等空心變截面構(gòu)件。寶馬、奧迪、大眾、通用、福特已在多款車型應(yīng)用了內(nèi)高壓成型零件。沃爾沃汽車自2003年起開發(fā)內(nèi)高壓成型吸能盒,并批量應(yīng)用于V70和XC70車型,且已經(jīng)推廣到Volvo全系列。在國內(nèi),哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)等高校較早地開始成型工藝的研究。苑世劍、張寶亮、韓聰?shù)妊芯苛藘?nèi)高壓成型技術(shù)的機理、工藝、設(shè)備和應(yīng)用[4-6]。
內(nèi)高壓零件的成型技術(shù)已經(jīng)被廣泛研究,但其耐撞性能的優(yōu)劣性還不為工程師所熟知,嚴重地制約了其在碰撞吸能盒、前縱梁、A柱等耐撞零件上的應(yīng)用。碰撞吸能盒屬于相對獨立的總成,便于開展設(shè)計和驗證,且具有封閉腔體,完全符合內(nèi)高壓成型工藝的應(yīng)用條件。本文基于某A級車已有沖焊結(jié)構(gòu)碰撞吸能盒的耐撞性能,采用平均壓潰力的仿真方法[7-8]對內(nèi)高壓成型吸能盒進行優(yōu)化設(shè)計,并通過總成試驗、臺車試驗、整車試驗進行了沖焊結(jié)構(gòu)、內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的全面對比。
2.1.1 性能目標定義
某A級車現(xiàn)采用沖焊結(jié)構(gòu)吸能盒(見圖1),內(nèi)高壓吸能盒的性能目標定義為等性能切換,其耐撞性能應(yīng)不低于沖焊結(jié)構(gòu),且不改變原有前縱梁等正面耐撞性關(guān)鍵部件的傳力穩(wěn)定性,即內(nèi)高壓吸能盒應(yīng)滿足正面40%重疊16 km/h剛性10°角偏置碰撞(RCAR)、正面100%重疊50 km/h剛性墻碰撞(FRB)、正面40%重疊64 km/h可變形壁障偏置碰撞(ODB)3種正面碰撞工況的綜合性能要求。其耐撞性能目標定義為表1。
圖1 沖焊碰撞吸能盒結(jié)構(gòu)
表1 碰撞吸能盒性能目標
2.1.2 性能優(yōu)化
采用平均壓潰力方法對內(nèi)高壓吸能盒進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,如圖2所示,首先進行RCAR工況的壓潰力、變形優(yōu)化,再進行FRB、ODB工況的變形優(yōu)化,得到滿足3個工況性能要求的吸能盒結(jié)構(gòu)。
圖2 基于平均壓潰力的仿真優(yōu)化
優(yōu)化后,RCAR工況下,平均壓潰力及吸能對比如圖3所示。由圖3可知:內(nèi)高壓吸能盒平均壓潰力為69 kN,高于沖焊結(jié)構(gòu)的平均壓潰力55 kN,且最大壓潰力為91 kN,小于前縱梁前段壓潰力110 kN;內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的壓潰力波動平穩(wěn),吸能量由2.73 kJ增至3.46 kJ,增幅達26.7%。
圖3 平均壓潰力及吸能對比(RCAR)
對3個工況進行仿真,結(jié)果如表2所示。由表2可知,內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)因無縱向焊縫,其總成剛度更均勻,壓潰更穩(wěn)定、充分。
表2 吸能盒仿真分析對比
在完成耐撞性能的仿真優(yōu)化后,需進行內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的成型性分析,以確認其生產(chǎn)可行性。圖4所示為內(nèi)高壓成型的壁厚減薄率仿真結(jié)果,成型后零件最大減薄率為21%,最大增厚為6%,除了局部位置有起皺的趨勢外,其余大部分位置成型性很好。
圖4 內(nèi)高壓成型仿真分析
總成試驗在落錘試驗塔(見圖5)上進行,將質(zhì)量為72.5 kg的落錘提升至7 m高度,觸發(fā)控制器使落錘自由落體,撞擊固定在地板上的吸能盒總成。記錄試驗的加速度并拍攝試驗過程,用以檢驗內(nèi)高壓成型吸能盒在沖擊試驗過程中是否逐級壓潰,評估沖焊結(jié)構(gòu)、內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的吸能性。樣件的壓縮量及變形如表3、圖6所示。試驗結(jié)果表明,內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的總成試驗壓縮量和變形的一致性較高。
圖5 落錘試驗設(shè)備俯視圖
表3 吸能盒總成試驗壓縮量對比 mm
圖6 吸能盒總成試驗變形對比
近似臺車試驗在前端結(jié)構(gòu)完整的試驗后整車上進行,采用沙袋、鐵塊進行配重使近似臺車質(zhì)量達到該車整備質(zhì)量,為便于捕捉吸能盒碰撞變形細節(jié),拆除前保險杠面罩、進氣格柵、前照燈、散熱器總成等前端結(jié)構(gòu)件(見圖7)。同時,考慮到該近似臺車主體需重復(fù)使用,依據(jù)仿真結(jié)果將試驗工況設(shè)定為9 km/h低速RCAR、11 km/h低速FRB、30 km/h低速ODB,用以檢驗內(nèi)高壓吸能盒變形是否合理、安全氣囊控制器(ACU)及車體加速度與沖焊結(jié)構(gòu)相比是否產(chǎn)生明顯差異。該整車開發(fā)中已經(jīng)具有16 km/h低速RCAR、14 km/h低速FRB、40 km/h低速ODB等3個工況的試驗結(jié)果。同工況不同速度的碰撞試驗中,ACU及車體加速度僅存在相位上的差異,波峰、波谷的數(shù)量和次序保持一致,故內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)臺車試驗結(jié)果可與已有整車試驗結(jié)果進行對比,進而判斷吸能盒切換為內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)后是否對整車已有的約束系統(tǒng)匹配產(chǎn)生影響。
圖7 近似臺車
3.2.1 正面低速RCAR碰撞試驗
試驗速度為9.2 km/h,變形過程和加速度分別如圖8、圖9所示。結(jié)果表明:內(nèi)高壓吸能盒逐級壓潰,整車變形姿態(tài)平穩(wěn);與沖焊結(jié)構(gòu)整車16 km/h試驗對比可見,兩次試驗的加速度波動相似,波峰、波谷一一對應(yīng),可知兩次試驗中吸能盒變形次序相似。
圖8 正面低速RCAR碰撞試驗變形過程
圖9 正面低速RCAR碰撞試驗加速度
3.2.2 正面低速剛性墻碰撞試驗
試驗速度為10.9 km/h,變形過程和加速度分別如圖10、圖11所示。結(jié)果表明:整車變形姿態(tài)平穩(wěn),內(nèi)高壓吸能盒逐級壓潰;與沖焊結(jié)構(gòu)整車14 km/h的試驗加速度對比可見,兩次試驗測量點的加速度波動相似,波峰、波谷一一對應(yīng),表明兩次試驗的吸能盒變形次序相似。
圖10 正面低速剛性墻碰撞試驗變形過程
圖11 正面低速剛性墻碰撞試驗加速度
3.2.3 正面低速偏置碰撞試驗
試驗速度為30.2 km/h,變形情況和加速度分別如圖12、圖13所示。結(jié)果表明:整車變形姿態(tài)平穩(wěn),內(nèi)高壓吸能盒逐級壓潰;與沖焊結(jié)構(gòu)整車40 km/h的試驗加速度對比可知,兩次試驗測量點的加速度波動相似,波峰、波谷一一對應(yīng),表明兩次試驗的前保險杠橫梁總成變形次序相似。
圖12 正面低速偏置碰撞試驗變形情況
在臺車試驗中,整車變形姿態(tài)平穩(wěn),內(nèi)高壓吸能盒均能從前到后逐級壓潰;與該車型已有相應(yīng)試驗結(jié)果對比可知,車體、ACU處加速度波動相似,波峰、波谷一一對應(yīng),初步判斷對現(xiàn)有約束系統(tǒng)影響有限。
圖13 正面低速偏置碰撞試驗加速度
3.3.1 正面剛性墻碰撞試驗(FRB)
試驗速度為50.3 km/h,變形情況和加速度分別如圖14、圖15所示。結(jié)果表明:整車變形姿態(tài)平穩(wěn),內(nèi)高壓吸能盒逐級壓潰。
圖14 整車正面剛性墻碰撞試驗變形情況
圖15 整車正面剛性墻碰撞試驗加速度
前18 ms內(nèi),整車動能下降量為:
式中,m為整備質(zhì)量;v1和v0分別為18 ms和0 ms時刻整車速度。
對左B柱車體加速度積分得到車體速度,如圖16所示。由圖16可知:整車0 ms時刻速度為13.97 m/s,裝有內(nèi)高壓吸能盒和沖焊吸能盒的整車18 ms時刻速度分別為12.09 m/s和12.22 m/s。由式(1)計算可得,內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)與沖焊結(jié)構(gòu)吸能盒相比,整車動能下降量約增加6.8%。
圖16 整車正面剛性墻碰撞試驗車體速度
裝有沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒的整車在正面剛性墻碰撞中安全帶分別在第14.5 ms和第15 ms點火,兩者相差0.5 ms,滿足約束系統(tǒng)點火要求。
3.3.2 正面40%偏置碰撞試驗(ODB)
試驗速度為64.3 km/h,試驗情況和加速度分別如圖17、圖18所示。結(jié)果表明:整車變形姿態(tài)平穩(wěn),內(nèi)高壓吸能盒逐級壓潰。
圖17 整車正面40%偏置碰撞試驗變形情況
圖18 整車正面40%偏置碰撞試驗加速度
裝有沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒的整車在正面偏置碰撞中安全帶分別在第23.5 ms和第24.5 ms點火,兩者相差1.0 ms,滿足約束系統(tǒng)點火要求。
對沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒進行稱重,質(zhì)量分別為0.495 kg和0.480 kg,內(nèi)高壓吸能盒與沖焊吸能盒相比,質(zhì)量減輕3%。
沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒零件成本分別為5.67元和5.43元,成本降低4.2%。
本文以某A級車前吸能盒的原有耐撞性能為基準,采用平均壓潰力方法優(yōu)化得到內(nèi)高壓吸能盒結(jié)構(gòu),通過仿真和試驗方法驗證內(nèi)高壓吸能盒的性能。仿真和試驗結(jié)果均表明,與原有沖焊結(jié)構(gòu)相比,內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)由于避免了沖焊結(jié)構(gòu)的較硬縫焊,極大提高了變形的一致性,并可預(yù)見等性能切換對現(xiàn)有約束系統(tǒng)影響有限。同時,內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)在吸能性、整車質(zhì)量和成本方面也優(yōu)于原有沖焊結(jié)構(gòu)。內(nèi)高壓成型工藝可以推廣到A柱、前縱梁等具有封閉腔體的零件上,實現(xiàn)輕量化的同時提高耐撞性能。