夏丁 張建 胡濤 邸曙升 趙志新
(東風汽車有限公司東風日產(chǎn)乘用車公司技術中心)
側面柱碰撞用于模擬汽車出現(xiàn)側滑而撞擊大樹、電線桿等柱狀物體所發(fā)生的交通事故。據(jù)統(tǒng)計,在我國由于側面碰撞事故而導致死亡的案例中有38%是因為乘員的頭部撞到柱狀物體而造成的。2019 年3 月25 日,推薦性國家標準《汽車側面柱碰撞的乘員保護》(GB/T 37337—2019)由國家標準化管理委員會批準發(fā)布,并于 10 月1 日正式實施[1]。同時 C-NCAP 2021 版也會對電動車追加側柱碰工況的評價[2]。側柱碰標準在我國的推出將進一步提高和改善汽車側面碰撞安全性,更大限度地降低汽車交通事故中乘員的傷亡數(shù)量。汽車在發(fā)生側柱碰時,如若繞x 軸(汽車前后方向)翻轉(zhuǎn)角度過大,會導致汽車上部侵入量過大,侵占乘員生存空間,因此針對側面柱碰繞x 軸翻轉(zhuǎn)運動的研究具有重要意義。
側柱碰速度為32 km/h、角度為75°,碰撞工況如圖1 所示,性能要求需同時滿足乘員保護要求和強電保護要求[1-3]。側面柱碰撞中,碰撞瞬間的車體運動由側向平動和繞柱旋轉(zhuǎn)(z 向)運動組成[4],如圖2 所示。當碰撞中心線通過汽車質(zhì)心時,車身吸收能量最大,車身吸收能量公式,如式(1)所示。
圖1 電動車側面柱碰工況示意圖
圖2 電動車柱碰XY 平面運動學分析
式中:Ep——車身吸能,J;
m——碰撞車質(zhì)量,kg;
h——脈沖力臂,質(zhì)心到碰撞中心線的距離,m;
rz——z 向旋轉(zhuǎn)半徑,m;
EMz——z 向旋轉(zhuǎn)吸能,J;
v0——碰撞車初始速度,m/s。
然而在柱碰過程中,汽車不僅會發(fā)生側向平動和繞柱(z 向)轉(zhuǎn)動,同時還會發(fā)生x 向翻轉(zhuǎn)運動。實際運動為XY 平面的移動、z 向旋轉(zhuǎn)、x 向翻轉(zhuǎn)3 種運動形式疊加的三維復雜運動,文章將其簡化成XY 平面(如圖 3 所示)和 YZ 平面(如圖 4 所示)2 個平面的運動,分別進行理論分析。
圖3 柱碰汽車XY 平面運動(俯視圖)
圖4 柱碰汽車YZ 平面運動(后視圖)
考慮到電動車與燃油車的結構和布置完全不同,柱碰過程中汽車的運動姿態(tài)也會有所差異,文章選取同平臺的某電動車和某燃油車進行對比分析。
通過對比可以發(fā)現(xiàn):燃油車的發(fā)動機一般前置,因此整車質(zhì)心相對靠前;電動汽車前端無發(fā)動機,前地板下端有電池包,整車質(zhì)心相對更靠后。選取2 款典型的同平臺的燃油車和電動汽車,根據(jù)式(1),對比脈沖力臂及z 方向旋轉(zhuǎn)吸能,如表1 所示。
表1 某燃油車與某電動車z 向轉(zhuǎn)動對比
由表1 可知,相比燃油車,電動車脈沖力臂更小,脈沖力臂越小,汽車繞z 軸的旋轉(zhuǎn)運動就會越少。電動車碰撞能量中繞z 軸旋轉(zhuǎn)的能量占比僅為0.5%,相比燃油車的3.4%減少了很多。
電池包對電動車地板有加強作用,同時為了保護電池包,門檻、地板橫梁一般會做得較強。同平臺的電動車除地板以外的上車身零件一般又是留用燃油車的。這樣就會導致電動車下車身反力矩強于上車身反力矩,這樣的結構特性會使得電動車在YZ 平面產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動。簡化柱碰汽車YZ 平面受力,如圖5 所示。
圖5 柱碰汽車YZ 平面運動學分析
根據(jù)達朗貝爾原理,汽車所受慣性力系可以簡化成通過質(zhì)心的慣性力和YZ 平面內(nèi)的慣性力矩。慣性力(ma)方向與加速度相反。慣性力矩(Mx/N·m)轉(zhuǎn)向與角加速度(β/(rad/s2))相反。對左側接地點O 列力矩平衡方程,有:
式中:l1——門檻到地面z 向距離,m;
l2——汽車質(zhì)心到門檻z 向距離,m;
l3——汽車質(zhì)心到頂蓋z 向距離,m;
l4——汽車質(zhì)心到門檻y 向距離,m;
Fup——碰撞整個時間段的上車身平均反力,N;
Flwr——碰撞整個時間段的下車身平均反力,N。
由式(2)和式(3)可得:
汽車繞x 軸翻轉(zhuǎn)角度(θx/(°)),如式(5)所示。
式中:t——碰撞時間,s;
rx——x 向旋轉(zhuǎn)半徑,m;
Δv——速度變化,m/s。
汽車繞 x 軸翻轉(zhuǎn)能量(EMx/kJ),如式(6)所示。
根據(jù)式(4)~式(6),計算得到燃油車和同平臺的電動車繞x 軸的翻轉(zhuǎn)運動對比,如表2 所示。
表2 某燃油車與某電動車繞x 軸翻轉(zhuǎn)對比
從表2 可以看出,電動車由于汽車上下反力配比與燃油車存在差異,導致繞x 軸的翻轉(zhuǎn)運動增加,電動車繞x 軸翻轉(zhuǎn)能量占比達到3.8%,這部分能量不能夠忽視,因此對柱碰過程中車身吸能公式(式1)進行修正,如式(7)所示。
汽車在x 向翻轉(zhuǎn)會導致汽車上端侵入量大于下端。電動車侵入量要求,如圖6 所示,對于乘員保護來講,車身上端侵入量(S1/mm)有一定限制;對于保護電池包來說,車身下端侵入量(S2/mm)也有一定限制。因此汽車翻轉(zhuǎn)角度需滿足一定條件,不能過大,過大則會侵占乘員生存空間(如圖6 中虛線所示),影響乘員保護性能的達成。
圖6 電動車侵入量要求
從車身吸能角度來講,翻轉(zhuǎn)角度太小,車身吸能又需要增加,不利于耐撞性的輕量化設計。因此汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度需要控制在合理數(shù)值,既能滿足汽車上端乘員生存空間的達成,又有利于耐撞性輕量化設計??梢酝ㄟ^調(diào)整車體上下反力配比來控制汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度,如式(8)所示。
根據(jù)側柱碰工況建立某電動車和某燃油車的結構耐撞性CAE 仿真分析模型。電動車和燃油車的CAE 解析的x 向翻轉(zhuǎn)角度結果,如圖7 所示。
圖7 側柱碰工況汽車翻轉(zhuǎn)角度CAE 分析結果
從CAE 解析結果來看電動車x 向翻轉(zhuǎn)角度確實比燃油車大了很多。將CAE 解析得到的翻轉(zhuǎn)角度與按照式(5)計算得到的角度進行對比,如表3 所示,可見式(5)的理論計算是可信的。
表3 汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度CAE 值與計算值對比 (°)
某電動車初始CAE 結果x 向翻轉(zhuǎn)角度為7°,導致汽車上端侵入量(S2=378 mm)偏大(不滿足<370 mm的性能目標),侵占了乘員肩部的生存空間,從而影響了假人胸部的得分,因此需要進行對策。計劃將電動車x 向翻轉(zhuǎn)角度減小2°,以滿足乘員生存空間要求。按照式(8)計算,汽車上端平均反力需提升9 kN。
根據(jù)section AD 斷面分析軟件,汽車上端平均反力提升9 kN,對策為在A 柱對應柱碰位置局部增加抗拉強度為1 180 MPa、厚度為1.2 mm 的補強件,并且將頂蓋前橫梁厚度由1.0 mm 提升至1.4 mm,如圖8 所示。
圖8 汽車x 向翻轉(zhuǎn)對策方案
針對某電動車對策后的模型重新進行整車側面柱碰CAE 解析。仿真結果表明,對策后各項評價指標均滿足側柱碰結構耐撞性目標,如表4 所示。
表4 某電動車側面柱碰初始方案和對策方案結果對比
實車碰撞結果也與仿真結果較為接近,試驗各項指標都合格。電池模組與殼體間隙有35 mm(如圖9 所示),電池包強電保護合格;乘員生存空間(汽車上端侵入量)滿足目標要求;試驗過程中汽車x 向翻轉(zhuǎn)角度為5.2°,滿足目標要求。
圖9 某電動車側面柱碰試驗后電池包
文章通過理論計算分析電動車相比燃油車在z 向旋轉(zhuǎn)、x 向翻轉(zhuǎn)運動方面的差異,指出了電動車對應柱碰x 向翻轉(zhuǎn)的對策方向并得出:
1)電動車質(zhì)心與碰撞基準線距離更小,汽車z 向旋轉(zhuǎn)運動能量更小。
2)電動車車身上下反力配比存在差異,導致電動車會發(fā)生很大的繞x 軸的翻轉(zhuǎn)運動,文章針對翻轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)能量進行了理論分析,對側面柱碰的吸能理論進行了改進。
3)側柱碰時如果不對汽車x 向翻轉(zhuǎn)角進行控制,會導致汽車上端侵入量過大,侵占乘員的生存空間,從而影響乘員保護性能的達成。
4)文章通過理論計算,推算出如何選擇合理的車體上下反力配比,來控制x 向翻轉(zhuǎn)角度的大小,以滿足強電保護和乘員生存空間兩者性能的達成;CAE 分析和試驗驗證了此方法的有效性。