楊志剛 林祥輝 張路

極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

整車安全性設(shè)計(jì)的核心是保護(hù)乘員的安全，當(dāng)然在完全可以保證乘客安全的情況下，盡可能不讓座駕進(jìn)入回收站，這應(yīng)該是最完美的。

一般來說，要達(dá)到對(duì)駕乘人員相同的保護(hù)指標(biāo)，大車比小車有著先天的優(yōu)勢(shì)，就正碰、偏置碰而言，它的發(fā)動(dòng)機(jī)艙比小車的大的多，縱梁輪罩、保險(xiǎn)杠等吸能結(jié)構(gòu)都能很好的完成吸收能量的任務(wù)，從而減弱駕駛艙區(qū)域變形；如果是側(cè)碰，大小車的區(qū)別將會(huì)更加明顯，拋開車輛前進(jìn)的速度而言，相對(duì)碰撞物而言，他們都是靜止的，被同樣的物體碰撞，肯定是小車受到的傷害比較大，進(jìn)而危害里面的乘客。對(duì)于大車而言，縱梁有足夠的長(zhǎng)度，保險(xiǎn)杠也可以做的很大，能量的吸收可以做的很好，比較容易的在防火墻之前就可以把問題解決掉。

而對(duì)于小車而言，特別是裝有比較大的發(fā)動(dòng)機(jī)的小車，縱梁的吸能區(qū)域就要小得很多，指望它來吸收絕大部分的能量比較牽強(qiáng)，這時(shí)需要借助于一定的結(jié)構(gòu)（如SHOT GUN、副車架Sub frame、縱梁后支板）把能量導(dǎo)入到側(cè)圍、前地板、門檻等部件上面；另一方面，也要盡力去做好布置這個(gè)環(huán)節(jié)，以增加變形區(qū)域的寬度。

我們保護(hù)乘客的因素主要有以下幾點(diǎn)：

前保加強(qiáng)梁、縱梁、前圍板、車門、等車身件——結(jié)構(gòu)安全性；

發(fā)艙內(nèi)零部件、方向盤、腳踏板、儀表板等——布置安全性；

儀表板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、氣囊、安全帶、座椅等——約束系統(tǒng)保護(hù)。

本章主要闡述的是布置設(shè)計(jì)在安全性上的作用。

2 前部空間

被動(dòng)安全設(shè)計(jì)需要定義整車的可變形空間，需要保證可變形空間以保證能量吸收量。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱碰撞中本身基本不可潰變，僅在空間產(chǎn)生位移現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)指導(dǎo)和布置分析及碰撞模擬過程中都簡(jiǎn)單處理為不可變形的剛性體。在布置安全性設(shè)計(jì)中首要要考慮的是前部結(jié)構(gòu)的整體布置，高速碰撞中的ODB 碰撞，此處可借鑒法規(guī)GB/T 20913 乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)及C-NCAP 中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程的要求，車頭前部的結(jié)構(gòu)布置形式可按下圖1 所示進(jìn)行：

圖1 OBD 碰撞高度布置

前碰的主要前段傳力結(jié)構(gòu)有縱梁、副車架、shotgun。對(duì)于100%正碰，壁障是一堵墻，對(duì)于以上三個(gè)結(jié)構(gòu)沒有特殊的高度布置要求；對(duì)于40%偏置碰，壁障是ODB 碰撞塊，此處對(duì)于縱梁、吸能盒、副車架和shotgun 有嚴(yán)格的布置要求。

上圖所示的三個(gè)Z 向高度為ODB 的主要高度尺寸，一般要求shotgun 高度H3 ≤850mm、吸能盒（沒有吸能盒則是縱梁）高度H2 ≤530mm、副車架高度H1 ≥200mm，主要目的是讓三個(gè)結(jié)構(gòu)件碰撞時(shí)接觸碰撞塊。

2.1 懸置支架設(shè)計(jì)

懸置支架的設(shè)計(jì)和布置不能占用過多的縱梁的壓潰變形區(qū)和變形空間，懸置的安裝點(diǎn)和懸置都是硬點(diǎn)，周邊難以產(chǎn)生吸能變形，它占用的空間必定會(huì)影響整車碰撞過程的吸能量；另外考慮支架在一定載荷下的可控失效，減小對(duì)乘員艙的沖擊和侵入。

發(fā)動(dòng)機(jī)支腳可采用鋁合金材料，在發(fā)生碰撞后很容易斷裂而下沉，保證其不會(huì)像炮彈一樣沖入駕駛艙傷害乘客。包括轉(zhuǎn)向柱以及剎車踏板等，在受到碰撞時(shí)要能及時(shí)斷裂，這也是減少傷害的有效方法之一，否則它們?nèi)菀讓?duì)駕駛員的頭、胸、腿等部位構(gòu)成威脅。

2.2 動(dòng)力總成尺寸

動(dòng)力總成是剛性體，在碰撞時(shí)不可壓縮，它的尺寸很大程度上決定了前部車身的變形空間。所以，在選擇及布置動(dòng)力總成是，盡量使動(dòng)力總成的X 向尺寸最小，以增大前艙的可潰縮空間；其次，可采用軟質(zhì)的進(jìn)氣管。

2.3 副車架

副車架本體是剛度很高的承載體之一，碰撞中若提前接觸到副車架將會(huì)影響車身結(jié)構(gòu)壓潰吸能的變形部位，導(dǎo)致整車碰撞的加速度峰值提前或增大，乘員艙的乘員也會(huì)因過大或提前到來的加速度，造成嚴(yán)重的傷害。因此設(shè)計(jì)和布置副車架時(shí)既要考慮它的承載作用也要兼顧碰撞安全效果。但要是在可變形區(qū)域，將副車架前端做吸能處理，那么在發(fā)生正面碰撞時(shí)，副車架前端就成為了整車碰撞吸能的一個(gè)重要部分。此時(shí)，副車架前端的高度、吸能結(jié)構(gòu)以及與縱梁的連接位置，要綜合考慮ODB 碰撞、行人保護(hù)及對(duì)縱梁影響的要求。

2.4 蓄電池

蓄電池在碰撞過程中是不可壓縮物，在布置時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮布置在副駕駛側(cè)，并且盡量向上布置。與懸置類似，也應(yīng)布置在前艙不可潰縮部位。蓄電池的支架若連接在縱梁上，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一些弱化結(jié)構(gòu)來配合前端壓潰。

2.5 制動(dòng)

真空助力器受到碰撞力的作用，大多會(huì)導(dǎo)致防火墻侵入乘員艙、踏板后移，最終導(dǎo)致乘員傷害的增大。所以，應(yīng)盡量減小真空助力器X 向尺寸，布置時(shí)其它硬物應(yīng)與真空助力器Y 向錯(cuò)開，防火墻增加橫梁減小侵入。

2.6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

發(fā)生碰撞過程中，人體胸部和頭部的傷害值主要來源轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱的碰撞傷害。根據(jù)此要求：

1、轉(zhuǎn)向管柱本身的安裝角度及碰撞中運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)影響人體對(duì)管柱的壓縮變化，改變了管柱設(shè)計(jì)吸能的作用，導(dǎo)致人體傷害值加大；

2、外部件碰撞運(yùn)動(dòng)撞擊轉(zhuǎn)向管改變了安裝布置位置，沒有起到設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致吸能失效，所以布置轉(zhuǎn)向應(yīng)充分考慮周邊的碰撞時(shí)可能的環(huán)境；

3、碰撞A 柱的侵入和整車的彎曲量加大的轉(zhuǎn)向管的位移；

4、布置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意在Y 向上避讓其它硬物。

2.7 前保險(xiǎn)杠布置

前保險(xiǎn)杠總成布置：根據(jù)市場(chǎng)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)來定義前保險(xiǎn)杠總成的性能。如：法規(guī)前碰ODB 的定義、前保險(xiǎn)杠低速碰撞吸能、壓潰空間、Euro NCAP 試驗(yàn)ODB 碰撞標(biāo)準(zhǔn)、整車性能等。為滿足這些要求，我們就要對(duì)前保險(xiǎn)杠的碰撞性能的敏感性，如：保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)、壓潰空間、布置高度、截面面積、材料等進(jìn)行研究。

前保險(xiǎn)杠的布置高度一般由前縱梁的高度來決定，要是此高度匹配不合理會(huì)導(dǎo)致前縱梁在碰撞過程中壓潰失穩(wěn)，導(dǎo)致后端大彎曲變形很可能對(duì)乘員艙侵入量過大。

3 乘員艙人機(jī)空間

對(duì)于整車被動(dòng)安全，乘員艙空間在縱向垂面上的示意圖如下圖文所示，主副駕的空間要求條目在成員安全性設(shè)計(jì)的中內(nèi)容主要有如表所示的內(nèi)容。

圖2 假人與車的位置關(guān)系

表1 假人空間尺寸說明

需注意除座椅高度、玻璃窗和頭枕高度外，前碰和側(cè)碰時(shí)乘客廂的所有設(shè)置必須完全相同。

4 整車后部碰撞布置

4.1 后部結(jié)構(gòu)壓潰空間及布置

根據(jù)碰撞力的傳遞特性，可以把后碰劃分以下幾個(gè)區(qū)域：碰撞緩沖區(qū)、壓潰變形吸能區(qū)、碰撞安全保碰撞力的傳遞區(qū)，如圖3示意。

圖3 后碰力的傳遞示意圖及各區(qū)域分布圖

要達(dá)到良好碰撞性能，后保橫梁和后縱梁的高度布置起很大的決定因素。其中后保橫梁和后縱梁的高度布置息息相關(guān)，縱梁的布置同時(shí)決定后底板的高度。所以后底板設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)需要考慮后碰法規(guī)GB 20072 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求。

根據(jù)各項(xiàng)法規(guī)要求，定義出后保橫梁中心離地高度要求范圍：歐洲為455mm-502mm，北美為457mm-508mm。后保橫梁中心在設(shè)計(jì)狀態(tài)下離地高度按照457mm-502mm 布置能滿足要求。后保橫梁高度確定后，后縱梁高度也同時(shí)確定，最終后底板的高度也取決于后縱梁的高度。

4.2 備胎的布置

備胎的布置主要考慮：備胎與油箱間的間隙。如圖4 所示：考慮后碰油箱的泄露情況。對(duì)于A 值而言，我們希望它盡量小——為零或者備胎底面高于油箱的最高面最好，這樣在發(fā)生后碰備胎沿向車頭的方向移動(dòng)的時(shí)候，減小碰到油箱的可能性；對(duì)于B 值而言，我們希望它盡量的大，一般經(jīng)驗(yàn)值B 大于100mm；對(duì)于C 值而言，我們希望它盡量的大，一般經(jīng)驗(yàn)值C 大于200mm。

圖4 備胎空間布置

對(duì)于備胎的布置，現(xiàn)在國際上有一種趨勢(shì)。備胎在后碰過程中向前偏上或偏下方移動(dòng)，這樣可以減少對(duì)油箱的碰撞。具體做法：在備胎固定處設(shè)計(jì)引導(dǎo)支架，在備胎與油箱之間設(shè)置較強(qiáng)支架或者橫梁，在后碰過程中將備胎擋住，減少對(duì)油箱的碰撞。

4.3 油箱的布置

油箱的布置主要考慮以下三大問題：

油箱安裝點(diǎn)的設(shè)置及安裝點(diǎn)強(qiáng)度根據(jù)油箱設(shè)定容積不同，安裝點(diǎn)的個(gè)數(shù)及布置也不同，但至少要布置三個(gè)安裝點(diǎn)。為了提高安裝點(diǎn)的強(qiáng)度，安裝點(diǎn)一般布置在后底板橫梁上。多采用車身上焊接M8 或M10 焊接螺母。推薦采用四點(diǎn)固定，車身焊接螺母使用QR37108。

油箱與底板預(yù)留間隙油箱與后底板總成中各件需預(yù)留間隙，一般間隙值為7 ～10mm，一方面可以減小安裝難度，另一方面可以避免車在運(yùn)動(dòng)過程中油箱碰撞底板引起噪聲。但是油箱并不是所有的面都保證與車身至少7 ～10mm 間隙，一般油箱都會(huì)有三個(gè)面是與車身貼合的，在貼合處增設(shè)減震墊，使得油箱與車身的接觸為軟接觸。這樣既可以減少安裝點(diǎn)處的強(qiáng)度，又可以減少油箱與底板的接觸噪聲。另外，加油管和車身之間的距離需大于10mm。

后碰燃油泄露問題

A、油箱附近一定范圍內(nèi)最好不要有尖銳的翻邊以及突出的螺栓。

因?yàn)檫@些尖銳的翻邊及突出的螺栓若正對(duì)著油箱或加油管，完全有可能在后碰的時(shí)候這些東西會(huì)將油箱或加油管穿破。

B、油箱自身問題。

實(shí)事上，在后碰中最容易泄油的并不是油箱本身，而是加油管與油箱連接處。這些就需要設(shè)計(jì)油箱時(shí)加以注意。

C、b 值盡可能大些，一般布置經(jīng)驗(yàn)要大于60mm，后面副車架梁的開口槽設(shè)計(jì)最好不要對(duì)著油箱或增加一個(gè)圓角翻邊，如圖5 所示。

圖5 燃油箱翻邊結(jié)構(gòu)

燃油箱體積變化量不超過5%，塑料燃油箱最大塑性應(yīng)變不超過0.3mm，金屬燃油箱最大應(yīng)力不超過燃油箱材料最大屈服應(yīng)力的70%。以上主要是CAE 分析參考值。

5 總結(jié)

本文主要從布置設(shè)計(jì)的角度闡述被動(dòng)安全的設(shè)計(jì)，文中所述的設(shè)計(jì)方案主要偏向于乘用車，而商用車可參考之。另外，一篇文章不可能把所有的設(shè)計(jì)內(nèi)容均考慮完備，比如行人保護(hù)的要求對(duì)于布置空間也是有的，如，一般要求發(fā)蓋內(nèi)側(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)最上端硬物之間的距離不小于75mm；發(fā)蓋鎖扣為硬物，不可布置在發(fā)蓋最前端；同時(shí)考慮雨刮旋轉(zhuǎn)軸布置在發(fā)蓋內(nèi)，及相應(yīng)可潰縮處理等。本文所闡述內(nèi)容，也體現(xiàn)了整車安全性設(shè)計(jì)所涵蓋的內(nèi)容是及其廣泛的，需要結(jié)合整個(gè)研發(fā)團(tuán)的力量進(jìn)行設(shè)計(jì)之。