王 倩

一種波浪型行人保護(hù)橫梁設(shè)計(jì)

王 倩

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

行人保護(hù)安全作為汽車(chē)安全性能的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，越來(lái)越受到汽車(chē)行業(yè)及廣大消費(fèi)者的重視。而行人保護(hù)橫梁作為對(duì)行人腿部安全起決定性作用的零件，設(shè)計(jì)顯得尤為重要。根據(jù)C-NCAP 2021五星碰撞要求，行人保護(hù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)苛，所以設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足要求的行人保護(hù)橫梁勢(shì)在必行。報(bào)告了目前行人保護(hù)橫梁的現(xiàn)狀，對(duì)常用的行人保護(hù)橫梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了當(dāng)前設(shè)計(jì)的不足之處。同時(shí)結(jié)合一款新開(kāi)發(fā)車(chē)型，提出了一種滿(mǎn)足五星碰撞要求的新型設(shè)計(jì)方案，利用波浪型結(jié)構(gòu)增大了行人腿部變形空間，提高了腿部得分，并且通過(guò)CAE模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

行人保護(hù)安全；行人保護(hù)橫梁；C-NCAP 2021；波浪型結(jié)構(gòu)；汽車(chē)安全

自美國(guó)在1979年最早采用新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（New Car Assessment Programme, NCAP）體系以來(lái)，汽車(chē)安全性能逐漸被廣大的汽車(chē)消費(fèi)者所了解。汽車(chē)技術(shù)日趨進(jìn)步，其安全性能要求越來(lái)越高，逐漸由狹義安全向廣義安全進(jìn)化。狹義安全指的是汽車(chē)具有足夠的強(qiáng)度以保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員的安全；廣義安全指的是汽車(chē)在保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員的安全的同時(shí)，也可以兼顧車(chē)外行人的安全，從而降低整個(gè)交通事故中人員的傷亡率[1]。為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)廣義安全，汽車(chē)需要在具備高強(qiáng)度車(chē)身結(jié)構(gòu)以保護(hù)乘員安全的前提下，在車(chē)頭保險(xiǎn)杠區(qū)域需具有可以吸能的緩沖區(qū)來(lái)保護(hù)車(chē)外行人的安全，這是對(duì)汽車(chē)車(chē)前部保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)安全開(kāi)發(fā)的極大挑戰(zhàn)。

圖1為人-車(chē)碰撞示意圖。當(dāng)汽車(chē)碰撞行人時(shí)，行人的頭部和腿部往往是受傷嚴(yán)重并可能導(dǎo)致死亡的部位。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，受傷的行人中，31.2%為頭部受傷，32.4%腿部受傷[2]。受傷的原因是行人的頭/腿撞擊到汽車(chē)的保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、玻璃等部件上。

圖1 人-車(chē)碰撞示意圖

行人保護(hù)是汽車(chē)廣義安全的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP2021將汽車(chē)的行人保護(hù)性能納入評(píng)價(jià)體系。行人保護(hù)分為頭部保護(hù)和腿部保護(hù)，腿部保護(hù)安全要求人-車(chē)碰撞時(shí)，盡可能地降低行人腿部受傷的風(fēng)險(xiǎn)[3]。圖2為行人保護(hù)試驗(yàn)腿型碰撞示意圖，可以看到在人的腿部受到汽車(chē)碰撞時(shí)，脛側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament, MCL）、前十字韌帶（Anterior Cruciate Ligament, ACL）、后十字韌帶（Posterior Cruciate Ligament, PCL）；下腿脛骨彎矩（Tibia）都會(huì)受到很大的沖擊。

本文結(jié)合現(xiàn)有的行人保護(hù)橫梁技術(shù)現(xiàn)狀，以及結(jié)合C-NCAP2021最新要求，在某款新車(chē)型開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)了一種既滿(mǎn)足五星碰撞要求，又具有緩沖功能的行人保護(hù)橫梁。

圖2 行人保護(hù)試驗(yàn)腿型碰撞示意圖

1 行人保護(hù)橫梁技術(shù)現(xiàn)狀

圖3為汽車(chē)車(chē)頭示意圖。汽車(chē)車(chē)頭結(jié)構(gòu)的防撞前橫梁布置高度往往與行人膝部相當(dāng)，撞擊過(guò)程中引起行人膝部彎折角度過(guò)大，是造成行人腿部膝部韌帶拉傷的主要原因。行人保護(hù)橫梁布置高度與行人小腿下端相當(dāng)，撞擊過(guò)程中可以將行人小腿彈起，從而降低行人膝部彎折角度，進(jìn)而降低行人膝部韌帶拉傷的風(fēng)險(xiǎn)。但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)高的行人保護(hù)橫梁會(huì)對(duì)行人小腿造成沖擊，增加行人小腿骨折的風(fēng)險(xiǎn)[4]。所以行人保護(hù)橫梁不僅需要擁有足夠的支撐性能，同樣需要具備足夠的緩沖吸能性能，才能最大程度地降低行人腿部受傷風(fēng)險(xiǎn)，提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性。

圖3 汽車(chē)車(chē)頭示意圖

目前國(guó)內(nèi)主要的主機(jī)廠(chǎng)為了滿(mǎn)足C-NCAP 2021五星碰撞要求，普遍是通過(guò)在前保險(xiǎn)杠橫梁下端增加行人保護(hù)橫梁實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)也深受廣大消費(fèi)者的青睞。圖4為某量產(chǎn)車(chē)型的前保險(xiǎn)杠橫梁總成示意圖。

主橫梁、端板、吸能盒、“天鵝頸”支架、行人保護(hù)橫梁組成了前保險(xiǎn)杠橫梁總成。行人保護(hù)橫梁兩端通過(guò)鉚釘或者插片與“天鵝頸”支架下端連接，“天鵝頸”支架上端通過(guò)焊接與主橫梁連接，端板與車(chē)身縱梁連接完成前橫梁總成的固定。

圖4 前保險(xiǎn)杠橫梁總成示意圖

在腿部打擊器沖擊時(shí)，前橫梁會(huì)受到較大的彎矩作用，吸能盒以及“天鵝頸”支架需具有足夠強(qiáng)的剛度，行人保護(hù)橫梁需要給腿部打擊器提供足夠的反彈力，進(jìn)而降低腿部打擊器膝部的彎折程度，用于滿(mǎn)足膝部韌帶伸長(zhǎng)量（MCL, PCL/ ACL）限值要求。并且“天鵝頸”上端與主橫梁通過(guò)焊縫連接，較高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致行人保護(hù)橫梁缺乏緩沖性能，造成腿部打擊器小腿部分承受較大彎矩，很難滿(mǎn)足脛骨彎矩（Tibia）限值要求。隨著C-NCAP要求逐漸提高，如何調(diào)和行人保護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)的支撐與緩沖性能的矛盾變得越來(lái)越重要[5]。

2 一種波浪型行人保護(hù)橫梁設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的行人保護(hù)的分析，需要保證行人保護(hù)橫梁既具有一定的支撐性能，又具有緩沖性能。下文展開(kāi)對(duì)于滿(mǎn)足這兩項(xiàng)性能的行人保護(hù)橫梁的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

圖5為傳統(tǒng)行人保護(hù)橫梁局部放大圖?？梢钥吹?，采用現(xiàn)有技術(shù)的行人保護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)中，行人保護(hù)橫梁通過(guò)垂直的面與“天鵝頸”支架固定。在行人保護(hù)腿部打擊過(guò)程中，行人保護(hù)橫梁的支撐性能與緩沖性能相互沖突，支撐性能優(yōu)則緩沖性能差，導(dǎo)致小腿彎矩指標(biāo)變差；緩沖性能優(yōu)則支撐性能差，導(dǎo)致小腿回彈不足，膝部彎折過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致膝部韌帶伸長(zhǎng)量指標(biāo)變差。因此，很難滿(mǎn)足小腿彎矩指標(biāo)和膝部韌帶伸長(zhǎng)量指標(biāo)都達(dá)標(biāo)的總體要求。

圖5 傳統(tǒng)行人保護(hù)橫梁局部放大圖

本文設(shè)計(jì)的波浪型行人保護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)如圖6所示。第一變型面通過(guò)第二變型面與行人保護(hù)橫梁本體的上端部相連接，第四變型面通過(guò)第三變型面與行人保護(hù)橫梁本體的下端部相連接。當(dāng)腿部打擊器撞擊時(shí)，行人保護(hù)橫梁本體向車(chē)身內(nèi)側(cè)變形后，第二變型面和第三變型面隨之發(fā)生折彎變形，相比于原狀態(tài)單一垂直面的設(shè)計(jì)方式，通過(guò)設(shè)計(jì)第二變型面和第三變型面增大了緩沖空間，解決了緩沖性能不足的問(wèn)題。第一變型面、第二變型面、行人保護(hù)橫梁本體、第三變型面以及第四變型面相互之間組成波浪變形緩沖結(jié)構(gòu)，行人保護(hù)橫梁本體包括上翻邊和下翻邊，上翻邊與下翻邊之間通過(guò)中間連接板相連接。其中，中間連接板的縱向橫截面為外凸半圓弧形結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)行人在腿部受到?jīng)_擊時(shí)，由于中間連接板的外凸半圓弧形結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步起到緩沖的作用。

圖6 新型行人保護(hù)橫梁局部放大圖

第一變型面的末端與“天鵝頸”支架的上部通過(guò)螺栓或插片固定連接。第四變型面的末端與“天鵝頸”支架的下部通過(guò)設(shè)置安裝孔的方式相連接。其中，第一至第四變型面的沖壓角度以及料厚均可以根據(jù)需要調(diào)整，這樣可以改善支撐強(qiáng)度以及緩沖空間。另外通過(guò)調(diào)整行人保護(hù)橫梁本體的沖壓角度，料厚以及開(kāi)口大小也可以改善支撐強(qiáng)度和緩沖空間。第一至第四變型面為一體式成型結(jié)構(gòu)，這樣可以保證行人保護(hù)橫梁的剛度。通過(guò)模擬行人保護(hù)腿部撞擊，可以看到該結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中很好地實(shí)現(xiàn)的緩沖吸能的作用。圖7為行人保護(hù)橫梁碰撞前后變形情況，該結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中發(fā)生了完全的折彎變形，很好地起到了緩沖作用，而因?yàn)橛小疤禊Z頸”支架的支撐，又可以起到一定的限位作用，使得行人保護(hù)橫梁不會(huì)發(fā)生過(guò)大的侵入變形。

圖7 行人保護(hù)橫梁碰撞變形情況

該結(jié)構(gòu)的行人保護(hù)模擬計(jì)算結(jié)果如圖8所示，可以看到該結(jié)構(gòu)很好地滿(mǎn)足了行人保護(hù)性能要求。

(a) 不同Y向坐標(biāo)的脛骨彎矩值 (b) 不同Y向坐標(biāo)的韌帶伸長(zhǎng)量

該行人保護(hù)橫梁系統(tǒng)能夠在保證行人保護(hù)橫梁具有足夠支撐性能的前提下，具有優(yōu)秀的緩沖功能，在腿部打擊器撞擊行人保護(hù)橫梁時(shí)，為行人保護(hù)橫梁提供足夠緩沖區(qū)域，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加20%～30%的緩沖空間，降低小腿受到的彎矩，同時(shí)限位功能防止變形過(guò)度，回彈過(guò)程可以提高行人保護(hù)橫梁1.5～2倍回彈力，幫助腿部打擊器回彈，進(jìn)而降低腿部打擊器膝部韌帶伸長(zhǎng)量，提升行人保護(hù)性能20%以上；同時(shí)該行人保護(hù)橫梁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升50%以上，加強(qiáng)整車(chē)高速碰撞安全性能、車(chē)頭保險(xiǎn)杠垂向剛度均有非常明顯的作用。

為了更好地驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)方案的支撐強(qiáng)度，進(jìn)行了原設(shè)計(jì)狀態(tài)的橫梁與新設(shè)計(jì)狀態(tài)橫梁的向剛度對(duì)比。通過(guò)分別在中間施加500 N載荷以及行人保護(hù)橫梁與“天鵝頸”支架連接處施加500 N載荷，可以看到向變形如圖9所示。

可以看到，在中間加載500 N時(shí)，傳統(tǒng)的行人保護(hù)橫梁向變形11.1 mm，波浪型行人保護(hù)橫梁向變形11.0 mm；在連接點(diǎn)加載500 N時(shí)，傳統(tǒng)的行人保護(hù)橫梁向變形1.8 mm，波浪型行人保護(hù)橫梁向變形1.3 mm。該設(shè)計(jì)方案對(duì)行人保護(hù)橫梁的支撐性能也有改善。

3 結(jié)論

新開(kāi)發(fā)的波浪型行人保護(hù)橫梁，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足最新C-NCAP 2021五星要求，使在汽車(chē)與行人發(fā)生撞擊時(shí)，盡可能地降低行人腿部受傷的風(fēng)險(xiǎn)，為國(guó)內(nèi)后續(xù)新車(chē)型開(kāi)發(fā)提供了借鑒和參考。

[1] 劉衛(wèi)國(guó),呂曉江,孫立志,等.國(guó)外行人柔性腿型沖擊器的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào),2014,4(6):455- 460.

[2] 常曉宇,范英華,喬鑫,等.某車(chē)型行人保護(hù)頭部對(duì)標(biāo)分析[J].汽車(chē)工程師,2016(11):52-55.

[3] 張新宇,劉彥君,呂鑫.基于NCAP的不同國(guó)家行人保護(hù)評(píng)價(jià)體系相關(guān)性研究[J].北京汽車(chē),2017(2):22-27.

[4] 許偉,李凡,劉琦.車(chē)輛行人碰撞事故中小腿骨折傷害的研究[J].汽車(chē)工程,2011,33(4):321-324.

[5] 曲杰,徐梁,馬強(qiáng).滿(mǎn)足行人腿部保護(hù)要求的保險(xiǎn)杠部件改進(jìn)[J].汽車(chē)零部件,2018(6):1-5.

Design of a Wave Type Pedestrian Protection Beam

WANG Qian

( SAIC Volkswagen, Shanghai 201805, China )

As an important evaluation index of vehicle safety performance, pedestrian protection safety has been paid more and more attention by the automotive industry and consumers. As a decisive part of leg safety in pedestrian protection, the design of pedestrian protection beam is particularly important. According to the five-star requirements of C-NCAP 2021, the scoring standard of pedestrian protection has become more stringent, so it is imperative to design a pedestrian protection beam that meets the requirements. This paper reports the current situation of pedestrian protection beams, studies the design of common pedestrian protection beams, and puts forward the shortcomings of the current design. At the same time, combined with a newly developed vehicle, a new design scheme meeting the requirements of five-star collision is proposed. The wave structure is used to increase the deformation space of pedestrian legs and improve the leg protection score. The stability of the structure is verified by computer aided engineering(CAE)simulation and experi- mental verification.

Pedestrian protection safety; Pedestrian protection beam; C-NCAP 2021; Wave type structure;Vehicle safety

U463

B

1671-7988(2022)24-65-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.011

王倩（1990—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)外飾件，E-mail:wangqian3@csvw.com。