周超軍，段勛興，劉志翔，胡龍軍

（1.重慶化工職業(yè)學院，重慶 401220；2.愛德夏汽車零部件（重慶）有限公司，重慶 401254）

隨著各國行人保護法規(guī)的推進，行人保護逐漸受到各汽車廠商的重視，成為汽車安全領域的前沿和熱點問題[1-2]。汽車發(fā)動機罩作為頭部撞擊的集中區(qū)域，其區(qū)域內的發(fā)動機罩鉸鏈作為發(fā)動機罩內部硬點，發(fā)動機罩鉸鏈故障會對駕乘人員和行人造成危險[3]?；谛腥吮Ｗo，各大整車生產廠商、零部件企業(yè)、高校、科研機構對發(fā)動機罩鉸鏈進行了研究，各種發(fā)動機罩鉸鏈技術和產品得以發(fā)展和應用。

本文在對行人保護發(fā)展進行綜述的基礎上，從發(fā)動機罩鉸鏈的仿真分析及試驗、結構設計兩個方面詳細介紹了基于行人保護的發(fā)動機罩鉸鏈的研究，最后展望了發(fā)動機罩鉸鏈的發(fā)展方向。

1 行人保護的發(fā)展現狀

1.1 汽車安全技術面臨機遇和挑戰(zhàn)

近年來，隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，汽車進入千家萬戶，已成為非常普遍的交通出行工具。汽車在廣泛應用的同時，不可避免地會發(fā)生各種交通事故[4]。根據《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報（2016—2020年）》中指出，我國道路交通事故傷亡人數、死亡人數以及直接經濟損失一直處于高位運行，如表1所示。

表1 我國道路交通事故統(tǒng)計

在汽車產業(yè)發(fā)展新能源化、智能化、網聯化的大方向下，汽車安全技術將面臨更多的挑戰(zhàn)與機遇[5]。

1.技術更新，縱深發(fā)展

從保護人的根本原則出發(fā)，汽車安全技術研究向保護策略更精準、更接近實際道路交通工況的方向繼續(xù)深入。

2.廣泛融合，橫向拓展

從安全技術與新技術融合多領域交叉的角度，提出新的安全需要應對的風險、場景，拓展出安全技術新的需求與方向，更大范圍地為人提供保護。

1.2 行人保護矛盾日益凸顯

在車內安全氣囊、安全帶、堅硬的車身結構等安全技術的保護下，車內乘員的人身安全保護已逐步完善，然而行人在交通體系中卻又一直處于最弱勢的地位，相比于其他道路使用者，行人通常會面臨更大的傷亡風險[6]。

在世界各國的交通事故所導致的行人死亡率統(tǒng)計數據中，中國所占比例最高，達38.89%。在行人與汽車發(fā)生碰撞時，行人的各個身體部位都有可能受到不同程度的損傷，其中行人的頭部、胸部和下肢面臨嚴重傷害的概率最大。在人車碰撞事故中，行人保護矛盾日益凸顯[7]。

1.3 汽車主被動安全技術逐漸融合

行人安全保護方法分為主動安全保護和被動安全保護[8]。主動安全保護方法是在汽車碰撞到行人之前采用一些主動的應急措施來避免事故的發(fā)生；被動安全保護方法則是通過對車身結構的優(yōu)化或者設置添加一些有針對性的防護設備來減輕在人車碰撞過程中行人產生的損傷。

1.行人安全的主動防護方法

1）加強交通管理，加強交通安全素質教育，建立健全相關交通立法；

2）采用電子行人發(fā)射/接收器，通過行人隨身攜帶的發(fā)生器和安裝在汽車上的接收器相互感應來防止人車碰撞事故的發(fā)生；

3）采用輔助裝置，當駕駛員踩制動踏板力的大小及變化梯度符合緊急制動的條件時，就會迅速增加制動管路的壓力，避免或降低汽車與行人碰撞的損傷。

2.行人安全的被動防護方法

1）車身前端各部件的改型，包括保險杠的改進、改進結構降低保險杠的剛性或者提高保險杠部分結構的吸能特性；

2）發(fā)動機罩的改型，將發(fā)動機罩支撐結構改為更容易壓潰的結構、降低發(fā)動機罩前緣的剛度或者增加頭部碰撞區(qū)域下部空間提供緩沖；

3）行人安全氣囊，在保險杠和前風窗的位置安裝安全氣囊，利用傳感器檢測行人的位置，在碰撞之前將安全氣囊彈出[9]；

4）自動彈起式發(fā)動機罩，利用發(fā)動機罩彈起系統(tǒng)，當安裝在車身前端的行人檢測傳感器檢測到行人以及碰撞時，傳輸信號將發(fā)動機罩彈起一段距離，為行人頭部碰撞提供緩沖距離。

汽車主被動安全技術逐漸融合是主動安全系統(tǒng)中智能感知模塊對于被動安全決策邏輯提供支持[5]。

2 發(fā)動機罩鉸鏈的仿真分析及試驗現狀

目前，發(fā)動機罩鉸鏈的仿真分析及試驗主要從仿真分析研究和試驗驗證兩個方面開展，以仿真結合試驗的方法開展研究，以仿真分析研究為主。

2.1 仿真分析

喬維高等利用數學動態(tài)模型（Mathematical Dynamic Model, MADYMO）軟件，采用有限元仿真研究了發(fā)動機罩參數的變化對行人頭部傷害的影響[10]。葛如海等應用LS-DYNA程序，對發(fā)動機罩鉸鏈的行人保護性能進行仿真分析，得出壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈科研有效降低行人的頭部傷害值（Head Injury Criteria, HIC），可以有效保護行人的頭部[11]。杜廣智等利用HyperMesh作為前處理軟件，以HyperView作為后處理軟件，利用LS- DYNA970求解，約束車身六個自由度，行人保護假人部件采用ARUP公司的3.5 kg兒童頭部模型，分析發(fā)動機罩鉸鏈處的傷害值，并以此為依據改進設計具有壓潰臺階的發(fā)動機罩鉸鏈[12]。王菊等用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）優(yōu)化發(fā)動機前罩板鉸鏈機構的設計，以行人保護法規(guī)（Globally Technical Regulations, GTR）頭部碰撞試驗要求為基準，提出兩種發(fā)動機罩鉸鏈及鉸鏈加強板的優(yōu)化方案，結果表明，結構優(yōu)化可以有效降低頭部傷害值，但結構優(yōu)化需要考慮布置和結構實際情況[13]。陳立娜等以發(fā)動機罩多個結構參數為設計變量，利用有限元計算程序LS-DYNA及OptiStruct進行仿真計算，通過過目標優(yōu)化設計，發(fā)動機罩內板經結果拓撲優(yōu)化改進后，再安全性、防振性、輕量化等方面都有一定提升[14]。莫富灝建立Ford Taurus的多剛體模型，分析主動式發(fā)動機罩彈出高度對行人保護的效果[15]。都雪靜等應用結構自動網絡生成（ Automatic Net-generation for Structural, ANS）分析軟件建立發(fā)動機罩和行人頭部沖擊器的有限元模型，應用LS-DYNA有限元分析軟件，研究復合材料發(fā)動機罩的行人頭部保護，發(fā)現發(fā)動機罩鉸鏈處的HIC值偏高，通過挖空弱化，鉸鏈減薄，從而減少了鉸鏈對頭部的損傷值[16]。權利利用多剛體動力學軟件MADYMO與有限元軟件LS-DYNA，建立行人多剛體模型與車輛前部有限元模型，通過仿真分析確定主動式發(fā)動機罩的抬升高度和執(zhí)行時間對行人的碰撞傷害的影響，從而確定主動式發(fā)動機罩的關鍵設計參數[17]。ZHANG X Y等針對碰撞實例中發(fā)動機罩的鉸鏈斷裂，進行結構改進設計，采用多剛體動力學模型進行汽車碰撞墻壁的仿真分析，仿真結果表明，新設計可以大大提高車輛的耐撞性[18]。

綜合上述研究，針對發(fā)動機罩鉸鏈的仿真分析研究，是利用虛擬的行人或頭部模型和車輛模型，模擬仿真各種碰撞事故，獲取虛擬行人或頭部的運動狀態(tài)、受力情況及損傷程度，并仿真結果進行分析，從而得到碰撞時行人的損傷機理，以尋求降低行人損傷的發(fā)動機罩鉸鏈優(yōu)化方案，最終實現行人保護的目的。

2.2 試驗驗證

發(fā)動機罩鉸鏈的試驗驗證研究主要包括局部結構沖擊試驗和假人碰撞試驗。

局部結構沖擊試驗來自于新車評估規(guī)程（New Car Assessment Program, NCAP）和各個國家和地區(qū)依據NCAP所推出的地區(qū)版本，通過頭部模型、腿部模型與車輛的碰撞試驗，來還原行人的局部與車輛碰撞時的狀態(tài)[19]。劉庭志通過試驗測試發(fā)動機罩的行人保護性能，并就試驗結果和有限元仿真結果進行了對比分析，表明兩者結果具有一定的相似性[20]。

假人碰撞試驗就是利用行人假人與實車進行模擬碰撞[21]，通過行人模型與車輛的碰撞試驗，來還原行人與車輛碰撞時的狀態(tài)。本田公司升級研發(fā)了具有更好仿生性能的 PolarIII假人，對頭頸部、胸腹部、脛骨、股骨和膝部等部位的碰撞數據進行采集和評價[22]。日本汽車研究委員會研發(fā)出一種仿真度更高的柔性腿碰撞器FlexPLI，具有更高的仿真性[23]。Denton公司設計的立姿假人，可以更加仿真地模擬站立狀態(tài)下行人與車輛碰撞時的損傷狀態(tài)[20]。

3 發(fā)動機罩鉸鏈的結構設計類型

汽車發(fā)動機罩作為頭部撞擊的集中區(qū)域，其區(qū)域內的發(fā)動機罩鉸鏈作為發(fā)動機罩內部硬點，如何避免或減輕碰撞事故中行人的頭部與發(fā)動機艙內部的硬點相碰觸時的頭部傷害值成為發(fā)動機罩鉸鏈結構設計的關鍵。

基于行人保護的發(fā)動機罩鉸鏈結構設計主要有以下幾種類型：

3.1 主動式發(fā)動機罩鉸鏈

莫富灝分析了彈出式發(fā)動機罩對行人保護的效果，彈出式發(fā)動機罩明顯地降低了HIC值，并使之低于1000[15]。唐小東設計了一種主動式發(fā)動機罩鉸鏈裝置，并分析舉升后的HIC值，表明主動式發(fā)動機罩鉸鏈裝置對行人能夠起到極大保護作用[24]。劉庭志設計了一種雙搖桿式主動式發(fā)動機罩彈起機構，并研究分析了該機構的行人保護效果，結果表明，行人保護性能良好[20]。

主動式發(fā)動機罩鉸鏈，是在發(fā)生人-車碰撞事故時，行人頭部與發(fā)動機罩接觸之前把發(fā)動機罩抬升一定高度，避免行人頭部與發(fā)動機罩內硬點的接觸，使碰撞對行人頭部造成的傷害程度減至最低的一種新技術[17-25]。

主動式發(fā)動機罩鉸鏈具有以下優(yōu)點：

1）在碰撞之前彈起，有效增大變形空間，避免二次碰撞的發(fā)生；

2）變形空間的增大可降低發(fā)動機罩剛度，有利于實現車輛輕量化設計目標；

3）彈起后發(fā)動機罩提供一定行程的彈性支撐，可以有效地緩沖頭部碰撞，顯著減少頭部損傷值。

但是主動式發(fā)動機罩鉸鏈存在以下缺點：

1）價格昂貴；

2）對傳感器精確性要求非常高。

3.2 壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈

李子云等以增大發(fā)動機罩結構的潰縮空間，將鉸鏈活動臂與指梁的間距由4 mm提高至14 mm，仿真結果顯示，可以在一定程度上降低頭部損傷值[25]。杜廣智等通過在鉸鏈支撐件上設置壓潰臺階，然后利用計算機輔助分析的方法驗證該結構行人保護效果，表明該結構能夠有效降低頭部傷害值，且增大壓潰臺階，可持續(xù)降低頭部傷害值[12]。葛如海等通過剪切銷的形式為發(fā)動機罩鉸鏈提供壓潰空間，用計算機輔助分析的方法驗證該結構會顯著降低頭部傷害值，但是該結構需要較大的安裝空間[11]。袁俊彪等通過設置壓潰臺階和削弱槽的方式，設計壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈，有效降低行人頭部碰撞損傷值[26]。王宏雁等采用可潰式鉸鏈銷釘（直徑為8 mm的聚丙烯（Polypropylene, PP）工程塑料），作為主動式發(fā)動機罩鉸鏈結構，通過試車試驗，驗證了該結構保護效果明顯[27]。LEE J W等將發(fā)動機罩鉸鏈高度作為發(fā)動機罩鉸鏈的一個設計變量，研究發(fā)現發(fā)動機罩鉸鏈高度對行人頭部傷害具有一定影響[28]。

綜合上述研究，壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈，是在撞擊時使發(fā)動機罩鉸鏈結構發(fā)生塌陷，增加了發(fā)動機罩的變形空間，從而削弱行人頭部損傷。但壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈設計存在以下缺點：

1）對發(fā)動機罩鉸鏈的結構強度進行設計匹配使其到對行人頭部保護效果與車輛相關使用要求之間難以平衡，如果易壓潰則需要的變形空間較大，如果難壓潰則行人保護的效能又會受到影響；

2）發(fā)動機罩彈起時會將鉸鏈機構破壞，鉸鏈不可重復使用；

3）由于造型的需要和發(fā)動機艙的布置等因素，發(fā)動機罩下方的自由空間達不到要求；

4）鉸鏈側向剛度較低。

3.3 結構優(yōu)化設計發(fā)動機罩鉸鏈

汪俊等以延長鉸鏈支架長度的方式來規(guī)避鉸鏈旋轉中心對行人頭部撞擊的風險，但該種形式會加大鉸鏈尺寸，提高發(fā)動機罩鉸鏈布置難度[29]。王菊等通過弱化鉸鏈和修改鉸鏈及鉸鏈加強件，來優(yōu)化發(fā)動機罩鉸鏈的行人保護功能，取得明顯效果，但車輛前部布置和發(fā)動機罩鉸鏈結構情況會阻礙相關結構優(yōu)化的實施[13]。

通過優(yōu)化可以有效降低發(fā)動機罩鉸鏈對于頭部的傷害值，但結構優(yōu)化設計發(fā)動機罩鉸鏈存在以下缺點：

1）結構優(yōu)化提高了車輛前部造型的約束及鉸鏈的布置難度；

2）通過優(yōu)化可以降低鉸鏈傷害值，但仍然給頭部碰撞帶來很大的潛在風險和困難；

3）弱化剛性部位對鉸鏈的加工工藝提出較高的要求，成本增加。

3.4 可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈

王新等提出一種可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈，以鉸鏈向內折疊的方式，提升發(fā)動機罩在縱向上的緩沖空間，從而降低或避免頭部與發(fā)動機罩鉸鏈發(fā)生碰撞時的損傷，具有可重復利用、變形可靠、成本大大降低、沒有誤彈起等優(yōu)點[30]。但可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈存在以下缺點：

1）鉸鏈高度過高，會造成橫向剛度降低；

2）鉸鏈折疊結構和尺寸占用汽車發(fā)動機艙內部空間，增加了布置和通用性難度。

4 發(fā)動機罩鉸鏈研究展望

發(fā)動機罩鉸鏈經過廣大高校、企業(yè)、科研機構等研究，在仿真分析及試驗、結構設計等方面均取得了豐碩成果，伴隨科學技術的發(fā)展，基于行人保護的發(fā)動機罩鉸鏈的研究將不斷完善。對發(fā)動機罩鉸鏈未來的研究如下展望：

1）主動被融合的智能化汽車安全的提擋升級?；谥鲃颖蝗诤系闹悄芑踩瞧嚢踩夹g的必然趨勢，結合智能感知、主動控制等技術，發(fā)動機罩鉸鏈做出更加合理的響應，避免或降低碰撞所帶來的行人損傷；

2）開發(fā)和應用具有高生物保真度有限元模型，建立更加準確的仿真模型，在降低成本的同時提供可供試驗參考的仿真結果；

3）研制高仿生性假人和局部碰撞器，高度還原真實碰撞場景的行人損傷狀態(tài)，為行人保護提供更為可靠的試驗驗證；

4）研發(fā)代替原有的發(fā)動機罩鉸鏈的新材料，尋求結構強度和行人保護效能平衡的新材料；

5）隨著傳感器技術的不斷進步，主動式發(fā)動機罩鉸鏈作為一種使碰撞對行人頭部造成的傷害程度減至最低的新技術，將逐步成為發(fā)動機罩鉸鏈的研發(fā)及應用趨勢。

5 結語

在汽車安全技術面臨機遇和挑戰(zhàn)，行人保護矛盾日益凸顯，汽車主被動安全技術正逐漸融合，主動式發(fā)動機罩鉸鏈需求日益增加，汽車發(fā)動機罩作為頭部撞擊的集中區(qū)域，其區(qū)域內的發(fā)動機罩鉸鏈作為發(fā)動機罩內部硬點，基于行人保護的發(fā)動機罩鉸鏈的研究和推廣勢在必行。通過主動被融合的智能化汽車安全的提擋升級、開發(fā)和應用高生物保真度有限元模型，研制仿生性能更好的假人和假人局部碰撞器，研發(fā)行人保護性能更好的新材料。研發(fā)和推廣應用主動式發(fā)動機罩鉸鏈，基于行人保護的發(fā)動機罩鉸鏈將得到極大進步，有利推動汽車發(fā)動機罩區(qū)域行人保護的性能，降低汽車交通事故的傷亡人數。