微轿水箱安装横梁的结构优化

2013-04-16胡智勇刘忠刚张建明刘仲阳

汽车科技 2013年2期

胡智勇，刘忠刚，李远，张建明，刘仲阳

（海马轿车有限公司，郑州 450016）

安全性和环保性是当今汽车发展的主要方向，当人们在购买和使用汽车时，首要关注的就是与自身有密切相关的安全性能，提高汽车的安全性是汽车工业的主要任务。同时随着地球能源的日益紧张和人们节能减排意识的日益提高，微型轿车由于能耗低、灵活性强，越来越受到人们的青睐。出于自身成本与设计的原因，微型轿车前舱的布置通常比较紧凑；如果刻意为了提高车身的安全性，传统的设计方法需要增大车身的结构，增加车身的重量和长度，这样会造成影响到汽车整体布置。所以微轿的成功与否同安全性、整体布置之间的平衡有直接的关系。为了使微轿结构更安全，性能更强大，车身前舱结构势必要进行更多的创新与优化。本文主要介绍汽车前舱中的一个部件——水箱横梁的结构优化。

1 汽车的被动安全防护

被动安全是指车辆在发生不可避免的事故后，车体及约束系统对车内乘员和在外行人进行保护，使人员的伤害程度降到最低。

目前汽车上普遍采用的被动安全措施主要包括采用安全带、安全气囊等乘员约束系统来保护乘员；采用结构缓冲与吸能措施来减少碰撞过程中乘员承受的碰撞能量。其中提高汽车碰撞安全吸能的一个主要方面就是改善汽车的结构缓冲和吸能特性。它一般是靠设计具有较好变形吸能特性的安全车身结构来吸收碰撞能量，即通常所说的“碰撞吸能结构”。

1.1 碰撞吸能结构

车身主要由薄板结构构成。在正面碰撞中，车身纵梁在碰撞中承受主要的吸能与抵抗外力变形，一般纵梁吸能占总能的50%以上，所以，优化纵梁的正面碰撞特性可以明显改善纵梁的吸能特性，保证乘员的安全。为了在发生碰撞时更好地保护车内乘客的安全，轿车车身的前后还设计有变形区，或者称之为吸能区。以便保证在发生碰撞时，轿车车身的变形能够按照预先设计的方向逐渐变形直至停车，从而尽量减小传递到乘客舱和乘客身体的冲击，减小乘客舱的变形，保障车内乘客安全。设计变形吸能区时，需要在车身上设计一些强度比较小的区域。在发生碰撞时这些区域会断裂或者发生折叠，而不会向乘客舱方向挤压。经过精确设计变形吸能区的轿车，可以准确预测发生碰撞时车身的变形方向和程度。

1.2 吸能区结构的设计原则

通过设计人员多年的研究与分析，汽车碰撞吸能结构方面也取得了大量的成果，以下是几条通用的设计原则：

（1）碰撞过程中，能量吸收结构的变形模式应当稳定，具有可重复性和可靠性，即吸能结构在随机的碰撞事件中能以相对固定的模式吸收碰撞能量。

（2）在能量吸收过程中，应控制质心加速度以保护乘员的安全，将加速度引起的惯性力过载控制在人体伤害极限范围内；

（3）为了吸收更多的总动能，吸能结构应提供尽量多的变形行程，而且在变形前不占据过大的空间，变形后不造成次生破坏（例如侵穿或碎片飞裂等）；

（4）出于节能的要求，装置在汽车上的能量吸收结构应该质量较轻，具有良好“比吸能”，即单位质量所吸收能量较高；

（5）能量吸收装置通常是一次性使用结构，成本低廉，易于制造和更换。

现代轿车的变形吸能设计通常为盒状吸能区结构，吸能盒是一个封闭的腔体（见图1），并分布有溃缩筋，布置在防撞梁后面，起缓冲作用。

2 微轿水箱安装横梁的优化

汽车水箱安装横梁通常布置在汽车前舱中的前部，它的主要作用是安装固定汽车散热水箱，同时对汽车正碰时产生的碰撞力给予分解与缓冲。

对于微型轿车，由于车型的限制，前发动机舱的结构改进幅度只能是渐进式。为了充分挖掘水箱安装横梁的功能性，提高车身正碰的安全性，对水箱安装横梁的结构有针对性的进行了两方面的优化：

（1）在可控制加长车身的情况下，增加吸能区结构；

（2）减少与车身的固定连接点，增加前发动机舱的使用空间（见图2）。

2.1 新增吸能区结构的CAE分析

根据吸能区结构的设计原则，在水箱安装横梁的下部左右安装处各增加了一个盒状的吸能结构，吸能盒结构上设置有溃缩筋，同时水箱横梁的支撑板由板状改为槽装结构，与吸能盒一起作为碰撞吸能区对碰撞力进行缓冲。经过对改进前后数据进行车身碰撞CAE分析对比，可以得到加速度（Acc.）、速度（Vel.），左、右侧曲线图见图 3、图 4。

首先，在加速度曲线对比图中可以看到：改进后的方案达到的第一峰值和第二峰值均比改进前方案有大幅度的减低；其次，在速度曲线图对比图中可以看到：改进后的方案在速度降到0 km/h时所用的时间长于改进前的方案。综合对比可以得出结论：由于增加吸能区结构的因素，对碰撞力产生了缓冲和吸收，可以使车身受到的碰撞动能有明显的减少。

为更直观的观察车身受力变形情况，进行车身变形CAE的分析，根据不同时间点对前车身碰撞左视图进行观察（见图5）。

由图5可以看出在0.012秒前，车身受到的动能充分作用在吸能区结构上，当吸能区变形结束后，才将碰撞力传给纵梁。所以，在车身碰撞开始阶段，吸能区将大量动能进行吸收，从而降低了车身的碰撞峰值力，减轻了碰撞伤害。

2.2 独立简洁的水箱安装横梁结构

在改进车身被动安全性能的同时，综合考虑了水箱安装横梁结构改进后的结构简化，平衡因新增吸能区而增加车身重量。

设计该水箱安装横梁结构为独立的门式结构（见图6），上部安装固定汽车散热水箱1，下部与车身连接固定处集成了吸能盒结构2，吸能盒的前部使用螺栓固定前防撞加强梁3。

由于在结构中集成了吸能盒结构2，水箱横梁支撑板4由板状结构变成槽状结构，使水箱安装横梁在车身X方向上的稳定性大大增加。同时通过水箱安装板5的焊接，与水箱上横梁6及水箱横梁支撑板4形成三角加强结构，保证了水箱安装横梁的强度，进而取消传统的轮罩板与水箱安装横梁连接方式，使其结构简化紧凑，在保证水箱安装横梁强度的同时，达到轻量化、增加前舱安装空间的目的。