某微卡驾驶室正面摆锤碰撞安全性优化设计

聂迎，顾鴃，刘熹

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某微卡驾驶室正面摆锤碰撞安全性优化设计

聂迎，顾鴃，刘熹

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要介绍通过一种微卡驾驶室结构优化，借助驾驶室正面摆锤碰撞CAE仿真分析，考察设计阶段驾驶室在正面摆锤撞击后是否存在乘员生存空间，为驾驶室结构优化提供参考，从而让整车满足正面摆锤碰撞强度的要求。

正面摆锤碰撞；CAE仿真

CLC NO.:U463.81 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-39-04

在我国汽车产业高速发展的今天，乘用车被动安全性能和评价越来越受到人们的关注。相对于乘用车，商用车被动安全性却还没有引起足够的重视，人们感觉商用车车身重、体积大，视野开阔，发生碰撞时车身损伤及人员受伤的概率都较小。但是就目前的商用车而言，国内的商用车大多是以平头驾驶室为主，其结构决定了驾驶室座椅位置离车辆的最前端的距离非常短，一旦商用车与商用车发生追尾碰撞或撞击到坚固的固定障碍物时，因受撞击时没有足够的缓冲吸能区，会对驾驶室造成严重的破坏，从而使得驾驶室中驾乘人员受到较严重的伤害，甚至死亡。

文章中的微卡属于平头车车型，在设计过程中通过CAE仿真分析，对此种微卡的驾驶室正面碰撞的强度进行仿真模拟，来考察碰撞后乘员的生存空间，为驾驶室结构设计提供参考。

1、驾驶室正面撞击试验的方法

该项试验是模拟商用车发生刚性碰撞时受到冲击能量对驾驶室的强度评价。

试验开始之前应将驾驶室安装在底盘上，并将车辆进行固定，通过横向、纵向及后部的方向对车辆进行固定，驾驶室的车门应关闭但不锁止。驾驶室固定在摆锤后面，摆锤为刚性钢制且质量均匀分布，摆锤的质量为1500Kg±250Kg。摆锤的撞击面应为平整的矩形，宽为2500mm，高为800mm。其棱边的圆角半径不小于1.5mm。摆锤总成应为刚性结构，摆锤由刚性地固定在其上的两根摆臂自由悬吊，摆臂间距不小于1000mm。两根摆臂应为腹板高不小于100mm的工字形截面或至少惯性矩相同的其他形式的截面。摆臂的长度。从悬吊轴到摆锤的几何中心不小于3500mm。摆锤的撞击面与车辆的最前部相接触，摆锤的重心应低于驾驶员座椅“R”点50+50mm，摆锤的重心应低于车辆纵向中心平面上。摆锤从前向后的方向撞击驾驶室的前部，撞击方向应为水平方向且平行于车辆纵向中心平面。对最大设计总质量不大于7000Kg的车辆，撞击的能量为29.4KJ，对于最大设计总质量大于7000Kg的车辆，撞击的能量应为44.1KJ。

试验后的生存空间以在座椅上放置第50百分位的男性身材的人体模型，当座椅处于中间位置，人体模型不应与车辆的非弹性部件发生接触。为了便于安装，可以将人体模型解体放入驾驶室内，为此可以将座椅调整到最后位置，然后在组装人体模型，并使其“H”点与座椅“R”点重合，最后将座椅前移至中间位置。为驾驶室正面摆锤撞击示意图如图1所示。

图1 驾驶室正面摆锤撞击示意图

2、微卡正面摆锤撞击CAE仿真分析

当驾驶室承受正面摆锤撞击时，乘员可能受到的伤害主要来源于仪表板和转向盘的后移，乘员可能受伤害的部位主要是腿部和胸部，测量参考点如图2所示。生存空间评价如表1所示。

图2 非弹性部件与人体模型距离示意图

表1 各测试点的最后位移量及乘员生存空间

根据上面的图表得出：主驾驶员的腿部的生存空间左右各只有-14.7mm和-23.2mm。人体模型与车辆的非弹性部件发生接触，无生存空间。

由于主驾驶员的腿部空间不够，无生存空间，因此需要改善驾驶室的吸能方式，让能量尽量少的施加于前围板，从而使前围板的侵入量减少，大大增加乘员的生存空间。

3、驾驶室结构优化方案

解决驾驶室正面撞击后乘员生存空间不足的问题，主要可以从两个方面去考虑，第一方面是加强白车身的刚度，改善驾驶室正面碰撞能量传递路径；第二方面是分散碰撞的能量，让其施加到白车身之外的零部件上。

3.1 加强白车身刚度，改善碰撞能量的传递路径

1）由于白车身只有在前部中部以及侧边中下段有空腔结构，这样的白车身结构没有较强的刚度。因为白车身整体未形成整体框架式空腔结构，无法实现承受正面碰撞时能量的有效传递，很难将能量传递到驾驶室侧围上，从而导致驾驶室内部空间严重溃缩，驾驶室正面撞击后乘员生存空间不足。在前围下部增加前围下横梁，并与地板形成密封的空腔结构。这样白车身整体形成整体框架式空腔结构，实现承受正面碰撞时能量的有效传递，提升驾驶室整体的刚度，能量可以传递到驾驶室侧围上，驾驶室能够整体移动。微卡结构如下图3所示。

图3 微卡整体结构及各空腔断面图

在前围与地板的搭接处增加前围下横梁，与地板形成A-A断面，A-A断面为封闭的空腔结构，与B-B、C-C、D-D 及E-E形成整体的框架式空腔结构。与正面碰撞力的方向垂直，有利于分解碰撞力，并将力传递到与空腔相连的纵梁总成和侧围总成上。能量传递图如下图4所示。

图4 驾驶室正面碰撞的能量传递图

2）改变位于驾驶室前面的防撞梁与驾驶室的地板的左右纵梁连接结构，将防撞梁一端安装在白车身地板左右纵梁上。此结构可以有效地将一半的冲击的能量传递给地板的左右纵梁上，从而减少作用在前围板上的能量，增加驾驶室正面撞击后乘员生存空间。防撞梁安装结构如下图5所示。

图5 驾驶室前方的防撞梁的安装结构

3.2 分散碰撞的能量，增强其它零部件的吸能能力

1）摆锤从高处撞击下来先撞击在位于前围前面的防撞梁上，然后才撞击前围板上。如让防撞梁先将一部分的能量吸收，那么作用在前围板上的能量就会减少，从而可以减少前围板的侵入量。将前保险杠防撞梁总成的安装支架上的加强筋从横向改成纵向，这样防撞梁就更容易吸收能量，减少作用于前围板上的能量。防撞梁变更方案如图6所示。

图6 防撞梁变更方案

2）由于在驾驶室正面摆锤撞击时，摆锤的底部已经与车架前端接触，为了减少前围板上的能量，可以将能量传递给车架。故将车架左右纵梁前端向前延伸60mm，来承受来自摆锤的冲击能量。如图7所示。车架左右纵梁加强板结构修改，加强此处的结构的强度，可以更好的承受冲击的能量。具体修改方案见图8。

图7 车架左右纵梁变更方案

图8 车架左右纵梁及加强板变更方案

3.3 优化后分析结果

经过设计优化，在进行一次CAE仿真分析，分析结果如表2所示。

表2 各测试点的最后位移量及乘员生存空间

从表中可以看出各个测量点都具有生存空间，最小处为34.2mm，可以满足《 GB 26512-2011 商用车驾驶室乘员保护》中的正面摆锤撞击的试验要求。

4、微卡正面摆锤撞击试验结果

对此微卡试验车进行正面摆锤试验，测得人体模型在试验车的初始生存空间及撞击后人体模型在试验车中的最终生存空间，并与CAE仿真分析对比。

图9 碰撞前各部位的初始生存空间

图10 碰撞后各部位的生存空间

通过试验结果与CAE分析结果对比，可以看出CAE与实际试验的初始生存空间基本上比较吻合，但碰撞后的最大侵入量实际试验结果比CAE分析值小，最后的剩余生存空间比CAE分析值大。

表3 正面撞击试验前后生存空间与CAE分析对比表

5、结论

文章主要介绍通过一种微卡驾驶室结构优化，借助驾驶室正面摆锤撞击CAE仿真分析，考察设计阶段驾驶室在正面摆锤撞击后是否存在乘员生存空间，为驾驶室结构优化提供参考，从而让整车满足正面摆锤碰撞强度的要求。可以得出以下结论：

1）通过驾驶室整体结构的优化，增强白车身的整体刚度。在白车身的前部下端增加空腔结构，白车身整体形成整体框架式空腔结构，提升驾驶室整体的刚度，实现承受正面碰撞时能量的有效传递，驾驶室能够整体移动，而非驾驶室内部空间严重溃缩，从而解决了驾驶室正面撞击后乘员生存空间不足的问题。

2）改善能量的传递路径。通过改变位于驾驶室前方的影响能量传递的零部件的安装结构，将能量传递到对生存空间影响较小处，比如地板的左右纵梁。从而解决了驾驶室正面撞击后乘员生存空间不足的问题。

3）分散碰撞的能量，增强其它零部件的吸能能力。其它零部件吸收部分能量，从而减少施加在前围上的碰撞能量。从而解决了驾驶室正面撞击后乘员生存空间不足的问题。

[1] 陆文斌,欧建华,王佳怡.商用车驾驶室乘员保护试验要求与方法研究.质量与标准化,2011.

[2] 王登峰,刘丽亚,苏玉萍.商用车驾驶室强度试验要求研究与分析.汽车技术，2010（10）：50-5.

A pickup truck cab positive pendulum collision safety optimization design

Nie Ying, Gu Jue, Liu Xi
（Anhui Jianghuai Automobile group co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly introduces using a micro bridge structure optimization, with the help of a cab positive pendulum impact CAE simulation analysis, design phase bridge in positive pendulum impact after the existence of a crew living space, to provide reference for bridge structure optimization, allowing the vehicle to meet the requirements of the positive pendulum impact strength.

Positive pendulum impact; CAE simulation

U463.81

A

1671-7988 (2017)08-39-04

聂迎，男，（1989-），工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。现从事车身设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.013