某重型卡车前下部防护优化设计

2017-05-22晏强靳家琛

汽车实用技术 2017年17期

晏强，靳家琛

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

引言

重型卡车在当代经济建设中有着举足轻重的作用，高速公路网的建设带动公路物流运输的持续增长，公路货运量占比稳中有升，未来10年将在75%～80%之间波动。随着运输环境朝高效方向发展，重型卡车技术不断创新，车辆性能不断升级，用户对车辆的安全性能要求越来越高。市场研究表明，用户对车辆安全性的关注度占比 30%左右，远高于对车辆其它性能的关注程度。

前下部防护作为重型卡车被动安全的一道关键壁垒，在保护车辆、人员及货物安全方面起着至关重要的作用。一方面，前下部防护应具有足够的强度，抵抗外来撞击力，保护车辆结构安全；另一方面，前下部防护还应具有一定的变形吸能能力，在提供足够强度的同时具有合适的刚度，产生形变，减缓撞击作用力，降低撞击损失。同时，重型卡车的前下部防护还具有防止碰撞发生时对方车辆、人员钻入底盘下，被车轮碾压造成二次伤害。

因此，前下部防护的设计需要综合考虑车辆安全、行人安全及交通安全，同时还要考虑零部件结构方案可行性、生产工艺可行性及零部件成本等因素。本文通过完成前下部防护布置分析、结构优化设计、CAE仿真分析等工作，对前下部防护的强度、刚度及可靠性进行了全面提升。

1 前下部防护设计

1.1 法规解读及布置分析

1.1.1 前下部防护横向构件尺寸

根据法规要求，商用汽车的前下部防护装置应满足一些尺寸要求，就横向构件的断面高度而言，对N2类车辆不小于100mm，对N3类车辆不小于120mm。本文提到的某重型卡车为N3类车辆，故断面高度应不小于120mm。同时，横向构件的两端不应弯向前方且不应有尖锐的外侧边缘，横向构件的端部成圆角状，其端头圆角半径不小于 2.5mm。横向构件的外表面应为光滑表面。螺钉或铆钉的头部凸出该表面的高度不大于10mm。

1.1.2 前下部防护布置分析

根据法规要求，前下部防护在车辆前部可以被设计成具有不同结构、位置的安装形式，但应有可靠的方法以保证其安装，并保障在安装后不会随意移动。

为充分保障碰撞发生时双方的生命财产安全，对重型卡车前下部防护横向构件的离地间隙有严格要求。具体而言，位于 P1两点之间的前下部防护下边缘的最大离地间隙应不大于400mm；位于两个P1点之外的前下部防护下边缘的离地最大间隙可大于400mm，但应在平面M以下。平面M是过P1点正下方的前下部防护下边缘上的点与水平面成 15°的向上斜面。对前下部防护横向构件的离地间隙要求，见图1。

图1 前下部防护横向构件的离地间隙要求

为充分保障重型卡车行驶时的道路交通安全，对前下部防护横向构件的长度有严格要求。具体而言，前下部防护的最大宽度不可超出两侧前轮翼子板的外侧宽度。前下部防护任一端的最外缘与同侧前车轮轮胎最外端面（不包括轮胎的变形量）的横向水平距离不大于100mm。对于P1、P2、P3点的定义为：P1点位于距离前轴轮胎最外侧（不包括轮胎的变形量）相切的纵向平面200mm处；P2点对称于车辆的纵向中心平面两侧，相互之间的距离为 700mm～1200mm（分析验证时定义为前下部防护连接支架支撑处）；P3点位于车辆的纵向中心平面上。对前下部防护横向构件的长度要求及P1、P2、P3点的位置定义，见图2。

图2 前下部防护横向构件的长度要求及碰撞点定义

1.2 结构设计

1.2.1 前下部防护横向构件设计

横向构件是前下部防护装置的关键零件，其材料、结构、强度直接影响前下部防护的可靠性。根据前文分析，对横向构件长度L及高度H进行设计确定，以满足法规对前下部防护装置的尺寸要求。横向构件中间为平直梁，两端为向后弯曲的圆弧形状。这种结构基于两方面设计原因：一方面，横向构件与车身前保险杠外形需匹配，零件之间的间隙应均匀合理；另一方面，圆弧形状向后弯曲的结构相对横向构件直接折弯向后的结构而言，受力更好。

横向构件的截面应具有良好的受力效果。槽形截面钢结构重量低，但强度难以满足碰撞要求；矩形截面钢管结构若要满足碰撞要求，材料厚度也需增加，重量上升。经过计算分析，横向构件采用“日”字形截面，生产工艺为辊压成型，成型后对中间配合缝进行焊接。该截面形状受力较好，选用相对钢材料具有轻量化优势的铝合金材料。前下部防护横向构件结构示意，如图3所示。

图3 前下部防护横向构件示意图

1.2.2 前下部防护连接支架设计

本文定义的前下部防护连接支架，是指与前下部防护横向构件焊接相连的结构件，包括铝合金斜支撑支架和压铸铝支架。横向构件与连接支架构成前下部防护总成，如图4所示。

整个前下部防护总成部件，均为轻量化材料。考虑到P1点的碰撞安全，设计斜支撑支架加强横向构件 P1点处的强度。斜支撑支架为矩形管材，材料与横向构件一致，一端与横向构件焊接，另一端与压铸铝支架焊接。

图4 前下部防护总成示意图

P2点的碰撞破坏性强，正面承受的撞击力大，对P2点的支撑强度要求高。若采用铝合金钣金设计P2点的支架，难以满足碰撞要求，不能起到安全作用。若设计为钢材钣金支架，支架与横向构件的连接工艺将变得复杂。经分析，P2点的连接支架设计为压铸铝支架，不仅实现了轻量化设计，在强度上满足了碰撞要求，而且与横向构件的焊接工艺可行。

1.2.3 前下部防护安装支架设计

为使前下部防护可以独立拆装，提高其维修性，设计前下部防护安装支架，其作用是将前下部防护总成与重型卡车车架相连。此外，前下部防护安装支架还集成有安装车身保险杠、冷却系统辅助支撑及水箱保护栅等功能。该支架功能集成度高，结构复杂，材料采用可焊铸钢，并同时设计有与车架腹面和翼面两个方向连接的安装孔，提高可靠性，见图5。

图5 前下部防护安装支架

2 前下部防护CAE仿真分析

2.1 分析模型

根据法规要求，在试验过程中以及试验完毕后，前下部防护前端面的各测试点到车辆最前端的水平距离应不大于400mm；P1两点之间的前下部防护下边缘的最大离地间隙应不大于450mm，如图6所示。

图6 前下部防护碰撞测试要求示意图

该前下部防护CAE仿真分析是基于HyperWorks工具的有限元分析，以壳单元仿真钣金、四面体单元仿真铸件。以HyperMesh为前处理工具，求解器采用LS-DYNA，后处理工具采用 HyperView。将前下部防护与车架相连，根据 GB 26511-2011标准，施加载荷。测试时应尽可能快地施加作用力，车辆或装置应经受住至少0.2s的作用时间。

工况1：对两P1点分别持续施加相当于车辆最大总质量50%的水平载荷，水平载荷最大值不超过80kN。

工况2：对两P2点分别持续施加相当于车辆最大总质量100%的水平载荷，水平载荷最大不超过160KN。