基于乘员保护的驾驶室本体结构改进

黄杰，许少楠

基于乘员保护的驾驶室本体结构改进

黄杰，许少楠

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章讨论了商用车驾驶室乘员保护标准的发布和实施对轻卡制造行业产生的影响，并针对市场在售某轻卡驾驶室本体的结构进行适应性的改进，提高其强度，以满足商用车正面撞击试验。

驾驶室本体；改进；强度；正面撞击

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-129-03

引言

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重视，人们感觉商用车车身重、体积大，发生碰撞时车身损伤和乘员受伤的概率会较小。但是目前国内商用车大多是以平头驾驶室为主，其结构决定了驾驶员座位离车辆最前端距离非常小，行驶过程中一旦发生两车间的碰撞，或撞击到障碍物，甚至发生翻滚事故时，由于受撞击时没有足够的缓冲吸能区，撞击能量将直接传递至驾驶室内部甚至驾驶员和乘员身上，造成严重伤害（图1）。

据统计：商用车驾驶室事故以3种类型为主：翻滚、与机动车碰撞、与障碍物碰撞（碰撞主要为正面碰撞）。鉴于上述情况，GB 26512《商用车驾驶室乘员保护》于2011年5月12日正式发布，标准适用于N类车驾驶室发生正面碰撞时的乘员保护，要求实施时间为2012年1月1日，并规定在生产车型自2013年7月1日全面实施。

图1 正面碰撞事故图例

由此，商用车被动安全的评价翻开崭新的一页，同时也对商用车制造企业提出了新的要求：

（1）在研产品及下一代预研产品设计时，应该逐步建立起“商用车驾驶室碰撞”的模拟分析、试验验证的设计流程、数据库，完善必要的试验设备及装置，安排车辆进行实车碰撞，积累数据；

（2）在车身设计中，结合新材料、高强度钢的应用，通过前围、地板、A柱的结构改进，合理布置内板及加强结构，提高驾驶室强度和抗变形能力；

（3）进一步研究驾驶室支撑和与车架纵梁连接支架的强度，控制驾驶室受撞击后的位移量。

1 正面撞击试验简介

1.1 概述

该项试验是模拟商用车驾驶室发生刚性正面碰撞时受到的冲击能量对前悬架连接装置及驾驶室造成的损害，评价驾驶室的强度能否最大限度地减少乘员在发生碰撞时受到的伤害。

1.2 试验要求

（1）驾驶室的设计以及与车辆的连接，应尽可能消除在意外事故中伤害驾驶室内乘员的危险；

（2）完成试验后，驾驶室应存在生存空间，人体模型不应与车辆的非弹性部件发生接触；

（3）试验中，只要驾驶室与车架保持连接，将驾驶室固定于车架上的部件允许变形和损坏；

（4）试验中，车门不应开启，试验后，不要求车门能开启。

1.3 试验方法

（1）摆锤为钢制的2500mm×800mm矩形体，质量分布均匀，撞击面平整，质量为1500±250kg；

（2）摆锤总成应为刚性结构，摆臂与摆锤为刚性连接，摆臂长度从其悬吊轴到摆锤的几何中心，不小于3500mm；

（3）摆锤的撞击面应与驾驶室的最前端相接触；

（4）摆锤中心应低于驾驶员座椅“R”点50mm，且与车辆纵向中心平面重合；

（5）摆锤应由前向后的方向撞击驾驶室的前部，方向水平且平行于驾驶室的纵向中心平面。当车辆的总质量≤7000㎏时，撞击能量为29.4kJ；当车辆总质量＞7000㎏时，撞击能量为44.1kJ（图2、3）；

（6）样车应固定在试验台上。

图2 驾驶室正面撞击示意图

图3 摆锤参数

2 驾驶室本体结构的改进

2.1 原驾驶室本体结构分析

目前市场在售我公司某车型（以下简称某车）为2006年上市销售，当时并未考虑到驾驶室乘员保护相关法规，且经初步CAE模拟分析，目前驾驶室状态不符合正面撞击法规要求。因此，需对其结构作适应性的改进。

经过CAE模拟分析，该车型与已通过正面撞击试验的竞品车型在碰撞后重要部位的尺寸对比如下表（表1）：

表1 驾驶员生存空间与其他车型对比

由上表可看出，模拟正面撞击过后，驾驶室的变形量过大，驾驶员膝部、腿部、腹部空间都不能保证驾驶员必要的生存空间。

2.2 改进方向

我们分析：某车整车重量超过7000kg，正面撞击的能量取44.1 KJ，在撞击的时间内，前围总成的溃缩变形不足以吸收这么多能量，必须在钣金结构中，设计合理的腔体结构，将撞击的能量充分吸收的同时传递到A柱，侧围，地板纵梁等处（如图4），尽量减少驾驶室在驾驶员侧的溃缩量以满足法规要求的驾驶员生存空间。根据对原车的分析及设计构想，设计的优化方向为在前围上横梁，前围下横梁处设计出合理的腔体结构，通过腔体结构使得力能够传递到地板与侧围等处，分散吸收能量。

图4 正面撞击时力较好的传递路径

2.3 改进方案

图5 改进后驾驶室前部断面

（1）前围上部：增加一个“前围上加强板”，与“前围外板”和“前围内板”形成一个闭合腔体结构，能有效吸收部分摆锤撞击能量。

（2）前围下部：优化原驾驶室“地板前横梁”，使其与“地板中加强板”连接，局部能与“前围外板”、“中加强板”形成闭合腔结构，能吸收部分摆锤撞击能量。

（3）地板前部：在“前地板”下设计一加强板，形成闭合腔结构，并与“地板前横梁”和“前围外板”焊接，能有效吸收部分摆锤撞击能量。

具体断面设计如下（图5）：

3 改进措施CAE分析

目国内商用车卡车类现在基本以平头车型为主，车型开发多数是走学习、模仿之路，所以未能形成系统的法规研究和车身强度技术研究，随着计算机仿真技术的发展，计算机模拟分析在汽车产品开发中得到了广泛的应用，使得我们对驾驶室强度的研究也有了很大的进展。

基于上述改进方案和断面设计，我们对原驾驶室的前围、地板、侧围相关零部件三维数据进行相应整改并建立数学模型进行CAE模拟分析，模型包括驾驶室本体、仪表横梁总成、转向机构及部分底盘构件。

表2 驾驶室变形对比

图6 驾驶员生存空间示意图

通过对比改进后驾驶室与原驾驶室在方向盘下缘距离R点x向距离、方向盘下缘距离R点z向距离、方向盘下缘距离地板距离、方向盘管柱安装点x向位移、侧围、前围、地板x向变形量来评价驾驶室结构改进措施的有效性（表2），并通过对驾驶员生存空间的校核确定改进方案能否使驾驶室的强度满足商用车驾驶室乘员保护的相关法规。

由表2可看出，经过CAE模拟分析：改进后驾驶室在各部位的变形量均小于原驾驶室，且完全满足驾驶员生存空间的要求（图6）。

4 试验验证

按照上述方案设计的三维数据，后期我们制作了2台样车，根据GB 26512《商用车驾驶室乘员保护》的规定，在长春一汽检测中心对上述改进后的驾驶室进行试验验证，主要以校核正面撞击试验后50th人体模型在驾驶室是否有足够的生存空间，结果（图7）：

（1）方向盘到驾驶员腿部Z向距离：80mm；

（2）仪表台到驾驶员膝部X向距离：135mm；

（3）方向盘到驾驶员腹部X向距离：170mm；

法规仅要求碰撞过后，驾驶室应存在生存空间，人体模型不应与车辆的非弹性部件发生接触。由此，经试验证明，改进后驾驶室完全满足正面撞击试验的要求。

图7 碰撞后驾驶员生存空间测量

5 结论

通过对驾驶室前围、地板、侧围等零部件结构的改进，提高了驾驶室的强度，计算机模拟分析正面碰撞试验和实物验证都显示驾驶室的抗变形能力大大提高，且参照改进方案设计的驾驶室顺利通过GB 26512《商用车驾驶室乘员保护》规定的正面撞击试验，提高驾驶室安全性的同时也为后续车型的开发积累了相关经验。

[1] GB 26512《商用车驾驶室乘员保护》.

[2] 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[J].质量与标准化,2011∶05.

Structural improvement of cab body based on the protection of the occupants

Huang Jie, Xu Shaonan
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

This paper discusses the influence of the release and carrying out of which, the protection of the occupants of the cab of a commercial vehicle, on the manufacturing business of light trucks. And accordingly improve the structure of cab body of a light truck on sale in the market，enhance its intensity to meet The Front Impact Test of A Commercial Vehicle.

Cab body; Improve; Intensity; Front impact

U467

A

1671-7988 (2017)16-129-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.045

黄杰，(男)，工程师，学士，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。目前主要从事的工作和研究方向：汽车车身设计。