基于新碰撞法规要求的轻型汽车安全性能设计

刘保祥

（北京汽车研究总院有限公司）

轻型车因其价格低廉和乘坐空间宽敞等特点，在我国拥有广阔的市场。然而，新的碰撞法规（GB 11551—2014）的发布与实施，对M1 类汽车（最大总质量超过1 t，座位数不超过9 个）和最大总质量不大于2.5 t 的N1 类汽车（最大总质量不大于3.5 t 的载货汽车），以及多用途货车，在碰撞安全性能方面提出了更高的要求。满足新的碰撞法规标准要求，成为各轻型车主机厂迫切希望实现的课题。对于生产模具还未到报废期限的主机厂，改进汽车碰撞安全性能，需要综合考虑工艺可实施性以及改进的成本增加问题[1]。文章以某轻型车为例，建立了LS-DYNA 仿真分析模型，对该车型进行碰撞安全性能改进，提出了满足国家正碰法规要求的2 种方案。最终从整车成本和开发周期角度考虑，采用了优化现有乘员约束系统的方案，并进行实车碰撞试验验证，试验结果满足新碰撞安全法规的各项指标，实现了整改目的，使该车型顺利上市销售。

1 实车碰撞试验结果分析

某轻型汽车进行碰撞性能摸底试验的结果为：1）车身 B 柱加速度曲线峰值为 44 g（g 为 9.81 m/s2），碰撞波形脉宽为65 ms，如图1所示；2）驾驶员头部加速度伤害值结果（A3ms/g）不满足 GB 11551—2014 法规要求，超出限值（限值为80 g），如图2所示；3）驾驶员颈部拉力伤害值结果（Fz/N）不满足GB 11551—2014 法规要求，超出限值（限值为3 300 N），如图3所示；4）驾驶员颈部弯矩伤害值结果（My/N·m）不满足 GB 11551—2014 法规要求，超出限值（限值为57 N·m），如图4所示。

图1 车身B 柱加速度曲线

图2 驾驶员头部加速度伤害值（A3 ms）曲线

图3 驾驶员颈部剪切力伤害值（Fz）曲线

图4 驾驶员颈部弯矩伤害值（My）曲线

在该次实车碰撞试验中，驾驶员身体各部位的具体伤害值，如表 1所示。其中 HIC，A3ms，Fz，My4 项伤害值指标超出碰撞法规（GB 11551—2014）所规定的伤害值指标限值。

表1 实车碰撞试验中驾驶员各部位伤害值

真因分析：碰撞试验中，车身B 柱加速度曲线最大峰值为43 g，波形脉宽为65 ms。从经验来看，平头客车的碰撞波形表现比乘用车中的轿车和SUV 车型稍差，因车体前部刚度大，碰撞过程中车身加速度曲线峰值较高，车体变形相对小[2]，不利于乘员保护。在该次实车碰撞试验中，碰撞试验假人头部在惯性力的作用下冲击转向盘，造成头、颈部位伤害值超出法规限值。

2 应对方案

2.1 增加安全气囊（方案1）

搭建该车约束系统仿真分析模型，如图5所示。在该仿真模型中，增加了驾驶员安全气囊，并且输入实车碰撞试验波形。通过优化安全气囊的泄气孔直径等参数，仿真分析结果很容易通过碰撞法规，结果如表2所示。

图5 主驾约束系统仿真模型

表2 增加安全气囊后实车碰撞试验仿真分析结果

从表2 可以看出，增加安全气囊后，在仿真分析的3 种方案中，碰撞假人各部位的伤害值均能满足GB 11551—2014 法规要求（如表 1所示），其中方案 2（安全气囊泄气孔直径为20 mm）的结果最优，碰撞假人各部位的伤害值最低。但是由于增加安全气囊，需要重新开发转向盘，并需要进行一系列的静爆试验和气囊点火时间的标定试验，整车成本有一定程度的增加，开发周期在1年左右，影响了已经上市车型的销售。

2.2 优化现有约束系统（方案2）

增加安全气囊需要对转向盘等零部件进行重新开发，并且需要进行安全气囊控制器标定工作，为了降低开发费用以及单车成本、缩短开发周期，采用优化现有约束系统的方法。

转向管柱具有溃缩吸能的作用，管柱的溃缩机构可以通过4 个部分来阐述：1）上管柱与下管柱可以进行轴向运动，如图6所示；2）镶块与下管柱连接板通过螺栓连接，如图7所示；3）上管柱连接板与镶块通过4 个尼龙销浇筑连接，如图8所示；4）当转向盘受到沿转向管柱轴向的冲击时，冲力过大，尼龙销断开，上管柱沿轴向向下运动[3]，如图9所示。

图6 转向管柱总成图

图7 镶块与下管柱螺栓连接图

图8 转向管柱总成底视图

图9 转向管柱总成示意图

由此可见，尼龙销的设计对其耐冲击力有直接影响。通过优化尼龙销的材料、直径等因素，使转向盘受到冲击时，转向管柱产生轴向溃缩，进而减轻对乘员的伤害。

重新搭建约束系统有限元模型，如图10所示，将安全带限力水平调节为5 000 N，转向管柱溃缩力为3 000 N，溃缩行程为50 mm，假人伤害值明显降低，结果如表3所示。

图10 主驾有限元分析模型

表3 汽车现有约束系统优化结果

为了使仿真分析方案落地，进行了一系列零部件验证试验，如图11～图13所示。

图11 尼龙销剪切力试验

图12 转向轴压入试验

图13 人体模块冲击转向管柱总成试验

试验结果表明，转向管柱总成溃缩力控制在2 800～3 300 N，与仿真分析输入力值曲线接近，可以进行下一步整车试验验证。

3 整车试验验证

对比以上2 个方案，方案1（匹配安全气囊）通过碰撞法规比较稳妥，但是开发成本较高，周期较长；方案2工程实用性更强。根据方案2 制作了试验车，进行试验验证，如图14所示，结果如图15所示。

图14 整车碰撞试验验证

图15 肩带力力值曲线

在整车验证试验过程中，转向管柱尼龙销断裂失效，如图16所示，转向管柱正常溃缩，如图17所示。表4 示出优化约束系统后驾驶员各部位伤害值对比。从表4 可以看出，在高限力安全带的作用下，假人胸部伤害值略有增加，但远远低于限值，而假人头部、颈部伤害值明显降低，满足GB 11551—2014 车辆正面碰撞法规，这种方案只对安全带和转向管柱进行优化，可实施性较强。

图16 转向管柱尼龙销剪断失效

图17 转向管柱压溃状态

表4 优化约束系统后驾驶员各部位伤害值对比

4 结论

为了应对升级后的国家车辆正面碰撞法规，文章提出了2 种改进方案，匹配安全气囊会造成开发成本较高，开发周期较长，但效果明显；改进现有约束系统满足正碰法规要求，但对设计人员提出了更高的要求。通过约束系统仿真分析与转向管柱零部件试验验证，得到最佳组合方案，最终使该车型在较短时间内，以较低成本显著提高了被动安全性能，满足了国家正碰法规的要求，提高了产品竞争力。然而为了满足驾乘人员对车辆安全性能的需求，在以后的新车型开发中，会尽量配置安全气囊，并且在转向管柱设置一定距离的溃缩机构。