车辆前端水箱框架结构对碰撞性能影响

郭树文　路深　顾海明　李晓东

摘 要：伴随中国经济的快速发展，中国汽车行业也发生了翻天覆地的变化，中国汽车的保有量在不断增多，带来中国的道路交通形式也日趋复杂，使得汽车消费者购车已不仅仅是购买一辆代步工具而已，在选车购车时而是对车辆的安全性能的重视程度在越来越高;汽车企业也把车辆安全性能开发放到了至关重要的位置，加大各种研发手段及技术能力的储备和投入，促使中国汽车安全技术发展在不断进步，车辆的安全性能也在不断提高。本文主要对车辆前端的水箱框架进行研究，研究其对车辆安全性能的影响，以指导车辆被动安全性能的开发。

关键词：被动安全 正面碰撞 水箱框架 安全法规

The Influence of the Frame Structure of the Vehicle Front Water Tank on the Crash Performance

Guo Shuwen Lu Shen Gu Haiming Li Xiaodong

Abstract：With the rapid development of Chinas economy， Chinas automobile industry has also undergone earth-shaking changes. The number of cars in China is increasing， and the forms of road traffic in China have become increasingly complex， making automobile consumers more than just buying a car. Its just a means of transportation. When choosing a car and buying a car， it pays more and more attention to the safety performance of the vehicle; automobile companies also put the development of vehicle safety performance in a crucial position， and increase various research and development methods and technical capabilities. The reserves and investment in China have promoted the continuous progress of China's automotive safety technology， and the safety performance of vehicles has also been continuously improved. This article mainly studies the water tank frame at the front of the vehicle， and studies its influence on the safety performance of the vehicle to guide the development of the passive safety performance of the vehicle.

Key words：passive safety， frontal collision， water tank frame， safety regulations

1 引言

中國汽车车辆的保有量随着中国经济的发展在持续攀升，目前全国汽车保有量大约为2.8亿辆左右[1]，每年销售整车已经达到2800万辆左右。伴随车辆数量的增加，带来的车辆安全问题日趋复杂。道路使用者较以前更加复杂，各种机动车、非机动车、行人等穿插于道路之中，每年的安全事故形态日益繁杂。因此不论消费者还是主机厂均把车辆安全性能看得日益重要，为提高车辆安全性能主机厂进行更多的人力和物力的投入。

经过多年的发展，车辆被动安全已经形成较完善的评价体系，从标准性质划分主要分为强制性标准和非强制性标准以及NCAP体系，国内强制性标准主要包括GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》、GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》、GB20072-2006《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》等，非强制性标准主要包括GB/T 20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》、GB/T 37337—2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》等，NCAP体系目前主要包括50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞、50km/h侧面碰撞等。

基于国家标准体系的不断完善，主机厂对车辆结构研究日益深入，在正面碰撞中主要通过防撞横梁、纵梁、吸能盒进行压溃变形吸能，因此主机厂对纵梁、防撞横梁、吸能盒研究较为深入，而车辆前端水箱框架做为前端结构虽然不是直接主要的吸能部件，但却对正面结构吸能效果有较大影响，因此本文主要对前端水箱框架对正面碰撞安全性能影响进行研究。

2 正面碰撞要求及评价

2.1 正面碰撞工况及评价

2.1.1 碰撞工况

目前的碰撞形式主要分为正面碰撞、侧面碰撞、后碰等几种典型工况。

其中侧面碰撞工况主要考核车辆发生侧面撞击的情况下，依靠车辆结构及约束系统对乘员进行保护的性能;车辆在发生侧面碰撞后首先是依靠侧面的B柱、门槛梁、上边梁、座椅横梁等进行吸能，吸收侧面车辆的撞击能量，减缓车辆侧面变形，保证车辆维持足够的乘员生存空间，同时通过侧面约束系统对乘员进行保护，降低乘员受到伤害的风险。

而本文要研究的水箱框架是车辆的重要组成部件，其主要是车辆在发生正面碰撞时会对车辆安全性能产生影响。

正面碰撞主要分为50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞，这种工况主要考核在车辆发生正面撞击时车辆对车上乘员进行保护的效果，其中分为两部分一部分为车身结构安全，另一部分为约束系统对乘员的保护。

在50km/h正面碰撞试验中需要在车辆前排外侧的座椅上放置HYBID III 50%分位男性假人。车辆发生正面碰撞后，防撞横梁、吸能盒、纵梁等前端吸能组件进行压溃变形，吸收车辆的前端碰撞能量，同时通过乘员舱舱体结构对乘员生存空间进行保护，保证乘员舱结构的完整性;而且在乘员舱内通过气囊、座椅、转向管柱、安全带等部件经过合适的部件匹配对乘员进行保护，降低乘员的受伤危害，保护乘员的安全性。

2.1.2 安全要求

碰撞试验后需要对车辆进行安全性能评价，以判断车辆的安全性能，其评价内容主要包含如下考核项目：车门在开展试验的过程中不得有开启现象;在试验过程中前门的锁止系统不得发生鎖止;碰撞试验后对应于每排座位，若有门，至少有一个门能打开;碰撞过程中燃油供给系统不应发生泄漏;碰撞试验后，若燃油供给系统存在液体连续泄漏，则在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min。

试验后还要对假人关键部位伤害进行评价，主要包括头部性能指标（HIC）、头部合成加速度、颈部伸张力、颈部剪切力、颈部弯矩、胸部粘性指数、胸部压缩变形（THCC）、大腿压缩力、膝滑移、小腿胫骨指数等。

最终要依据定性与定量相结合的方法，对车辆的碰撞安全性能进行评价，评定车辆的安全性能和等级，以保证车辆的安全性能能够保证车辆足够的安全保护能力，保证乘员的生命安全。

3 水箱框架结构对碰撞安全性能影响分析

车辆是由成千上万的不同部件组成的，每个部件都对车辆的正常运转起着重要的作用，水箱也是车辆的重要组成部件，车辆在运转的过程中会产生很多的热量，产生的能量会使车辆动力装置温度不断升高，过高的温度会影响发动机或电机的正常工作性能，为了保证发动机或电机在合适的工作温度范围内工作，需要通过水箱将发动机或变速箱产生的热量及时散发出去，使得发动机或电机保持在正常的工作温度范围内。

而汽车水箱框架做为车辆前端结构，是汽车散热器总成中的重要组成部分，主要作用在于将车辆的水箱牢固的安装在车辆前端，提供足够的强度支撑，保证在车辆运转过程中不会因为车辆的颠簸和振动，影响水箱的工作，因此水箱框架在车辆前端必不可少[2]。

3.1 经典水箱框架结构

经典车辆水箱框架结构如下图1所示，主要由一根水箱上横梁、左/右水箱立梁、水箱立梁与纵梁连接板、水箱下横梁等部分组成，中部的水箱通过上下安装点安装到水箱框架上，保证其牢固的安装在上面，保持正常的工作状态。

由于水箱内有很多的循环水，另外水箱及水箱立梁本身也比较重，为了保证水箱能够牢固的安装在车辆前端，因此水箱立梁连接板要有足够强度，而且要通过图2所示处连接到纵梁上，为此需要连接板能够提供足够的连接强度。

3.2 经典水箱框架结构分析

车辆在发生正面碰撞时，主要依靠前端吸能结构进行变形吸能。

经典水箱框架结构首先是防撞横梁及吸能盒压溃变形，吸收碰撞能量，接下来是纵梁压溃变形，在此期间水箱结构受力发生变形，经典水箱框架位于纵梁内侧，通过水箱立梁连接板与纵梁进行连接。

在水箱立梁碰撞受力阶段，车辆前端受力如下图3所示，纵梁与水箱立梁由于在Y向错开布置，因此在水箱立梁受力阶段，与纵梁受力形成一个绕Z轴的旋转力矩。由此会使纵梁形成向外侧翻转变形形式，降低纵梁吸能效果。

通过仿真手段搭建一典型车型的仿真模型，整车模型分为若干子系统，主要由白车身、车门系统、动力系统、转向、座椅系统等组成，整车采用10mm*10mm网格进行划分，各子系统通过include文件模式进行系统组装，整车模型共计300万左右网格，计算时间120ms。

此模型进行50km/h正面碰撞仿真计算，对仿真结果进行分析，查看碰撞后的变形纵梁及吸能盒等，仿真结果如下图4所示，纵梁在前端形成了外侧翻转的变形形式。

通过仿真结果分析纵梁及吸能盒的吸收能量情况如下图5，防撞横梁吸收能量2.9KJ，吸能盒吸收能量15.9KJ，纵梁吸收能量37.8KJ，总体吸收能量56.6KJ，如下图5所示：

对碰撞后的车辆前围板进行分析统计，车辆前围变形情况如下表所示

为提高车辆被动安全性能改善纵梁变形模式，改善纵梁压溃变形吸能形式，将水箱立梁改成图6所示形式，水箱立梁安装在吸能盒与纵梁搭接处，水箱立梁与纵梁受力中心基本处于同一平面内，避免纵梁受到过大的旋转弯矩。

基于此种结构，搭建仿真模型，经过仿真计算，纵梁变形如下7所示，由图可以看出，经过改善后的纵梁和吸能盒是逐级顺序压溃的，可以有效增加吸能盒及纵梁的变形吸能能力，改善车辆的被动安全性能

对车辆进行分析车辆吸能盒及纵梁吸能效果情况如下图8所示。防撞横梁吸收能量3.1KJ，吸能盒吸收能量17.9KJ，纵梁吸收能量46.17KJ，总体吸收能量67.17KJ。

对碰撞后前围侵入情况进行统计分析，其侵入变形情况如下表2所示：

对改进前后的吸能盒及纵梁吸能情况进行对比，可以看出改进后的结构能够有效吸收更多的碰撞能量。

由改进前后的前围侵入情况也能明显看出，改进后的前围侵入明显有所降低，减少了乘员舱的变形，降低乘员受伤的风险。

4 总结

经过以上分析可以发现，为了保证车辆的正常工作运转，水箱框架结构在车辆上是必不可少的部件，另外由于其所在的位置其布置结构形式又对车辆被动安全性能有着直接的影响，因此设计合理的水箱立梁的结构形式对车辆被动安全性能至关重要。

（1）要保证水箱立梁与吸能盒及纵梁在Y向尽量避免错开布置，减少碰撞时的旋转弯矩。

（2）合理设计水箱立梁的结构强度，满足结构及安全要求。

因此水箱框架结构形式对提升车辆的正面碰撞安全性能有一定的现实指导意义。

参考文献：

[1]雷斌，张帅.乘用车车道保持辅助主观评价方法研究，中国汽车，2020，10-13.

[2]梅烨.BA01型汽车水箱支架结构分析及优化设计[J].海南大学，2017.