乘用车前端车体架构规划

杨国勇 杨金秀 罗培锋 饶俊威 黄涌

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院, 广州511434）

主题词：汽车安全性 车体架构 正碰 对碰 小偏置碰 FRB SORB MPDB

缩略语

C-NCAP China New Car Assessment Program C-IASI China Insurance Automotive Safety Index FRB Front Rigid Barrier MPDB Moving Progressive Deformable Barrier SORB Small Overlap Rigid Barrier ODB Offset Deformable Barrier RCAR Research Council For Automobile Repairs FEM Front End Module,

1 前言

汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。汽车被动安全性指汽车所具有的在交通事故中保护乘员免受伤害的能力，其研究内容包括如车体抗撞性、乘员约束系统性能以及转向系统防伤性能等[1]。在车体上，对乘员的保护能力主要是车体结构提供的。好的汽车产品，其车体架构在初期的设计规划很重要。可以正常行驶的汽车，所有自身零件的搭载和遇险碰撞时的乘员保护，都主要依附在车体骨架上，根据碰撞时的功能作用，整车一般可分为3 个部分(图1)：前端吸能区、中间乘员保护区和后端吸能区。

图1 整车分区

高刚度、轻量化成为当今汽车设计追求的指标，但是，如何处理高刚度、轻量化，以便提高汽车性能水平，除了采用高强度、低厚度的材料外，车身结构设计是一关键技术。将100%重叠率刚性壁障正面碰撞简化为代表车辆的质量为m的质心与弹簧所组成的弹簧-质量模型，碰撞力表示为F=m×a。

工程学中，一般把弹性领域内有力作用时的变形难易程度叫做刚度，但在汽车碰撞安全领域中的刚度同时包含了塑性区，认为力和变形量的关系为近似的线性关系[2]。为此，乘员保护区的车体刚度与碰撞力传递到防火墙时的大小密切相关，即希望前端吸能区尽量多的消耗碰撞能量。

就前端吸能区进行详细规划设计，首先，分析全球主要汽车市场的前端碰撞相关法规，然后，分析全正碰和小偏置碰时车体常见结构及特点。

2 中美欧前端碰撞法规对比

通过观察汽车被动安全(前端)法规[3]对比表1可知：

表1 汽车被动安全(前端)法规对比

（1）强制法规方面

中/美/欧的检测方法有较大差异，就工况达成难度而言，美国法规的56 km/h FRB最严格。中/欧的50 km/h FRB 主要是碰撞速度略低，在达成50 km/h FRB后，提高主纵梁刚度强度的情况下(为了全球车型的最大通用化：主纵梁的截面及位置保持一样)，一般通过增加车体前端的X向(整车前、后方向,下同)溃缩空间实现56 km/h FRB 需求(如本田某款全球化的A 级车，在车体架构相同的情况下，中/美版本的车体前端X向相差55 mm)。

（2）安全星级方面

中/欧的MPDB 和行人保护难度较高。MPDB 对车体的攻击性提出了要求，相对碰撞速度达到100 km/h，由于车体主纵梁参与作用且台车是可变形壁障，加之后续SORB 对上纵梁的前伸和强化也为MPDB 分力较多，故此工况相对较容易实现。64 km/h 的ODB 在2021 版的CNCAP 中已取消，因为从近几年新车型的碰撞成绩看，基本都能拿到高分。行人保护主要是对小型车难度较大，因为头碰时对发罩区域的Z向(整车高度方向,下同)溃缩空间需求大，但车体尺寸要小、坐姿要低相互冲突。对于美国法规中其它小角度前碰工况，在车体架构达成FRB 和SORB 工况的情况下，适当优化即可改善。

（3）保险评级方面

中国C-IASI 规程同时兼顾了美标的SORB 和欧盟的前RCAR，是汽车被动安全中最难同时兼顾的。因为2 者存在一定的矛盾关系：SORB 是64 km/h 的高速碰撞，考核的标准是乘员舱关键点侵入量要小，要求乘员舱的刚度足够大，实际上整车前端吸能区若能充分发挥作用，可以减小乘员舱的承力要求。而前RCAR是15 km/h的低速碰撞，要求碰撞后整车的维修费用占比相对整车成本要小(即要求主纵梁前端吸能盒可抑制散热器之后结构的塑性变形)。SORB 若要前端吸能多则要求吸能盒不能太软，RCAR 若要性能好则要求吸能盒不能太硬，故冲突明显。

综上，通过3个全球化车型开发的实际经验，在开发车体架构时，从消费者角度考虑，重点关注的工况顺序为:SORB-FRB-其它(行人保护/RCAR/带角度高速碰撞)。

3 前端车体架构规划

从整车角度看，前端碰撞时的传力路径主要分为3条(图2)：副车架、主纵梁、上纵梁。

图2 整车前端碰撞传力路径

副车架主要通过螺栓与车体连接，其Y向(整车宽度方向,下同)位置基本与主纵梁重合，在SORB 工况中，副车架与碰撞壁障的有效重叠很难做到壁障的平面区域，主要受整车的布置空间及副车架成本的约束。其X向长度，在50 km/h 的FRB 工况中可以起到辅助作用，但非必要项。然而，在56 km/h 的FRB 中，副车架的功用比较明显，框式带小纵梁的副车架可以吸收和传递全正碰撞时约15%的能量，可降低主纵梁的开发难度、成本和X向的溃缩空间需求。随着CNCAP 的MPDB 实施，副车架作为前端传力路径之一的必要性更为突出：分散碰撞力，防止主纵梁传力太集中而击穿台车壁障。

主纵梁是整车前端碰撞时的主要传力路径，尤其在FRB 和MPDB 工况下承担70%以上的能量吸收和传递(详见第5 章)。主纵梁有直梁和弯梁行式，但无论哪种结构形式，其与SORB 壁障的接触区主要在弧角处，同时受X向压力(即溃缩/折弯吸能)和Y向推力(即传递碰撞力到车体另一侧)，故此工况下作用有限。

上纵梁作为整车前端碰撞的第3 条传力路径，随着国内对整车碰撞范围的增大而逐渐得到重视。在没有SORB 工况时，上纵梁主要为前减震器和发罩铰链等提供足够的安装点刚度即可，故此时的上纵梁比较短小。但SORB 工况提出后，由于上纵梁与碰撞壁障的有效重叠(壁障平面区域)优势，通过自身的溃缩和拆弯可以吸收更多能量，其将在SORB 工况中发挥重要作用(详见第4 章)，同时强化后的上纵梁有益于FRB/MPDB等前碰工况。

4 小偏置碰撞的车体架构

从整车角度看，SORB 工况下乘员舱关键点侵入量的大小，与碰撞壁接触到防火墙和门槛前端时的初始力密切相关，故要求车体前端吸能区要在此前发挥最大吸能作用[16]。

从车体系统看，前端车体架构在X向主要是主纵梁和上纵梁(整车的Y向主要依靠横梁连接车体左/右部分，对SORB 影响相对较小)，主纵梁由于与壁障有效重叠量小的原因而吸能很少，主要起到支撑上纵梁稳定性的作用(即上纵梁与主纵梁在Y向一般会有强连接的数个扭力盒)。因上纵梁与壁障之间相对关系的优势，其结构形式可以做到多样化[17]。综合多方影响和实际车型开发约束等，前端车体架构一般可分为3类(见表2)。

表2 前端车体常用架构

（1）主纵梁外飘式（图3）

主要靠主纵梁前端Y向外飘，增大与SORB 壁障的有效接触面积，同时上纵梁前伸支撑主纵梁的Y向稳定性，共同作用以减小碰撞能量传递到乘员舱。此结构有利于提高前端模块(Front End Module,FEM)集成度和增大前机舱布置空间，但车体架构吸能一般，故对乘员舱的刚度要求较高，即乘员舱区域的钣金增重多。

（2）上纵梁环抱式（图4）

采用常规主纵梁结构的情况下，上纵梁前伸与FEM 中的水箱上横梁强化连接，左/右上纵梁形成一个封闭的受力框架，辅于与主纵梁之间的数个扭力盒和立柱的支撑，此框架根据碰撞速度和整车质量而设计，可以产生足够的Y向推力而使整车在SORB 时侧向滑移，避免乘员舱直接接触到碰撞壁障。此结构的FEM需采用刚度大的金属材料，上纵梁截面和厚度也比较大，故轻量化水平较低。车辆首次碰撞后产生横向滑移后的速度仍然较大，产生二次碰撞或伤害的风险也大，故需要采用更多功能的安全约束系统(如加长的侧气帘、膝部气囊等)。

图3 主纵梁外飘式

图4 上纵梁环抱式

图5 上纵梁吸能式

（3）上纵梁吸能式（图5）

采用常规主纵梁结构的情况下，上纵梁前伸并下探到主纵梁前端，通过数个扭力盒与主纵梁Y向强连接，起到主纵梁受Y向推力，上纵梁在压溃吸能时借助主纵梁的拉扯而吸收更多能量。前端吸能盒Y向加宽并采用吸能量更好的铝材，最大程度地提高车体前端吸能能力，达到车体刚度和轻量化均衡。此结构加宽的吸能盒会影响部分车型的前脸局部造型或行人保护，需根据实际情况分析取舍。

5 全正碰的车体架构

在《汽车碰撞安全》中，水野幸治提出乘员的减速度受到如约束系统的性能等各种因素的影响，但车体缓冲效率(车体缓冲能量的最大值与乘员动能的初始值之比)是最重要的因素之一[3]。故车体在架构规划时要重点研究吸能区(图6，ABC为吸能区，D为乘员保护区)如何更好地缓冲吸收能量，而非“以刚克刚”的碰撞理念，降低乘员舱刚性提升的代价。

图6 前端吸能分区

在FRB 碰撞工况下，刚性壁障比较宽，整车的3个传力路径，都处于有效重叠区。但从空间布置看，主纵梁在X方向上，比副车架和上纵梁均要突出，故在碰撞时首当其冲，需要承担主要能量的吸收和传递。从传力和吸能角度考虑，主纵梁建议采用直梁形式，从高速行驶的稳定性考虑，需要整车的重心越低越好，故主纵梁Z向离地间隙需尽量小。若是弯曲的主纵梁，则副车架和上纵梁需分担更多的碰撞力，目前主要在部分豪华车型中应用(与前悬架的结构种类密切相关)。从全球化车型开发角度出发，考虑不同市场对车辆的性能需求和车型零件部件的通用化，在做好50 km/h FRB 车体架构情况下，通过增加主纵梁前端吸能盒的长度和刚度来满足56 km/h FRB是一个较理想的方案。

上纵梁和副车架作为2 条次要前端碰撞传力路径，希望尽量早的介入到碰撞中，即要求其尽量X向前伸，尤其在56 km/h FRB工况下，需求更强烈。另外，随着市场对轴距加长的需求(提高乘员空间和乘座舒适性)，在整车长度一定情况下，必然压缩前/后端吸能区，故多路径分散传力和吸能的车体架构会越来越普遍。

6 低速工况下的车体结构

行人保护和RCAR 是低速碰撞，从仿真分析和试验结果看，主要是溃缩空间的需求，当空间余量不足时，钣金结构很难实现其伤害值低的要求。

摆锤试验，中美欧均有明确的强制法规要求，碰撞速度均不超过4 km/h，当摆锤与防撞梁满足最小重叠量≥30 mm 时，满足法规较容易。若前防撞梁与摆锤有效重叠量不足时，可在前防撞梁上端或下端增加挡块(图7)。

图7 摆锤有效重叠量

7 结束语

截止2020年6月，我国汽车保有量超过2.7亿辆，自2015年以来逐年净增2千万辆以上，其中换新车的消费者每年在50%以上，其对新车的安全性、舒适性、质量稳定性都有更高的要求。结合C-IASI-2018 和C-NCAP-2021 的实施，法规在指导消费者购车时更具影响力。放眼中、美、欧等主要汽车消费区的法规看，中国已经全面加严并扩大检测范围，兼顾各方特色而成一体，即要求汽车主机厂在国内设计或销售新车型时需全面提升质量和安全性，其中车体架构的规划更为基础和重要。完整的车体架构搭建以后，可以提升汽车的质量稳定性并降低开发周期和生产成本，更好地服务于消费者。

车体架构搭建时，由SORB工况的需求入手，吸能区、传力区、乘员保护区各司其职并相互支撑，找到一个相对合理的刚度与轻量化的均衡点。在此基础上，弥补FRB工况，降低主纵梁的吸能和传力需求。其它类型的前端高速碰工况(如MPDB、ODB、带角度前碰等)，均介于SORB和FRB之间，适当优化改善即可。