整车被动安全设计之布置安全性

杨志刚 林祥辉 张路

极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 前言

整车安全性设计的核心是保护乘员的安全，当然在完全可以保证乘客安全的情况下，尽可能不让座驾进入回收站，这应该是最完美的。

一般来说，要达到对驾乘人员相同的保护指标，大车比小车有着先天的优势，就正碰、偏置碰而言，它的发动机舱比小车的大的多，纵梁轮罩、保险杠等吸能结构都能很好的完成吸收能量的任务，从而减弱驾驶舱区域变形；如果是侧碰，大小车的区别将会更加明显，抛开车辆前进的速度而言，相对碰撞物而言，他们都是静止的，被同样的物体碰撞，肯定是小车受到的伤害比较大，进而危害里面的乘客。对于大车而言，纵梁有足够的长度，保险杠也可以做的很大，能量的吸收可以做的很好，比较容易的在防火墙之前就可以把问题解决掉。

而对于小车而言，特别是装有比较大的发动机的小车，纵梁的吸能区域就要小得很多，指望它来吸收绝大部分的能量比较牵强，这时需要借助于一定的结构（如SHOT GUN、副车架Sub frame、纵梁后支板）把能量导入到侧围、前地板、门槛等部件上面；另一方面，也要尽力去做好布置这个环节，以增加变形区域的宽度。

我们保护乘客的因素主要有以下几点：

前保加强梁、纵梁、前围板、车门、等车身件——结构安全性；

发舱内零部件、方向盘、脚踏板、仪表板等——布置安全性；

仪表板、转向系统、气囊、安全带、座椅等——约束系统保护。

本章主要阐述的是布置设计在安全性上的作用。

2 前部空间

被动安全设计需要定义整车的可变形空间，需要保证可变形空间以保证能量吸收量。发动机和变速箱碰撞中本身基本不可溃变，仅在空间产生位移现象。因此在设计指导和布置分析及碰撞模拟过程中都简单处理为不可变形的刚性体。在布置安全性设计中首要要考虑的是前部结构的整体布置，高速碰撞中的ODB 碰撞，此处可借鉴法规GB/T 20913 乘用车正面偏置碰撞的乘员保护及C-NCAP 中国新车评价规程的要求，车头前部的结构布置形式可按下图1 所示进行：

图1 OBD 碰撞高度布置

前碰的主要前段传力结构有纵梁、副车架、shotgun。对于100%正碰，壁障是一堵墙，对于以上三个结构没有特殊的高度布置要求；对于40%偏置碰，壁障是ODB 碰撞块，此处对于纵梁、吸能盒、副车架和shotgun 有严格的布置要求。

上图所示的三个Z 向高度为ODB 的主要高度尺寸，一般要求shotgun 高度H3 ≤850mm、吸能盒（没有吸能盒则是纵梁）高度H2 ≤530mm、副车架高度H1 ≥200mm，主要目的是让三个结构件碰撞时接触碰撞块。

2.1 悬置支架设计

悬置支架的设计和布置不能占用过多的纵梁的压溃变形区和变形空间，悬置的安装点和悬置都是硬点，周边难以产生吸能变形，它占用的空间必定会影响整车碰撞过程的吸能量；另外考虑支架在一定载荷下的可控失效，减小对乘员舱的冲击和侵入。

发动机支脚可采用铝合金材料，在发生碰撞后很容易断裂而下沉，保证其不会像炮弹一样冲入驾驶舱伤害乘客。包括转向柱以及刹车踏板等，在受到碰撞时要能及时断裂，这也是减少伤害的有效方法之一，否则它们容易对驾驶员的头、胸、腿等部位构成威胁。

2.2 动力总成尺寸

动力总成是刚性体，在碰撞时不可压缩，它的尺寸很大程度上决定了前部车身的变形空间。所以，在选择及布置动力总成是，尽量使动力总成的X 向尺寸最小，以增大前舱的可溃缩空间；其次，可采用软质的进气管。

2.3 副车架

副车架本体是刚度很高的承载体之一，碰撞中若提前接触到副车架将会影响车身结构压溃吸能的变形部位，导致整车碰撞的加速度峰值提前或增大，乘员舱的乘员也会因过大或提前到来的加速度，造成严重的伤害。因此设计和布置副车架时既要考虑它的承载作用也要兼顾碰撞安全效果。但要是在可变形区域，将副车架前端做吸能处理，那么在发生正面碰撞时，副车架前端就成为了整车碰撞吸能的一个重要部分。此时，副车架前端的高度、吸能结构以及与纵梁的连接位置，要综合考虑ODB 碰撞、行人保护及对纵梁影响的要求。

2.4 蓄电池

蓄电池在碰撞过程中是不可压缩物，在布置时应优先考虑布置在副驾驶侧，并且尽量向上布置。与悬置类似，也应布置在前舱不可溃缩部位。蓄电池的支架若连接在纵梁上，应考虑设计一些弱化结构来配合前端压溃。

2.5 制动

真空助力器受到碰撞力的作用，大多会导致防火墙侵入乘员舱、踏板后移，最终导致乘员伤害的增大。所以，应尽量减小真空助力器X 向尺寸，布置时其它硬物应与真空助力器Y 向错开，防火墙增加横梁减小侵入。

2.6 转向系统

发生碰撞过程中，人体胸部和头部的伤害值主要来源转向盘和转向柱的碰撞伤害。根据此要求：

1、转向管柱本身的安装角度及碰撞中运动轨迹会影响人体对管柱的压缩变化，改变了管柱设计吸能的作用，导致人体伤害值加大；

2、外部件碰撞运动撞击转向管改变了安装布置位置，没有起到设计目标，导致吸能失效，所以布置转向应充分考虑周边的碰撞时可能的环境；

3、碰撞A 柱的侵入和整车的弯曲量加大的转向管的位移；

4、布置转向系统时应注意在Y 向上避让其它硬物。

2.7 前保险杠布置

前保险杠总成布置：根据市场法规和标准来定义前保险杠总成的性能。如：法规前碰ODB 的定义、前保险杠低速碰撞吸能、压溃空间、Euro NCAP 试验ODB 碰撞标准、整车性能等。为满足这些要求，我们就要对前保险杠的碰撞性能的敏感性，如：保险杠的结构、压溃空间、布置高度、截面面积、材料等进行研究。

前保险杠的布置高度一般由前纵梁的高度来决定，要是此高度匹配不合理会导致前纵梁在碰撞过程中压溃失稳，导致后端大弯曲变形很可能对乘员舱侵入量过大。

3 乘员舱人机空间

对于整车被动安全，乘员舱空间在纵向垂面上的示意图如下图文所示，主副驾的空间要求条目在成员安全性设计的中内容主要有如表所示的内容。

图2 假人与车的位置关系

表1 假人空间尺寸说明

需注意除座椅高度、玻璃窗和头枕高度外，前碰和侧碰时乘客厢的所有设置必须完全相同。

4 整车后部碰撞布置

4.1 后部结构压溃空间及布置

根据碰撞力的传递特性，可以把后碰划分以下几个区域：碰撞缓冲区、压溃变形吸能区、碰撞安全保碰撞力的传递区，如图3示意。

图3 后碰力的传递示意图及各区域分布图

要达到良好碰撞性能，后保横梁和后纵梁的高度布置起很大的决定因素。其中后保横梁和后纵梁的高度布置息息相关，纵梁的布置同时决定后底板的高度。所以后底板设计时，同时需要考虑后碰法规GB 20072 乘用车后碰撞燃油系统安全要求。

根据各项法规要求，定义出后保横梁中心离地高度要求范围：欧洲为455mm-502mm，北美为457mm-508mm。后保横梁中心在设计状态下离地高度按照457mm-502mm 布置能满足要求。后保横梁高度确定后，后纵梁高度也同时确定，最终后底板的高度也取决于后纵梁的高度。

4.2 备胎的布置

备胎的布置主要考虑：备胎与油箱间的间隙。如图4 所示：考虑后碰油箱的泄露情况。对于A 值而言，我们希望它尽量小——为零或者备胎底面高于油箱的最高面最好，这样在发生后碰备胎沿向车头的方向移动的时候，减小碰到油箱的可能性；对于B 值而言，我们希望它尽量的大，一般经验值B 大于100mm；对于C 值而言，我们希望它尽量的大，一般经验值C 大于200mm。

图4 备胎空间布置

对于备胎的布置，现在国际上有一种趋势。备胎在后碰过程中向前偏上或偏下方移动，这样可以减少对油箱的碰撞。具体做法：在备胎固定处设计引导支架，在备胎与油箱之间设置较强支架或者横梁，在后碰过程中将备胎挡住，减少对油箱的碰撞。

4.3 油箱的布置

油箱的布置主要考虑以下三大问题：

油箱安装点的设置及安装点强度根据油箱设定容积不同，安装点的个数及布置也不同，但至少要布置三个安装点。为了提高安装点的强度，安装点一般布置在后底板横梁上。多采用车身上焊接M8 或M10 焊接螺母。推荐采用四点固定，车身焊接螺母使用QR37108。

油箱与底板预留间隙油箱与后底板总成中各件需预留间隙，一般间隙值为7 ～10mm，一方面可以减小安装难度，另一方面可以避免车在运动过程中油箱碰撞底板引起噪声。但是油箱并不是所有的面都保证与车身至少7 ～10mm 间隙，一般油箱都会有三个面是与车身贴合的，在贴合处增设减震垫，使得油箱与车身的接触为软接触。这样既可以减少安装点处的强度，又可以减少油箱与底板的接触噪声。另外，加油管和车身之间的距离需大于10mm。

后碰燃油泄露问题

A、油箱附近一定范围内最好不要有尖锐的翻边以及突出的螺栓。

因为这些尖锐的翻边及突出的螺栓若正对着油箱或加油管，完全有可能在后碰的时候这些东西会将油箱或加油管穿破。

B、油箱自身问题。

实事上，在后碰中最容易泄油的并不是油箱本身，而是加油管与油箱连接处。这些就需要设计油箱时加以注意。

C、b 值尽可能大些，一般布置经验要大于60mm，后面副车架梁的开口槽设计最好不要对着油箱或增加一个圆角翻边，如图5 所示。

图5 燃油箱翻边结构

燃油箱体积变化量不超过5%，塑料燃油箱最大塑性应变不超过0.3mm，金属燃油箱最大应力不超过燃油箱材料最大屈服应力的70%。以上主要是CAE 分析参考值。

5 总结

本文主要从布置设计的角度阐述被动安全的设计，文中所述的设计方案主要偏向于乘用车，而商用车可参考之。另外，一篇文章不可能把所有的设计内容均考虑完备，比如行人保护的要求对于布置空间也是有的，如，一般要求发盖内侧与发动机最上端硬物之间的距离不小于75mm；发盖锁扣为硬物，不可布置在发盖最前端；同时考虑雨刮旋转轴布置在发盖内，及相应可溃缩处理等。本文所阐述内容，也体现了整车安全性设计所涵盖的内容是及其广泛的，需要结合整个研发团的力量进行设计之。