一种波浪型行人保护横梁设计

王 倩

一种波浪型行人保护横梁设计

王 倩

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

行人保护安全作为汽车安全性能的一项重要评价指标，越来越受到汽车行业及广大消费者的重视。而行人保护横梁作为对行人腿部安全起决定性作用的零件，设计显得尤为重要。根据C-NCAP 2021五星碰撞要求，行人保护的评分标准变得更加严苛，所以设计一种满足要求的行人保护横梁势在必行。报告了目前行人保护横梁的现状，对常用的行人保护横梁的设计进行了研究，提出了当前设计的不足之处。同时结合一款新开发车型，提出了一种满足五星碰撞要求的新型设计方案，利用波浪型结构增大了行人腿部变形空间，提高了腿部得分，并且通过CAE模拟仿真和试验验证，验证了该结构的稳定性。

行人保护安全；行人保护横梁；C-NCAP 2021；波浪型结构；汽车安全

自美国在1979年最早采用新车评价规程（New Car Assessment Programme, NCAP）体系以来，汽车安全性能逐渐被广大的汽车消费者所了解。汽车技术日趋进步，其安全性能要求越来越高，逐渐由狭义安全向广义安全进化。狭义安全指的是汽车具有足够的强度以保护车内乘员的安全；广义安全指的是汽车在保护车内乘员的安全的同时，也可以兼顾车外行人的安全，从而降低整个交通事故中人员的伤亡率[1]。为了实现汽车广义安全，汽车需要在具备高强度车身结构以保护乘员安全的前提下，在车头保险杠区域需具有可以吸能的缓冲区来保护车外行人的安全，这是对汽车车前部保险杠结构安全开发的极大挑战。

图1为人-车碰撞示意图。当汽车碰撞行人时，行人的头部和腿部往往是受伤严重并可能导致死亡的部位。据统计数据表明，受伤的行人中，31.2%为头部受伤，32.4%腿部受伤[2]。受伤的原因是行人的头/腿撞击到汽车的保险杠、发动机盖、玻璃等部件上。

图1 人-车碰撞示意图

行人保护是汽车广义安全的一个重要评价指标，中国新车评价规程C-NCAP2021将汽车的行人保护性能纳入评价体系。行人保护分为头部保护和腿部保护，腿部保护安全要求人-车碰撞时，尽可能地降低行人腿部受伤的风险[3]。图2为行人保护试验腿型碰撞示意图，可以看到在人的腿部受到汽车碰撞时，胫侧副韧带（Medial Collateral Ligament, MCL）、前十字韧带（Anterior Cruciate Ligament, ACL）、后十字韧带（Posterior Cruciate Ligament, PCL）；下腿胫骨弯矩（Tibia）都会受到很大的冲击。

本文结合现有的行人保护横梁技术现状，以及结合C-NCAP2021最新要求，在某款新车型开发中，设计了一种既满足五星碰撞要求，又具有缓冲功能的行人保护横梁。

图2 行人保护试验腿型碰撞示意图

1 行人保护横梁技术现状

图3为汽车车头示意图。汽车车头结构的防撞前横梁布置高度往往与行人膝部相当，撞击过程中引起行人膝部弯折角度过大，是造成行人腿部膝部韧带拉伤的主要原因。行人保护横梁布置高度与行人小腿下端相当，撞击过程中可以将行人小腿弹起，从而降低行人膝部弯折角度，进而降低行人膝部韧带拉伤的风险。但结构强度过高的行人保护横梁会对行人小腿造成冲击，增加行人小腿骨折的风险[4]。所以行人保护横梁不仅需要拥有足够的支撑性能，同样需要具备足够的缓冲吸能性能，才能最大程度地降低行人腿部受伤风险，提高汽车的被动安全性。

图3 汽车车头示意图

目前国内主要的主机厂为了满足C-NCAP 2021五星碰撞要求，普遍是通过在前保险杠横梁下端增加行人保护横梁实现，这种结构也深受广大消费者的青睐。图4为某量产车型的前保险杠横梁总成示意图。

主横梁、端板、吸能盒、“天鹅颈”支架、行人保护横梁组成了前保险杠横梁总成。行人保护横梁两端通过铆钉或者插片与“天鹅颈”支架下端连接，“天鹅颈”支架上端通过焊接与主横梁连接，端板与车身纵梁连接完成前横梁总成的固定。

图4 前保险杠横梁总成示意图

在腿部打击器冲击时，前横梁会受到较大的弯矩作用，吸能盒以及“天鹅颈”支架需具有足够强的刚度，行人保护横梁需要给腿部打击器提供足够的反弹力，进而降低腿部打击器膝部的弯折程度，用于满足膝部韧带伸长量（MCL, PCL/ ACL）限值要求。并且“天鹅颈”上端与主横梁通过焊缝连接，较高的强度会导致行人保护横梁缺乏缓冲性能，造成腿部打击器小腿部分承受较大弯矩，很难满足胫骨弯矩（Tibia）限值要求。随着C-NCAP要求逐渐提高，如何调和行人保护横梁结构的支撑与缓冲性能的矛盾变得越来越重要[5]。

2 一种波浪型行人保护横梁设计

通过对传统的行人保护的分析，需要保证行人保护横梁既具有一定的支撑性能，又具有缓冲性能。下文展开对于满足这两项性能的行人保护横梁的设计说明。

图5为传统行人保护横梁局部放大图。可以看到，采用现有技术的行人保护横梁结构中，行人保护横梁通过垂直的面与“天鹅颈”支架固定。在行人保护腿部打击过程中，行人保护横梁的支撑性能与缓冲性能相互冲突，支撑性能优则缓冲性能差，导致小腿弯矩指标变差；缓冲性能优则支撑性能差，导致小腿回弹不足，膝部弯折过大，进而导致膝部韧带伸长量指标变差。因此，很难满足小腿弯矩指标和膝部韧带伸长量指标都达标的总体要求。

图5 传统行人保护横梁局部放大图

本文设计的波浪型行人保护横梁结构如图6所示。第一变型面通过第二变型面与行人保护横梁本体的上端部相连接，第四变型面通过第三变型面与行人保护横梁本体的下端部相连接。当腿部打击器撞击时，行人保护横梁本体向车身内侧变形后，第二变型面和第三变型面随之发生折弯变形，相比于原状态单一垂直面的设计方式，通过设计第二变型面和第三变型面增大了缓冲空间，解决了缓冲性能不足的问题。第一变型面、第二变型面、行人保护横梁本体、第三变型面以及第四变型面相互之间组成波浪变形缓冲结构，行人保护横梁本体包括上翻边和下翻边，上翻边与下翻边之间通过中间连接板相连接。其中，中间连接板的纵向横截面为外凸半圆弧形结构，这样当行人在腿部受到冲击时，由于中间连接板的外凸半圆弧形结构，可以进一步起到缓冲的作用。

图6 新型行人保护横梁局部放大图

第一变型面的末端与“天鹅颈”支架的上部通过螺栓或插片固定连接。第四变型面的末端与“天鹅颈”支架的下部通过设置安装孔的方式相连接。其中，第一至第四变型面的冲压角度以及料厚均可以根据需要调整，这样可以改善支撑强度以及缓冲空间。另外通过调整行人保护横梁本体的冲压角度，料厚以及开口大小也可以改善支撑强度和缓冲空间。第一至第四变型面为一体式成型结构，这样可以保证行人保护横梁的刚度。通过模拟行人保护腿部撞击，可以看到该结构在碰撞过程中很好地实现的缓冲吸能的作用。图7为行人保护横梁碰撞前后变形情况，该结构在碰撞过程中发生了完全的折弯变形，很好地起到了缓冲作用，而因为有“天鹅颈”支架的支撑，又可以起到一定的限位作用，使得行人保护横梁不会发生过大的侵入变形。

图7 行人保护横梁碰撞变形情况

该结构的行人保护模拟计算结果如图8所示，可以看到该结构很好地满足了行人保护性能要求。

(a) 不同Y向坐标的胫骨弯矩值 (b) 不同Y向坐标的韧带伸长量

该行人保护横梁系统能够在保证行人保护横梁具有足够支撑性能的前提下，具有优秀的缓冲功能，在腿部打击器撞击行人保护横梁时，为行人保护横梁提供足够缓冲区域，相比传统结构增加20%～30%的缓冲空间，降低小腿受到的弯矩，同时限位功能防止变形过度，回弹过程可以提高行人保护横梁1.5～2倍回弹力，帮助腿部打击器回弹，进而降低腿部打击器膝部韧带伸长量，提升行人保护性能20%以上；同时该行人保护横梁系统的结构稳定性较传统结构提升50%以上，加强整车高速碰撞安全性能、车头保险杠垂向刚度均有非常明显的作用。

为了更好地验证新的设计方案的支撑强度，进行了原设计状态的横梁与新设计状态横梁的向刚度对比。通过分别在中间施加500 N载荷以及行人保护横梁与“天鹅颈”支架连接处施加500 N载荷，可以看到向变形如图9所示。

可以看到，在中间加载500 N时，传统的行人保护横梁向变形11.1 mm，波浪型行人保护横梁向变形11.0 mm；在连接点加载500 N时，传统的行人保护横梁向变形1.8 mm，波浪型行人保护横梁向变形1.3 mm。该设计方案对行人保护横梁的支撑性能也有改善。

3 结论

新开发的波浪型行人保护横梁，通过计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）模拟计算和试验验证，充分验证了该结构的稳定性，能够满足最新C-NCAP 2021五星要求，使在汽车与行人发生撞击时，尽可能地降低行人腿部受伤的风险，为国内后续新车型开发提供了借鉴和参考。

[1] 刘卫国,吕晓江,孙立志,等.国外行人柔性腿型冲击器的发展及现状[J].汽车工程学报,2014,4(6):455- 460.

[2] 常晓宇,范英华,乔鑫,等.某车型行人保护头部对标分析[J].汽车工程师,2016(11):52-55.

[3] 张新宇,刘彦君,吕鑫.基于NCAP的不同国家行人保护评价体系相关性研究[J].北京汽车,2017(2):22-27.

[4] 许伟,李凡,刘琦.车辆行人碰撞事故中小腿骨折伤害的研究[J].汽车工程,2011,33(4):321-324.

[5] 曲杰,徐梁,马强.满足行人腿部保护要求的保险杠部件改进[J].汽车零部件,2018(6):1-5.

Design of a Wave Type Pedestrian Protection Beam

WANG Qian

( SAIC Volkswagen, Shanghai 201805, China )

As an important evaluation index of vehicle safety performance, pedestrian protection safety has been paid more and more attention by the automotive industry and consumers. As a decisive part of leg safety in pedestrian protection, the design of pedestrian protection beam is particularly important. According to the five-star requirements of C-NCAP 2021, the scoring standard of pedestrian protection has become more stringent, so it is imperative to design a pedestrian protection beam that meets the requirements. This paper reports the current situation of pedestrian protection beams, studies the design of common pedestrian protection beams, and puts forward the shortcomings of the current design. At the same time, combined with a newly developed vehicle, a new design scheme meeting the requirements of five-star collision is proposed. The wave structure is used to increase the deformation space of pedestrian legs and improve the leg protection score. The stability of the structure is verified by computer aided engineering(CAE)simulation and experi- mental verification.

Pedestrian protection safety; Pedestrian protection beam; C-NCAP 2021; Wave type structure;Vehicle safety

U463

B

1671-7988(2022)24-65-04

U463

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1671-7988(2022)24-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.011

王倩（1990—），女，硕士，工程师，研究方向为汽车外饰件，E-mail:wangqian3@csvw.com。