基于行人保護的SUV車型前端造型設計研究＊

呂曉江 劉衛(wèi)國，2 周大永 王 純 趙福全，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室）

1 前言

美國交通事故研究表明，行人與SUV車輛發(fā)生碰撞而死亡的概率是普通轎車的2倍，其中11.5%的行人與SUV車型發(fā)生碰撞會導致死亡[1]。隨著行人保護研究的不斷深入，汽車前部造型是行人保護設計的關鍵并直接影響行人保護成績[2]?？紤]到通過性、動力性的要求，SUV車輛前端造型較特殊，因此對其前端造型設計提出新的要求。

本文以 《歐洲新車評價規(guī)程》（Euro-New Car Assessment Program，Euro-NCAP）為基礎，運用“計算機輔助造型”（Computer-Aided Styling，CAS）及CAE對SUV前端造型設計特點進行研究。

2 行人頭部碰撞區(qū)域造型設計研究

2.1 側面基準線位置對SUV造型設計的影響

側面基準線的位置直接影響頭部碰撞區(qū)域兩側的邊界。在頭部碰撞試驗中，頭部傷害指標（Head Injury Criterion，HIC）最大值分別發(fā)生在發(fā)動機罩與翼子板交界處、發(fā)動機罩與前組合燈交界處以及發(fā)動機罩鉸鏈處[3]，以上容易產生高傷害值的區(qū)域都在頭部碰撞區(qū)域兩側。SUV車型由于車身寬度較大，在兩側的碰撞邊界也較大。因此，如果在造型階段不加以控制側面基準線位置，到研發(fā)后期會給行人保護頭部碰撞開發(fā)帶來很高風險，甚至不能滿足歐盟法規(guī)的要求。2013年，Euro-NCAP行人保護評價規(guī)程將采用100 mm網格法代替原有頭部碰撞評價方法[4]，對車輛的行人保護性能考察將更加全面，對SUV車型側面基準線位置提出新要求。

研究寶馬X3和寶馬X1兩款SUV前端造型結果如圖1所示。由圖1a可知，寶馬X3的側面基準線（圖中虛線）劃分在翼子板上，導致實際頭部碰撞區(qū)域兩側邊界在HIC最大值區(qū)域內；由圖1b寶馬X3的Euro-NCAP行人保護測試結果可知，在兩側碰撞區(qū)域（C1、C6區(qū)域）內均存在一定程度失分[5]；由圖1c可知，寶馬X1的側面基準線基本劃分在發(fā)動機罩上，頭部碰撞區(qū)域避開了HIC最大值區(qū)域；由圖1d寶馬X1的Euro-NCAP行人保護測試結果可知，在兩側碰撞區(qū)域得到滿分，行人保護頭部碰撞安全性能得以提高[6]。

圖2中實線為某SUV車型側面基準線劃線情況。由劃線情況可知，在圖示兩側區(qū)域內與車輛橫向垂直平面平行并且向內傾斜45°的直線（簡稱45°線）與翼子板相切，按照100 mm網格法確定的部分碰撞點落在翼子板與發(fā)動機罩分縫線附近位置。該區(qū)域剛度通常較大，對頭部碰撞十分不利。因此，需要對發(fā)動機罩及翼子板CAS進行優(yōu)化以調整側面基準線位置，從而避免翼子板先與45°線相切。其方法是將發(fā)動機罩CAS向兩側外部偏移而翼子板CAS向內偏移（圖3箭頭方向），使45°線先與發(fā)動機罩相切?？紤]到生產制造誤差，使發(fā)動機罩與翼子板凸出部位沿45°線的垂線方向保留8 mm余量。圖2中虛線部分為優(yōu)化后劃線結果，側面基準線大部分在發(fā)動機罩上，縮小了頭部碰撞區(qū)域，也減少了在發(fā)動機罩兩側易產生高傷害值的危險碰撞點，從而降低了該區(qū)域的傷害值。

2.2 發(fā)動機罩后面基準線位置對SUV造型設計的影響

對SUV車型而言，發(fā)動機罩后面通風蓋板覆蓋區(qū)域通常在成人頭部碰撞區(qū)域內，成人頭部模型與水平面沖擊角度為65°，如果成人頭部模型直接與雨刮軸、雨刮電機、通風蓋板與前擋風玻璃搭接處發(fā)生碰撞，則會產生更大傷害。因此，目前許多車型將通風蓋板設計成隱藏式，一方面能使頭部模型避開雨刮軸、雨刮電機等通風蓋板下方硬點，另一方面發(fā)動機罩后緣與通風蓋板之間的空間能夠避免發(fā)生二次碰撞。采用隱藏式通風蓋板結構的車型其該區(qū)域頭部碰撞得分相對較高，如寶馬X1采用隱藏式通風蓋板后在該區(qū)域頭部碰撞得到滿分。

圖4為某SUV車型通風蓋板區(qū)域Y向（車輛長度方向為X向，寬度方向為Y向，高度方向為Z向）截面，對通風蓋板區(qū)域造型修改方法有2種，具體方法如下。

a. 發(fā)動機罩外CAS向后延伸，方向如圖4a中箭頭方向，用直徑為165 mm的球先與擋風玻璃接觸，然后與發(fā)動機罩后緣接觸，而不是與通風蓋板接觸。

b.部分下移通風蓋板與擋風玻璃接觸邊，同時延長發(fā)動機罩后緣，方向如圖4b中箭頭方向。

優(yōu)化后的發(fā)動機罩后緣基準線劃線避免了頭部模型與通風蓋板區(qū)域的硬點直接碰撞，該區(qū)域行人保護性能得到提升。

2.3 WAD1000線位置對SUV造型設計的影響

WAD1000線位置控制頭部碰撞區(qū)域前邊界。SUV車輛發(fā)動機尺寸較大，因此發(fā)動機艙空間較其他轎車大，前端造型較一般車型高，因此在造型設計時盡量使WAD1000線靠后，以避開發(fā)動機罩鎖扣、發(fā)動機罩緩沖塊等硬點。

3 行人腿部碰撞區(qū)域造型設計研究

3.1 前保險杠造型支撐區(qū)域對SUV造型設計的影響

根據Euro-NCAP的規(guī)定，在腿型對保險杠的試驗中，前保險杠下部基準線與水平面的距離小于425 mm時用小腿沖擊器進行試驗，距離為425～500 mm時可由制造商選擇用小腿沖擊器或者大腿沖擊器進行試驗，若該距離大于500 mm則必須用大腿沖擊器進行試驗[4]。

3.1.1 前保險杠造型支撐區(qū)域概念

針對SUV車輛前保險杠造型行人保護腿部碰撞設計，提出前保險杠造型支撐區(qū)域概念。前保險杠上、下部基準線分別控制前保險杠造型支撐區(qū)域上、下部邊界，前保險杠角點控制前保險杠造型支撐區(qū)域左、右兩側邊界。前保險杠造型支撐區(qū)域關系到腿部防撞系統(tǒng)結構和布置，對行人保護腿部防撞系統(tǒng)開發(fā)有重要影響。圖5中深灰色區(qū)域為前保險杠造型支撐區(qū)域。

3.1.2 采用小腿沖擊器時前保險杠造型設計

研究表明，小腿模型下部質心高度位置低于前保險杠下部基準線位置時，小腿模型在碰撞過程中保持向上翻滾的運動姿態(tài)，從而有效控制膝部彎曲角[2]。一般SUV底盤較高，沒有下部支撐的安裝空間，其小腿碰撞設計采用與轎車相反的思路，即通過增加上支撐以抵住小腿上部向上翻滾的趨勢，使小腿整體上形成向下翻滾的運動姿態(tài)[7]。

因此，結合某SUV車型前保險杠上、下基準線劃分，找出前保險杠造型支撐區(qū)域，并利用madymo軟件，通過設置支撐區(qū)域剛度來考察支撐區(qū)域的位置是否合理，最終通過分析結果進行前保險杠造型支撐區(qū)域CAS優(yōu)化，從而提高行人腿部碰撞的性能。

小腿模型碰撞車輛前端時所受主要載荷分為發(fā)動機罩前緣位置載荷、前保險杠造型支撐區(qū)域載荷、擾流板載荷[8～9]，根據某SUV前端造型特征分別建立發(fā)動機罩前緣橢球、前保險杠造型支撐區(qū)域橢球（包括上支撐橢球和中間支撐橢球）及擾流板橢球，如圖6所示。載荷剛度設置如圖7所示。

上支撐橢球與小腿上部質心Z向間隙用A表示，中間支撐橢球與小腿下部質心Z向間隙用B表示（圖8）。由表1模擬結果可知，隨著A值不斷減小，脛骨加速度變化不大，膝部剪切位移和膝部彎曲角逐漸降低。在保證散熱器格柵進風面積要求的前提下，當上支撐橢球與小腿上部質心Z向間隙為105 mm時為最優(yōu)。上支撐橢球位置確定后，對中間支撐橢球布置位置進行分析。由表2可知，隨著B值不斷減小，脛骨加速度變化不大，膝部剪切位置逐漸增高，膝部彎曲角逐漸降低。綜合考慮前保險杠下部進風面積要求后，中間支撐橢球與小腿下部質心Z向間隙取175 mm時為最優(yōu)。最后通過最優(yōu)方案的上支撐橢球與中間支撐橢球的布置位置來調整前保險杠造型支撐區(qū)域CAS。圖8為采用最優(yōu)方案前、后的仿真結果。

表1 A值對小腿傷害的影響

表2 B值對小腿傷害的影響

3.1.3 采用大腿沖擊器時前保險杠造型設計

采用大腿沖擊器時同樣采用3.1.2節(jié)方法，通過給定前保險杠造型區(qū)域橢球的剛度分析前保險杠橢球不同布置位置對大腿碰撞結果的影響。分析過程不再繁述，結論為控制前保險杠上基準線與下基準線的相對位置，使前保險杠造型支撐區(qū)域覆蓋整個大腿，從而保證大腿沖擊器在碰撞時上、下兩側的受力平衡。

3.2 發(fā)動機罩前緣基準線位置對SUV造型設計的影響

車輛前部造型的幾何尺寸決定了大腿模塊撞擊的能量、初速度與角度，而撞擊接觸面積等決定了大腿模塊受到的沖擊力和彎曲力矩的大小[10]。由于SUV發(fā)動機罩前緣基準線較高，其大腿碰撞能量也較高，因此在Euro-NCAP大腿沖擊器對發(fā)動機罩前緣的碰撞測試中得分幾乎都為零。

但是，皮卡汽車Ford Ranger在2012年的Euro-NCAP行人保護測試中得分率達到81%，在大腿沖擊發(fā)動機罩前緣測試中也取得了不錯的成績[11]。其原因一方面是其發(fā)動機罩前緣基準線與發(fā)動機罩和前保險杠分縫線Z向間隙 （圖9中虛線Z向間距）很大，使得大腿在碰撞該位置時有充足的吸能空間；另一方面是發(fā)動機罩前緣基準線與發(fā)動機罩和前保險杠分縫線X向間隙（圖9中虛線X向間距）也很大，使得大腿碰撞沖擊目標點相對后移，從而避開了散熱器上橫梁等高硬度區(qū)域，使碰撞變形主要發(fā)生在發(fā)動機罩上。

3.3 前保險杠角點位置對SUV造型設計的影響

前保險杠角點為小腿碰撞區(qū)域參考點，因此許多車型在前保險杠造型上進行改進，如增加凸包以縮小小腿碰撞區(qū)域。但Euro-NCAP對小腿碰撞性能進行更嚴格地考察，對小腿碰撞區(qū)域的劃分還考慮到前橫梁兩端區(qū)域對小腿帶來的潛在影響，因此在前保險杠造型設計時應兼顧前橫梁的布置位置。

4 結束語

結合Euro-NCAP行人保護評價標準，對SUV車型前端造型進行了研究，并得出以下結論。

a.通過對前端造型優(yōu)化來控制頭部碰撞區(qū)域，規(guī)避潛在危險點，有利于提高SUV車輛頭部碰撞安全性能。

b.前保險杠造型支撐區(qū)域位置關系到腿部防撞系統(tǒng)結構和布置，對行人保護腿部防撞系統(tǒng)開發(fā)有重要影響。

c.發(fā)動機罩前緣基準線與發(fā)動機罩和前保險杠分縫線間隙的大小，對SUV車型大腿碰撞有重要影響。

1 Lefler D E，Gabler H C.The Fatality and Injury Risk of Light Truck Impacts with Pedestrians in the United States.Accident Analysis and Prevention， 2004，295～304.

2 呂曉江，王純，劉衛(wèi)國，等.基于行人保護的乘用車前部造型設計優(yōu)化.汽車安全與節(jié)能學報， 2011，2（3）:206～211.

3 任山，李海斌，王坤.國內車型頭部碰撞保護現(xiàn)狀分析.2010中國汽車安全技術國際研討會論文集，349～355.

4 European New Car Assessment Program.Pedestrian Test Protocol.http://www.euroncap.com/Content-Web-Page/fb5e236e-b11b-4598-8e20-3eced15ce74e/protocols.aspx，2012-02-01.

5 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X3 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x3/2011/436.aspx，2011-01-01.

6 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X1 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x1/2012/426.aspx，2012-01-01.

7 岳國輝，韓峰，李夕亮，等.基于行人腿部保護的SUV車型前端吸能結構設計.汽車安全與節(jié)能報，2010，1（4）:307～321.

8 Shuler S， Mooijman F， Nanda A， et al.Improved Energy Absorber and Vehicle Design Strategies for Pedestrian Protection.SAE Paper，2005-01-1872.

9 吳斌，朱西產，王大志，等.乘用車與行人碰撞腿部保護設計要素研究.汽車技術，2010（11）:33～37.

10 沈錚，黃俊，聶冰冰，等.汽車前部造型特征對行人碰撞保護的影響研究.2010中國汽車安全技術國際研討會論文集，387～392.

11 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.Ford Ranger Test Results.http://www.euroncap.com/results/ford/ranger/2012/450.aspx，2012-01-01.