鋁合金駕駛室安全性能優(yōu)化分析

張德偉,孔雪,李冰,祝哮，孫巍，王東輝

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽 111003)

0 引言

近幾年隨著電商平臺的快速發(fā)展和網(wǎng)購的爆炸式發(fā)展，我國快遞規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大?？爝f業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大對物流車的需求量也不斷增加，新能源物流車成為同城物流配送的主要增長極。但由于受制于續(xù)航里程、充電時間以及配套充電設(shè)備不完善等因素，電動車暫時適用于中短程的行駛路線。為降低物流成本，增加續(xù)航里程，新能源物流車的輕量化勢在必行。

鋁合金的密度約為鋼的1/3，回收利用率高，成型簡單，已成為目前應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。在保證車輛的結(jié)構(gòu)可靠性和安全性能的前提下，盡可能地降低車輛的整備質(zhì)量，從而提高車輛的續(xù)航里程，為此將新能源物流車的駕駛室材料用鋁合金，主要采用擠壓成型技術(shù)。

目前新能源物流車的駕駛室采用平頭框架類型，乘員生存空間較小，因此一旦發(fā)生類似正面撞擊事故時，乘員容易受到擠壓傷害而危及生命。為消除在意外事故中駕駛室內(nèi)乘員受傷的危險，保證駕駛室的生存空間，文中依據(jù)GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護(hù)》的要求，對駕駛室進(jìn)行正面撞擊的仿真分析優(yōu)化，保證駕駛室滿足生存空間要求。

1 法規(guī)解析

正面沖擊時駕駛室固定，正面沖擊擺錘從前向后撞擊駕駛室，沖擊擺錘寬度為2 500 mm，高度為800 mm，質(zhì)量為1 500 kg，擺錘重心位置低于駕駛室座椅(點R) 50 mm。當(dāng)車輛的最大設(shè)計質(zhì)量不大于7 000 kg時，撞擊能量為29.4 kJ。當(dāng)車輛的最大設(shè)計質(zhì)量大于7 000 kg時，撞擊能量為44.1 kJ。撞擊工況如圖1所示。

圖1 撞擊工況示意圖

2 正面撞擊初步結(jié)果分析

2.1 駕駛室框架變形

駕駛室框架是正面沖擊工況下的主要傳力通道，是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。當(dāng)正面沖擊擺錘撞擊到駕駛室前部時，由于底部強(qiáng)度大而上部相對比較薄弱，導(dǎo)致擺錘發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后導(dǎo)致對上部的沖擊力較大，上部結(jié)構(gòu)偏弱使得駕駛室上部侵入較大而影響駕駛室的生存空間。最終導(dǎo)致駕駛室的最大侵入高達(dá)278.9 mm。駕駛室整體變形圖和縱向侵入云圖分別如圖2—圖3所示。

圖2 駕駛室變形圖

圖3 駕駛室縱向侵入云圖

2.2 門框變形

車門是正面沖擊工況下重要的輔助傳力通道，在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要的支撐傳力作用，也是發(fā)生事故后重要的逃生通道。正面沖擊后，由于車門中部支撐剛度不足導(dǎo)致向內(nèi)折彎，不能起到很好的傳力作用導(dǎo)致駕駛室增大，車門框變形很大而使車門難以打開。車門變形圖如圖4所示，門框測量點及門框變形曲線圖如圖5所示，其變形值如表1所示。可見左、右門框變形量基本一致，說明左、右門框的結(jié)構(gòu)和傳力能力相當(dāng)。

圖4 車門變形圖

圖5 門框變形試驗

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3 優(yōu)化方案

由于駕駛室實際下部固定在車架上，而上部沒有固定機(jī)構(gòu)，受到正面沖擊時類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，為了使駕駛室減少侵入，加強(qiáng)底部支架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 底部加強(qiáng)件

正面沖擊時，沖擊力主要靠兩側(cè)的框架結(jié)構(gòu)來承載，因此要加強(qiáng)兩側(cè)的框架結(jié)構(gòu)來承受住正面的沖擊，同時車門中部支撐要有足夠的承載能力輔助兩側(cè)框架將力順次傳遞，最終保證駕駛室有足夠的生存空間。傳力通道示意圖如圖7所示。

圖7 傳力通道示意圖

4 優(yōu)化結(jié)果分析

由于駕駛室上部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，縱向傳力能力提升，車門中部支撐件加強(qiáng)后穩(wěn)定傳力，優(yōu)化后正面撞擊后駕駛室整體變形圖和縱向侵入云圖分別如圖8—圖9所示。由圖9可知，駕駛室的最大侵入量為203.0 mm，增加了駕駛室生存空間。優(yōu)化后門框變形曲線圖如圖10所示，可知變形門框動態(tài)最大變形量為93.6 mm，靜態(tài)最大變形量為77.2 mm，門框變形值如表2所示?？梢妰?yōu)化后的左、右門框變形量基本一致且變形量較小，正面沖擊后左、右車門都能正常開啟。

圖8 優(yōu)化后駕駛室變形圖

圖9 優(yōu)化后駕駛室侵入云圖

圖10 優(yōu)化后門框變形曲線圖

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5 結(jié)論

(1)駕駛室框架是正面沖擊工況下的主要傳力通道，是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，在設(shè)計中要保證其足夠的強(qiáng)度。

(2)車門是正面沖擊工況下重要的輔助傳力通道，在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要的支撐傳力作用，在設(shè)計中要保證其合理的支撐強(qiáng)度。

(3)駕駛室經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，縱向傳力能力提升，車門中部支撐件加強(qiáng)后穩(wěn)定傳力，滿足駕駛室生存空間要求。

(4)駕駛室通過采用鋁合金材料實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，而且其安全性能滿足法規(guī)要求，可有效提升續(xù)航里程，增加市場競爭力。