正面25%偏置碰撞中車輪鉸鏈?zhǔn)У难芯?

張 健，趙清江，徐作文，史愛民，郭怡暉

（1.汽車噪聲振動與安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122； 2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.眾泰汽車工程研究院，杭州 310016）

前言

車輛正面碰撞為車輛碰撞事故發(fā)生主要形式，其造成人員傷害死亡占比達(dá)27.68%，在交通事故統(tǒng)計年報中比例最高［1］。同時，現(xiàn)實中，有一類正面小重疊度偏置碰撞（簡稱小偏置碰撞，碰撞時車身與碰撞物重疊率不大于30%，主要反映車輛前部一側(cè)與其它車輛、樹木或者電線桿發(fā)生碰撞事故形態(tài)），卻是正面碰撞事故中致死率最高的事故。如：在美國，其死亡事故約占正面碰撞死亡事故總數(shù)22%；在英國，約占正面碰撞致死事故總數(shù)27%，致死率遠(yuǎn)高于其他類型汽車正面碰撞事故［2-3］，因此，亟需深入研究該類碰撞。國際上，IIHS首先關(guān)注了此類碰撞，并于2012年提出了重疊率為25%小偏置正面碰撞試驗。在國內(nèi)，中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）于2017年7月推出評價規(guī)程，率先引入25%小偏置正面碰撞試驗，并作為車內(nèi)乘員安全指數(shù)考核項之一。對2018年C-IASI測試23款車型公開統(tǒng)計結(jié)果［4］（含16款合資車型），其小偏置碰撞優(yōu)秀率僅為22%，說明目前國內(nèi)大部分車型對該類型碰撞事故沒有很好的應(yīng)對策略。如何降低正面小重疊碰撞事故對車輛和乘員損傷已成為當(dāng)今國內(nèi)汽車安全領(lǐng)域研究重點和難點之一。在小偏置碰撞事故中，由于重疊度小，所有來自正面沖擊力將由縱梁之外結(jié)構(gòu)承受。車輪作為縱梁外側(cè)主要承力構(gòu)件，其是否脫落將影響車身內(nèi)乘員傷害程度。同樣對2018年C-IASI測試23款車型公開結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和宏觀比較［4］，共有8款車出現(xiàn)車輪脫落情況，評級為優(yōu)良占比75%（8款車占6款）；未脫落共有15款車，優(yōu)良占比33%（15款占5款），說明車輪脫落與否對小偏置碰撞結(jié)果評級影響較大。

國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)針對小偏置碰撞性能開發(fā)，大都采用試驗完成后，調(diào)整仿真模型并對標(biāo)，以獲得較準(zhǔn)確的仿真模型，再進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)解決思路［3，5-8］，該思路屬于樣車生產(chǎn)出來后再優(yōu)化，研發(fā)成本高，改進(jìn)空間小。且在國內(nèi)，包括以上文獻(xiàn)中，未發(fā)現(xiàn)提及通過調(diào)整車輪脫落及連接鉸鏈?zhǔn)硖岣咴囼灪头抡婺Ｐ途鹊南嚓P(guān)策略。國際上，De La Torre等［9］對多個小偏置碰撞試驗進(jìn)行分析之后認(rèn)為，車輪是小偏置碰撞中重要受力結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了一個由車輪、副車架、轉(zhuǎn)向搖臂和A柱組成系統(tǒng)級試驗裝置，可用來進(jìn)一步研究偏置碰撞中車輪與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間動態(tài)響應(yīng)，該系統(tǒng)對小偏置碰撞汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。Park等［10］設(shè)計了一種用于在小偏置碰撞時，模擬車輪旋轉(zhuǎn)和脫落簡易試驗裝置，該裝置有助于找到車輪旋轉(zhuǎn)和脫落與車身侵入量、車輛運動和乘員傷害之間的關(guān)系。以上兩種裝置均為通過系統(tǒng)級試驗方法評判車輪等關(guān)鍵零部件對小偏置碰撞影響，能在一定程度上探究車輪運動對碰撞結(jié)果的影響，降低試驗成本和研發(fā)費用，有利于開發(fā)前期發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)。但作為系統(tǒng)級裝置，無法得到整車狀態(tài)下鉸鏈?zhǔn)囕喢撀溆绊懪c整車碰撞結(jié)果之間關(guān)系。如能在正向開發(fā)過程中，在生產(chǎn)樣車試驗開展前，CAE分析能基于精確鉸鏈?zhǔn)Ｊ?，將極大提高仿真精度并發(fā)現(xiàn)改進(jìn)問題，且能大幅縮減研發(fā)試驗成本。目前國內(nèi)外研究中，探討鉸鏈?zhǔn)Ｊ?、測試鉸鏈?zhǔn)ЯΣ?yīng)用于仿真分析中相關(guān)研究并不多見。本文中基于C-IASI中“正面25%偏置碰撞評價規(guī)程”［11］，研究并驗證通過零部件拉伸試驗方法，獲取車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)Я?，并?yīng)用于仿真中以準(zhǔn)確模擬鉸鏈?zhǔn)У慕鉀Q思路，以提高小偏置碰撞仿真計算精度，從而低成本、高精度保障整車正向安全性能開發(fā)。

1 碰撞過程中車輪脫落對結(jié)構(gòu)變形影響

前面通過統(tǒng)計方法在宏觀層面得知，車輪脫落與否對小偏置碰撞測試評價影響較大。本部分將針對某同一車型，探究車輪脫離對碰撞結(jié)果的影響程度。

1.1 整車有限元模型及其設(shè)置

利用有限元法對兩種極端情況進(jìn)行仿真對比分析。使用模型基于美國喬治梅森大學(xué)（GMU）碰撞安全與分析中心（CCSA）發(fā)布的豐田2012款Camry轎車有限元模型［12］。車輛以速度64 km/h撞擊固定在正前方剛性壁障，汽車與壁障重疊部分為車身寬度的25%。

假設(shè)極端情況為：（1）車輪與底盤所有連接鉸鏈不失效，車輪完全不脫落；（2）如圖1所示位置，車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)?，?dǎo)致車輪與車輛完全脫離。再使用C-IASI正面25%偏置碰撞乘員艙侵入量等級評定指標(biāo)對兩者進(jìn)行評定。

基于LS-DYNA分析軟件，針對圖1中3個車輪與底盤連接鉸鏈，分別為：鉸鏈A，橫向穩(wěn)定桿與挺桿連接；鉸鏈B，下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接；鉸鏈C，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接（為便于文章敘述，下文均以字母對鉸鏈進(jìn)行描述）。其鉸鏈模型設(shè)置方式為：情況1，將A、B、C鉸鏈設(shè)置為spherical鉸鏈剛性連接，且不設(shè)失效；情況2，取消3個鉸鏈所設(shè)置連接，使其處于完全自由無連接失效狀態(tài)。

圖1 底盤失效鉸鏈位置示意

1.2 結(jié)構(gòu)分析與評估

以上設(shè)置完成后，分別對情況1和情況2依據(jù)C-IASI“正面25%偏置碰撞試驗規(guī)程”要求，進(jìn)行仿真計算，仿真結(jié)果如圖2～圖4所示，并可得出以下結(jié)論。

（1）情況1時，其主要傳力路徑為：保險杠與壁障產(chǎn)生接觸，壁障擠壓車輪、副車架與shotgun、翼子板等件，再擠壓A柱與門檻，碰撞力傳遞至車身其余部位，該傳力路徑吸能占總能量36.10%。情況2傳力路徑與情況1類似，其傳力路徑吸能占總能量33.20%。傳力路徑關(guān)鍵零部件吸能情況見表1。由于車輪與車輛無連接，車輪從A柱及門檻處滑脫，對A柱、門檻造成擠壓，好于情況1。由表1可見，情況1在A柱、門檻吸收碰撞能量比情況2多54%。說明車輪脫落有利于減輕傳力路徑關(guān)鍵零部件，特別是包括A柱、門檻在內(nèi)的門環(huán)系統(tǒng)對碰撞能量吸收的壓力。

表1 傳力路徑關(guān)鍵零部件吸能情況 %

車輪脫落情況對比如圖2所示。

圖3為兩種情況下左前門門環(huán)變形模式。從圖中可看出，4個位置變形有較明顯差異，總體而言，情況2變形小于情況1。

綜上，從碰撞能量吸收和變形模式判斷，車輪是否從車輛脫落，對門環(huán)變形有較大影響。

圖2 小偏置碰撞車輪脫落對比

（2）圖4為乘員艙侵入數(shù)值對比，實線為情況1乘員艙侵入量數(shù)據(jù)，虛線為情況2乘員艙侵入量數(shù)據(jù)。圖中可看出，除制動踏板侵入量外，情況1侵入量測量點均比情況2要高，兩者相差在38～272 mm之間，說明車輪脫落對小偏置碰撞結(jié)構(gòu)侵入量影響較大。就Camry模型而言，車輪脫落可以提升車輛結(jié)構(gòu)評級。

圖4 兩種情況下乘員艙侵入量數(shù)值對比

通過仿真分析對比同一車輪鉸鏈連接完全不失效和完全失效兩種狀態(tài)下碰撞結(jié)果，在傳力路徑碰撞能量吸收、門環(huán)變形模式和乘員艙侵入量數(shù)值3個方面均有較大差異?？沙醪脚袛嘬囕嗊B接鉸鏈?zhǔn)c否對小偏置碰撞性能評定影響較大。準(zhǔn)確設(shè)置上述連接鉸鏈?zhǔn)Я?，對整車安全性能正向開發(fā)、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷有重要意義。

2 小偏置碰撞鉸鏈?zhǔn)芰η闆r分析

采用仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，使用前述Camry轎車有限元模型，進(jìn)行小偏置碰撞模擬。通過仿真分析，車輪受力情況示意如圖5所示。其受力過程為：（1）車輪與剛性壁障接觸，帶動車輪向后運動，直至車輪后端抵住門檻梁；（2）在強(qiáng)大擠壓力作用下，車輪產(chǎn)生向左偏轉(zhuǎn)，若擠壓力持續(xù)，車輪偏轉(zhuǎn)趨勢將帶動A、B、C鉸鏈在碰撞過程中脫落。

圖5 小偏置碰撞車輪受力模式

在小偏置碰撞事故中，沖擊能量是一個不確定量，同一車型沖擊能量直接取決于車速車速對鉸鏈在整車坐標(biāo)系下3個方向受力影響分析有助于明確各鉸鏈測量范圍。

通過數(shù)理統(tǒng)計敏感性分析方法對該問題加以說明。敏感性較強(qiáng)是指所涉及因素在變化不大時能引起系統(tǒng)輸出重大變化，以致影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定性［13］。在小偏置碰撞中，敏感性較強(qiáng)因素為車速，系統(tǒng)輸出為A、B、C鉸鏈X、Y、Z方向峰值力。

采用皮爾森系數(shù)（式（1））進(jìn)行相關(guān)性分析即敏感性分析，車速波動范圍以接近小偏置碰撞標(biāo)準(zhǔn)速度65 km/h為基準(zhǔn)，外加50、60、70和80 km/h，在±23%范圍內(nèi)波動，進(jìn)行驗證。分析結(jié)果見表2。

表2 各鉸鏈峰值力與車速之間的相關(guān)性

由表2可知，沖擊能量對3個鉸鏈3個方向峰值力相關(guān)性均在顯著等級以上。車速變化幾乎能引起各鉸鏈各方向峰值力線性變化。且在車速65 km/h為基準(zhǔn)、在±23%波動范圍內(nèi)各鉸鏈各方向峰值力波動范圍均超過30%，最大達(dá)56.3%。

綜上，為保證整車碰撞仿真輸入準(zhǔn)確性，須對車輪A、B、C連接鉸鏈各方向失效力進(jìn)行全面測量。

3 車輪連接鉸鏈測量失效力試驗

圖6 SANS拉伸壓縮試驗機(jī)

針對與豐田2012款Camry轎車同型前懸系統(tǒng)某車型（鉸鏈形式相同），選擇車輪與車輛連接的A、B、C 3個鉸鏈部位，進(jìn)行失效力測量試驗。

鉸鏈?zhǔn)Яy量采用拉伸試驗方式進(jìn)行，拉伸試驗使用設(shè)備為SANS拉伸機(jī)（見圖6），其最大拉伸（壓縮）載荷為350 kN。該設(shè)備為“日”字形，設(shè)備上下橫梁為固定端，中間橫梁可移動，產(chǎn)生載荷。只要設(shè)計合適工裝夾具，上下部分均可進(jìn)行拉伸（壓縮）試驗。

圖7分別為橫向穩(wěn)定桿與挺桿、下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接鉸鏈（鉸鏈A、B、C），在整車坐標(biāo)系下X、Y、Z3個方向拉伸試驗工裝示意圖及部分試驗過程圖。

圖中：1為固定端工裝，固定于拉伸壓縮試驗機(jī)下底座；2為移動端工裝，固定挺桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿和下擺臂，并連接設(shè)備移動梁產(chǎn)生拉伸載荷。試驗時，均截取與球鉸連接兩端零件一小段樣件進(jìn)行試驗，每個鉸鏈每個方向工況進(jìn)行3組試驗，以保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖7 各鉸鏈3個方向拉伸試驗工裝示意圖

試驗完成后，SANS拉伸（壓縮）機(jī)輸出A、B、C鉸鏈3個方向力位移曲線，如圖8所示。加載時，所有的力曲線均緩慢上升，當(dāng)力達(dá)到某一峰值后鉸鏈?zhǔn)В€劇烈下跌。讀取曲線下跌前峰值，作為各測試鉸鏈?zhǔn)Я?。取各工況鉸鏈?zhǔn)Яζ骄底鳛槟耻囆秃罄m(xù)開發(fā)鉸鏈?zhǔn)л斎霐?shù)據(jù)。

圖8 各鉸鏈3個方向拉伸結(jié)果

4 鉸鏈?zhǔn)Яυ谀耻囆托∑门鲎豺炞C

基于C-IASI試驗與評價規(guī)程，對前面所提的某車型進(jìn)行小偏置碰撞仿真分析。整車模型不放模型假人，而采用等質(zhì)量BEAM單元配重替代；整車碰撞模型單元數(shù)為210萬，整備質(zhì)量與實車相同；仿真模型3個連接鉸鏈部位設(shè)置BEAM單元，并輸入拉伸試驗得到各方向失效力。計算分析完成后與后期樣車小偏置試驗結(jié)果進(jìn)行鉸鏈?zhǔn)?、車體侵入量和變形模式對比，結(jié)果如下。

4.1 鉸鏈?zhǔn)闆r對比

碰撞試驗過程中，鏈接A、B、C均發(fā)生了脫落失效。仿真70 ms時，A、B、C鉸鏈全部脫落，與試驗脫落情況相同。結(jié)果對比詳見圖9。

圖9 仿真與試驗鉸鏈?zhǔn)Р课粚Ρ?/p>

4.2 碰撞后車體結(jié)構(gòu)變形對比

試驗與仿真在碰撞過程中整車與門環(huán)系統(tǒng)變形模式分別如圖10和圖11所示。通過比較，車輪和車體門環(huán)系統(tǒng)特征位置變形模式與試驗相似度高，顯示了仿真具有較高的可信度，理由如下。

（1）仿真與試驗結(jié)果均出現(xiàn)剛性壁障抵住車輪導(dǎo)致其彎折及車輪脫落情況（圖10），同時碰撞力傳遞到門鉸鏈柱和門檻梁，造成門鉸鏈柱與門檻梁變形，且A柱和上邊梁相同部位發(fā)生折彎（圖11）。因此，門環(huán)變形模式相同。

圖10 仿真與試驗過程車輪變形模式對比

圖11 門環(huán)系統(tǒng)仿真與試驗結(jié)果對比

（2）基于該國產(chǎn)車模型，另外對未設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Ｐ瓦M(jìn)行計算。依據(jù)C-IASI針對25%偏置碰撞評價規(guī)程，將試驗結(jié)果、設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Х抡媾c未設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Х抡?個結(jié)果車體結(jié)構(gòu)測點侵入量進(jìn)行對比（圖12），可以看出：設(shè)置失效后仿真值更接近試驗結(jié)果，且所有測量指標(biāo)均在相同等級區(qū)域內(nèi)。

圖12 仿真與試驗乘員艙侵入量數(shù)值對比

（3）基于C-IASI評價規(guī)程，通過對車體結(jié)構(gòu)測點侵入量數(shù)值對比（表3）得出：設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Ш蠓抡婢忍嵘仍?2% ～375%之間，提升幅度較大。

表3 車體結(jié)構(gòu)各測點侵入量對比

綜上，采用準(zhǔn)確底盤鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡婺Ｐ?，能極大提高小偏置碰撞仿真計算精度，保障整車正向安全性能開發(fā)。

5 結(jié)論

基于C-IASI規(guī)程，本文中探究了車輪與底盤零部件間連接鉸鏈?zhǔn)Ф鴮?dǎo)致車輪脫落對碰撞結(jié)果的影響，并提出通過零部件拉伸試驗方法獲取車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)Я?，并?yīng)用于仿真中以準(zhǔn)確模擬鉸鏈?zhǔn)Ы鉀Q思路，通過仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，明確了鉸鏈力測量范圍，并設(shè)計出若干套測量鉸鏈?zhǔn)Яぱb夾具，將測量失效力應(yīng)用于某車型小偏置碰撞正向開發(fā)模型，通過仿真試驗對比，證明該研究思路合理且可行，研究得出如下結(jié)論。

（1）通過分析同一車型車輪3個球鉸鏈完全不失效和車輪完全脫落兩種極端情況。結(jié)果表明：鉸鏈完全失效與否導(dǎo)致車輪運動形式完全不同，且左前門門環(huán)變形模式也不相同，總體來說，鉸鏈不失效情況下，門環(huán)系統(tǒng)的變形更大，從乘員艙侵入量數(shù)值角度進(jìn)行結(jié)果評判，兩種情況相差38～272 mm。因此，車輪與底盤連接是否失效對小偏置碰撞性能評定影響較大。

（2）通過仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，對車輪連接鉸鏈各個方向受力情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：沖擊能量對3個鉸鏈3個方向峰值力相關(guān)性均在顯著等級以上，故須對各鉸鏈X、Y、Z3個方向平動失效力進(jìn)行全面測量。

（3）針對某車型車輪與底盤3個鉸鏈，完成了一整套測量鉸鏈?zhǔn)Яぱb夾具設(shè)計，試驗表明該套夾具能完整測量出該車型各鉸鏈?zhǔn)Я?，設(shè)計合理。

（4）對該車型進(jìn)行帶鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡娣治鲅芯浚Y(jié)果表明：設(shè)置了準(zhǔn)確失效力仿真模型，其鉸鏈?zhǔn)撀?，車輪和門框特征位置變形模式均與試驗一致。通過對車體結(jié)構(gòu)測點侵入量數(shù)值對比，帶鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡婢忍嵘仍?2% ～375%之間，大幅提高小偏置碰撞仿真計算精度。