車輛前端水箱框架結(jié)構(gòu)對碰撞性能影響

郭樹文　路深　顧海明　李曉東

摘 要：伴隨中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國汽車行業(yè)也發(fā)生了翻天覆地的變化，中國汽車的保有量在不斷增多，帶來中國的道路交通形式也日趨復(fù)雜，使得汽車消費(fèi)者購車已不僅僅是購買一輛代步工具而已，在選車購車時(shí)而是對車輛的安全性能的重視程度在越來越高;汽車企業(yè)也把車輛安全性能開發(fā)放到了至關(guān)重要的位置，加大各種研發(fā)手段及技術(shù)能力的儲備和投入，促使中國汽車安全技術(shù)發(fā)展在不斷進(jìn)步，車輛的安全性能也在不斷提高。本文主要對車輛前端的水箱框架進(jìn)行研究，研究其對車輛安全性能的影響，以指導(dǎo)車輛被動安全性能的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：被動安全 正面碰撞 水箱框架 安全法規(guī)

The Influence of the Frame Structure of the Vehicle Front Water Tank on the Crash Performance

Guo Shuwen Lu Shen Gu Haiming Li Xiaodong

Abstract：With the rapid development of Chinas economy， Chinas automobile industry has also undergone earth-shaking changes. The number of cars in China is increasing， and the forms of road traffic in China have become increasingly complex， making automobile consumers more than just buying a car. Its just a means of transportation. When choosing a car and buying a car， it pays more and more attention to the safety performance of the vehicle; automobile companies also put the development of vehicle safety performance in a crucial position， and increase various research and development methods and technical capabilities. The reserves and investment in China have promoted the continuous progress of China's automotive safety technology， and the safety performance of vehicles has also been continuously improved. This article mainly studies the water tank frame at the front of the vehicle， and studies its influence on the safety performance of the vehicle to guide the development of the passive safety performance of the vehicle.

Key words：passive safety， frontal collision， water tank frame， safety regulations

1 引言

中國汽車車輛的保有量隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在持續(xù)攀升，目前全國汽車保有量大約為2.8億輛左右[1]，每年銷售整車已經(jīng)達(dá)到2800萬輛左右。伴隨車輛數(shù)量的增加，帶來的車輛安全問題日趨復(fù)雜。道路使用者較以前更加復(fù)雜，各種機(jī)動車、非機(jī)動車、行人等穿插于道路之中，每年的安全事故形態(tài)日益繁雜。因此不論消費(fèi)者還是主機(jī)廠均把車輛安全性能看得日益重要，為提高車輛安全性能主機(jī)廠進(jìn)行更多的人力和物力的投入。

經(jīng)過多年的發(fā)展，車輛被動安全已經(jīng)形成較完善的評價(jià)體系，從標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)劃分主要分為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)以及NCAP體系，國內(nèi)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》等，非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》、GB/T 37337—2019《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》等，NCAP體系目前主要包括50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞、50km/h側(cè)面碰撞等。

基于國家標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，主機(jī)廠對車輛結(jié)構(gòu)研究日益深入，在正面碰撞中主要通過防撞橫梁、縱梁、吸能盒進(jìn)行壓潰變形吸能，因此主機(jī)廠對縱梁、防撞橫梁、吸能盒研究較為深入，而車輛前端水箱框架做為前端結(jié)構(gòu)雖然不是直接主要的吸能部件，但卻對正面結(jié)構(gòu)吸能效果有較大影響，因此本文主要對前端水箱框架對正面碰撞安全性能影響進(jìn)行研究。

2 正面碰撞要求及評價(jià)

2.1 正面碰撞工況及評價(jià)

2.1.1 碰撞工況

目前的碰撞形式主要分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、后碰等幾種典型工況。

其中側(cè)面碰撞工況主要考核車輛發(fā)生側(cè)面撞擊的情況下，依靠車輛結(jié)構(gòu)及約束系統(tǒng)對乘員進(jìn)行保護(hù)的性能;車輛在發(fā)生側(cè)面碰撞后首先是依靠側(cè)面的B柱、門檻梁、上邊梁、座椅橫梁等進(jìn)行吸能，吸收側(cè)面車輛的撞擊能量，減緩車輛側(cè)面變形，保證車輛維持足夠的乘員生存空間，同時(shí)通過側(cè)面約束系統(tǒng)對乘員進(jìn)行保護(hù)，降低乘員受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

而本文要研究的水箱框架是車輛的重要組成部件，其主要是車輛在發(fā)生正面碰撞時(shí)會對車輛安全性能產(chǎn)生影響。

正面碰撞主要分為50km/h正面碰撞、64km/h偏置碰撞，這種工況主要考核在車輛發(fā)生正面撞擊時(shí)車輛對車上乘員進(jìn)行保護(hù)的效果，其中分為兩部分一部分為車身結(jié)構(gòu)安全，另一部分為約束系統(tǒng)對乘員的保護(hù)。

在50km/h正面碰撞試驗(yàn)中需要在車輛前排外側(cè)的座椅上放置HYBID III 50%分位男性假人。車輛發(fā)生正面碰撞后，防撞橫梁、吸能盒、縱梁等前端吸能組件進(jìn)行壓潰變形，吸收車輛的前端碰撞能量，同時(shí)通過乘員艙艙體結(jié)構(gòu)對乘員生存空間進(jìn)行保護(hù)，保證乘員艙結(jié)構(gòu)的完整性;而且在乘員艙內(nèi)通過氣囊、座椅、轉(zhuǎn)向管柱、安全帶等部件經(jīng)過合適的部件匹配對乘員進(jìn)行保護(hù)，降低乘員的受傷危害，保護(hù)乘員的安全性。

2.1.2 安全要求

碰撞試驗(yàn)后需要對車輛進(jìn)行安全性能評價(jià)，以判斷車輛的安全性能，其評價(jià)內(nèi)容主要包含如下考核項(xiàng)目：車門在開展試驗(yàn)的過程中不得有開啟現(xiàn)象;在試驗(yàn)過程中前門的鎖止系統(tǒng)不得發(fā)生鎖止;碰撞試驗(yàn)后對應(yīng)于每排座位，若有門，至少有一個(gè)門能打開;碰撞過程中燃油供給系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)生泄漏;碰撞試驗(yàn)后，若燃油供給系統(tǒng)存在液體連續(xù)泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min。

試驗(yàn)后還要對假人關(guān)鍵部位傷害進(jìn)行評價(jià)，主要包括頭部性能指標(biāo)（HIC）、頭部合成加速度、頸部伸張力、頸部剪切力、頸部彎矩、胸部粘性指數(shù)、胸部壓縮變形（THCC）、大腿壓縮力、膝滑移、小腿脛骨指數(shù)等。

最終要依據(jù)定性與定量相結(jié)合的方法，對車輛的碰撞安全性能進(jìn)行評價(jià)，評定車輛的安全性能和等級，以保證車輛的安全性能能夠保證車輛足夠的安全保護(hù)能力，保證乘員的生命安全。

3 水箱框架結(jié)構(gòu)對碰撞安全性能影響分析

車輛是由成千上萬的不同部件組成的，每個(gè)部件都對車輛的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著重要的作用，水箱也是車輛的重要組成部件，車輛在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生很多的熱量，產(chǎn)生的能量會使車輛動力裝置溫度不斷升高，過高的溫度會影響發(fā)動機(jī)或電機(jī)的正常工作性能，為了保證發(fā)動機(jī)或電機(jī)在合適的工作溫度范圍內(nèi)工作，需要通過水箱將發(fā)動機(jī)或變速箱產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，使得發(fā)動機(jī)或電機(jī)保持在正常的工作溫度范圍內(nèi)。

而汽車水箱框架做為車輛前端結(jié)構(gòu)，是汽車散熱器總成中的重要組成部分，主要作用在于將車輛的水箱牢固的安裝在車輛前端，提供足夠的強(qiáng)度支撐，保證在車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會因?yàn)檐囕v的顛簸和振動，影響水箱的工作，因此水箱框架在車輛前端必不可少[2]。

3.1 經(jīng)典水箱框架結(jié)構(gòu)

經(jīng)典車輛水箱框架結(jié)構(gòu)如下圖1所示，主要由一根水箱上橫梁、左/右水箱立梁、水箱立梁與縱梁連接板、水箱下橫梁等部分組成，中部的水箱通過上下安裝點(diǎn)安裝到水箱框架上，保證其牢固的安裝在上面，保持正常的工作狀態(tài)。

由于水箱內(nèi)有很多的循環(huán)水，另外水箱及水箱立梁本身也比較重，為了保證水箱能夠牢固的安裝在車輛前端，因此水箱立梁連接板要有足夠強(qiáng)度，而且要通過圖2所示處連接到縱梁上，為此需要連接板能夠提供足夠的連接強(qiáng)度。

3.2 經(jīng)典水箱框架結(jié)構(gòu)分析

車輛在發(fā)生正面碰撞時(shí)，主要依靠前端吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形吸能。

經(jīng)典水箱框架結(jié)構(gòu)首先是防撞橫梁及吸能盒壓潰變形，吸收碰撞能量，接下來是縱梁壓潰變形，在此期間水箱結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變形，經(jīng)典水箱框架位于縱梁內(nèi)側(cè)，通過水箱立梁連接板與縱梁進(jìn)行連接。

在水箱立梁碰撞受力階段，車輛前端受力如下圖3所示，縱梁與水箱立梁由于在Y向錯開布置，因此在水箱立梁受力階段，與縱梁受力形成一個(gè)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)力矩。由此會使縱梁形成向外側(cè)翻轉(zhuǎn)變形形式，降低縱梁吸能效果。

通過仿真手段搭建一典型車型的仿真模型，整車模型分為若干子系統(tǒng)，主要由白車身、車門系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、座椅系統(tǒng)等組成，整車采用10mm*10mm網(wǎng)格進(jìn)行劃分，各子系統(tǒng)通過include文件模式進(jìn)行系統(tǒng)組裝，整車模型共計(jì)300萬左右網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間120ms。

此模型進(jìn)行50km/h正面碰撞仿真計(jì)算，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，查看碰撞后的變形縱梁及吸能盒等，仿真結(jié)果如下圖4所示，縱梁在前端形成了外側(cè)翻轉(zhuǎn)的變形形式。

通過仿真結(jié)果分析縱梁及吸能盒的吸收能量情況如下圖5，防撞橫梁吸收能量2.9KJ，吸能盒吸收能量15.9KJ，縱梁吸收能量37.8KJ，總體吸收能量56.6KJ，如下圖5所示：

對碰撞后的車輛前圍板進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，車輛前圍變形情況如下表所示

為提高車輛被動安全性能改善縱梁變形模式，改善縱梁壓潰變形吸能形式，將水箱立梁改成圖6所示形式，水箱立梁安裝在吸能盒與縱梁搭接處，水箱立梁與縱梁受力中心基本處于同一平面內(nèi)，避免縱梁受到過大的旋轉(zhuǎn)彎矩。

基于此種結(jié)構(gòu)，搭建仿真模型，經(jīng)過仿真計(jì)算，縱梁變形如下7所示，由圖可以看出，經(jīng)過改善后的縱梁和吸能盒是逐級順序壓潰的，可以有效增加吸能盒及縱梁的變形吸能能力，改善車輛的被動安全性能

對車輛進(jìn)行分析車輛吸能盒及縱梁吸能效果情況如下圖8所示。防撞橫梁吸收能量3.1KJ，吸能盒吸收能量17.9KJ，縱梁吸收能量46.17KJ，總體吸收能量67.17KJ。

對碰撞后前圍侵入情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其侵入變形情況如下表2所示：

對改進(jìn)前后的吸能盒及縱梁吸能情況進(jìn)行對比，可以看出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠有效吸收更多的碰撞能量。

由改進(jìn)前后的前圍侵入情況也能明顯看出，改進(jìn)后的前圍侵入明顯有所降低，減少了乘員艙的變形，降低乘員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

4 總結(jié)

經(jīng)過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，為了保證車輛的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，水箱框架結(jié)構(gòu)在車輛上是必不可少的部件，另外由于其所在的位置其布置結(jié)構(gòu)形式又對車輛被動安全性能有著直接的影響，因此設(shè)計(jì)合理的水箱立梁的結(jié)構(gòu)形式對車輛被動安全性能至關(guān)重要。

（1）要保證水箱立梁與吸能盒及縱梁在Y向盡量避免錯開布置，減少碰撞時(shí)的旋轉(zhuǎn)彎矩。

（2）合理設(shè)計(jì)水箱立梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)及安全要求。

因此水箱框架結(jié)構(gòu)形式對提升車輛的正面碰撞安全性能有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷斌，張帥.乘用車車道保持輔助主觀評價(jià)方法研究，中國汽車，2020，10-13.

[2]梅燁.BA01型汽車水箱支架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].海南大學(xué)，2017.