乘用車前端車體架構(gòu)規(guī)劃

楊國勇 楊金秀 羅培鋒 饒俊威 黃涌

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院, 廣州511434）

主題詞：汽車安全性 車體架構(gòu) 正碰 對(duì)碰 小偏置碰 FRB SORB MPDB

縮略語

C-NCAP China New Car Assessment Program C-IASI China Insurance Automotive Safety Index FRB Front Rigid Barrier MPDB Moving Progressive Deformable Barrier SORB Small Overlap Rigid Barrier ODB Offset Deformable Barrier RCAR Research Council For Automobile Repairs FEM Front End Module,

1 前言

汽車安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。汽車被動(dòng)安全性指汽車所具有的在交通事故中保護(hù)乘員免受傷害的能力，其研究內(nèi)容包括如車體抗撞性、乘員約束系統(tǒng)性能以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)防傷性能等[1]。在車體上，對(duì)乘員的保護(hù)能力主要是車體結(jié)構(gòu)提供的。好的汽車產(chǎn)品，其車體架構(gòu)在初期的設(shè)計(jì)規(guī)劃很重要?？梢哉Ｐ旭偟钠?，所有自身零件的搭載和遇險(xiǎn)碰撞時(shí)的乘員保護(hù)，都主要依附在車體骨架上，根據(jù)碰撞時(shí)的功能作用，整車一般可分為3 個(gè)部分(圖1)：前端吸能區(qū)、中間乘員保護(hù)區(qū)和后端吸能區(qū)。

圖1 整車分區(qū)

高剛度、輕量化成為當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)，但是，如何處理高剛度、輕量化，以便提高汽車性能水平，除了采用高強(qiáng)度、低厚度的材料外，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一關(guān)鍵技術(shù)。將100%重疊率剛性壁障正面碰撞簡化為代表車輛的質(zhì)量為m的質(zhì)心與彈簧所組成的彈簧-質(zhì)量模型，碰撞力表示為F=m×a。

工程學(xué)中，一般把彈性領(lǐng)域內(nèi)有力作用時(shí)的變形難易程度叫做剛度，但在汽車碰撞安全領(lǐng)域中的剛度同時(shí)包含了塑性區(qū)，認(rèn)為力和變形量的關(guān)系為近似的線性關(guān)系[2]。為此，乘員保護(hù)區(qū)的車體剛度與碰撞力傳遞到防火墻時(shí)的大小密切相關(guān)，即希望前端吸能區(qū)盡量多的消耗碰撞能量。

就前端吸能區(qū)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì)，首先，分析全球主要汽車市場的前端碰撞相關(guān)法規(guī)，然后，分析全正碰和小偏置碰時(shí)車體常見結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

2 中美歐前端碰撞法規(guī)對(duì)比

通過觀察汽車被動(dòng)安全(前端)法規(guī)[3]對(duì)比表1可知：

表1 汽車被動(dòng)安全(前端)法規(guī)對(duì)比

（1）強(qiáng)制法規(guī)方面

中/美/歐的檢測方法有較大差異，就工況達(dá)成難度而言，美國法規(guī)的56 km/h FRB最嚴(yán)格。中/歐的50 km/h FRB 主要是碰撞速度略低，在達(dá)成50 km/h FRB后，提高主縱梁剛度強(qiáng)度的情況下(為了全球車型的最大通用化：主縱梁的截面及位置保持一樣)，一般通過增加車體前端的X向(整車前、后方向,下同)潰縮空間實(shí)現(xiàn)56 km/h FRB 需求(如本田某款全球化的A 級(jí)車，在車體架構(gòu)相同的情況下，中/美版本的車體前端X向相差55 mm)。

（2）安全星級(jí)方面

中/歐的MPDB 和行人保護(hù)難度較高。MPDB 對(duì)車體的攻擊性提出了要求，相對(duì)碰撞速度達(dá)到100 km/h，由于車體主縱梁參與作用且臺(tái)車是可變形壁障，加之后續(xù)SORB 對(duì)上縱梁的前伸和強(qiáng)化也為MPDB 分力較多，故此工況相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)。64 km/h 的ODB 在2021 版的CNCAP 中已取消，因?yàn)閺慕鼛啄晷萝囆偷呐鲎渤煽兛矗径寄苣玫礁叻?。行人保護(hù)主要是對(duì)小型車難度較大，因?yàn)轭^碰時(shí)對(duì)發(fā)罩區(qū)域的Z向(整車高度方向,下同)潰縮空間需求大，但車體尺寸要小、坐姿要低相互沖突。對(duì)于美國法規(guī)中其它小角度前碰工況，在車體架構(gòu)達(dá)成FRB 和SORB 工況的情況下，適當(dāng)優(yōu)化即可改善。

（3）保險(xiǎn)評(píng)級(jí)方面

中國C-IASI 規(guī)程同時(shí)兼顧了美標(biāo)的SORB 和歐盟的前RCAR，是汽車被動(dòng)安全中最難同時(shí)兼顧的。因?yàn)? 者存在一定的矛盾關(guān)系：SORB 是64 km/h 的高速碰撞，考核的標(biāo)準(zhǔn)是乘員艙關(guān)鍵點(diǎn)侵入量要小，要求乘員艙的剛度足夠大，實(shí)際上整車前端吸能區(qū)若能充分發(fā)揮作用，可以減小乘員艙的承力要求。而前RCAR是15 km/h的低速碰撞，要求碰撞后整車的維修費(fèi)用占比相對(duì)整車成本要小(即要求主縱梁前端吸能盒可抑制散熱器之后結(jié)構(gòu)的塑性變形)。SORB 若要前端吸能多則要求吸能盒不能太軟，RCAR 若要性能好則要求吸能盒不能太硬，故沖突明顯。

綜上，通過3個(gè)全球化車型開發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在開發(fā)車體架構(gòu)時(shí)，從消費(fèi)者角度考慮，重點(diǎn)關(guān)注的工況順序?yàn)?SORB-FRB-其它(行人保護(hù)/RCAR/帶角度高速碰撞)。

3 前端車體架構(gòu)規(guī)劃

從整車角度看，前端碰撞時(shí)的傳力路徑主要分為3條(圖2)：副車架、主縱梁、上縱梁。

圖2 整車前端碰撞傳力路徑

副車架主要通過螺栓與車體連接，其Y向(整車寬度方向,下同)位置基本與主縱梁重合，在SORB 工況中，副車架與碰撞壁障的有效重疊很難做到壁障的平面區(qū)域，主要受整車的布置空間及副車架成本的約束。其X向長度，在50 km/h 的FRB 工況中可以起到輔助作用，但非必要項(xiàng)。然而，在56 km/h 的FRB 中，副車架的功用比較明顯，框式帶小縱梁的副車架可以吸收和傳遞全正碰撞時(shí)約15%的能量，可降低主縱梁的開發(fā)難度、成本和X向的潰縮空間需求。隨著CNCAP 的MPDB 實(shí)施，副車架作為前端傳力路徑之一的必要性更為突出：分散碰撞力，防止主縱梁傳力太集中而擊穿臺(tái)車壁障。

主縱梁是整車前端碰撞時(shí)的主要傳力路徑，尤其在FRB 和MPDB 工況下承擔(dān)70%以上的能量吸收和傳遞(詳見第5 章)。主縱梁有直梁和彎梁行式，但無論哪種結(jié)構(gòu)形式，其與SORB 壁障的接觸區(qū)主要在弧角處，同時(shí)受X向壓力(即潰縮/折彎吸能)和Y向推力(即傳遞碰撞力到車體另一側(cè))，故此工況下作用有限。

上縱梁作為整車前端碰撞的第3 條傳力路徑，隨著國內(nèi)對(duì)整車碰撞范圍的增大而逐漸得到重視。在沒有SORB 工況時(shí)，上縱梁主要為前減震器和發(fā)罩鉸鏈等提供足夠的安裝點(diǎn)剛度即可，故此時(shí)的上縱梁比較短小。但SORB 工況提出后，由于上縱梁與碰撞壁障的有效重疊(壁障平面區(qū)域)優(yōu)勢，通過自身的潰縮和拆彎可以吸收更多能量，其將在SORB 工況中發(fā)揮重要作用(詳見第4 章)，同時(shí)強(qiáng)化后的上縱梁有益于FRB/MPDB等前碰工況。

4 小偏置碰撞的車體架構(gòu)

從整車角度看，SORB 工況下乘員艙關(guān)鍵點(diǎn)侵入量的大小，與碰撞壁接觸到防火墻和門檻前端時(shí)的初始力密切相關(guān)，故要求車體前端吸能區(qū)要在此前發(fā)揮最大吸能作用[16]。

從車體系統(tǒng)看，前端車體架構(gòu)在X向主要是主縱梁和上縱梁(整車的Y向主要依靠橫梁連接車體左/右部分，對(duì)SORB 影響相對(duì)較小)，主縱梁由于與壁障有效重疊量小的原因而吸能很少，主要起到支撐上縱梁穩(wěn)定性的作用(即上縱梁與主縱梁在Y向一般會(huì)有強(qiáng)連接的數(shù)個(gè)扭力盒)。因上縱梁與壁障之間相對(duì)關(guān)系的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)形式可以做到多樣化[17]。綜合多方影響和實(shí)際車型開發(fā)約束等，前端車體架構(gòu)一般可分為3類(見表2)。

表2 前端車體常用架構(gòu)

（1）主縱梁外飄式（圖3）

主要靠主縱梁前端Y向外飄，增大與SORB 壁障的有效接觸面積，同時(shí)上縱梁前伸支撐主縱梁的Y向穩(wěn)定性，共同作用以減小碰撞能量傳遞到乘員艙。此結(jié)構(gòu)有利于提高前端模塊(Front End Module,FEM)集成度和增大前機(jī)艙布置空間，但車體架構(gòu)吸能一般，故對(duì)乘員艙的剛度要求較高，即乘員艙區(qū)域的鈑金增重多。

（2）上縱梁環(huán)抱式（圖4）

采用常規(guī)主縱梁結(jié)構(gòu)的情況下，上縱梁前伸與FEM 中的水箱上橫梁強(qiáng)化連接，左/右上縱梁形成一個(gè)封閉的受力框架，輔于與主縱梁之間的數(shù)個(gè)扭力盒和立柱的支撐，此框架根據(jù)碰撞速度和整車質(zhì)量而設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生足夠的Y向推力而使整車在SORB 時(shí)側(cè)向滑移，避免乘員艙直接接觸到碰撞壁障。此結(jié)構(gòu)的FEM需采用剛度大的金屬材料，上縱梁截面和厚度也比較大，故輕量化水平較低。車輛首次碰撞后產(chǎn)生橫向滑移后的速度仍然較大，產(chǎn)生二次碰撞或傷害的風(fēng)險(xiǎn)也大，故需要采用更多功能的安全約束系統(tǒng)(如加長的側(cè)氣簾、膝部氣囊等)。

圖3 主縱梁外飄式

圖4 上縱梁環(huán)抱式

圖5 上縱梁吸能式

（3）上縱梁吸能式（圖5）

采用常規(guī)主縱梁結(jié)構(gòu)的情況下，上縱梁前伸并下探到主縱梁前端，通過數(shù)個(gè)扭力盒與主縱梁Y向強(qiáng)連接，起到主縱梁受Y向推力，上縱梁在壓潰吸能時(shí)借助主縱梁的拉扯而吸收更多能量。前端吸能盒Y向加寬并采用吸能量更好的鋁材，最大程度地提高車體前端吸能能力，達(dá)到車體剛度和輕量化均衡。此結(jié)構(gòu)加寬的吸能盒會(huì)影響部分車型的前臉局部造型或行人保護(hù)，需根據(jù)實(shí)際情況分析取舍。

5 全正碰的車體架構(gòu)

在《汽車碰撞安全》中，水野幸治提出乘員的減速度受到如約束系統(tǒng)的性能等各種因素的影響，但車體緩沖效率(車體緩沖能量的最大值與乘員動(dòng)能的初始值之比)是最重要的因素之一[3]。故車體在架構(gòu)規(guī)劃時(shí)要重點(diǎn)研究吸能區(qū)(圖6，ABC為吸能區(qū)，D為乘員保護(hù)區(qū))如何更好地緩沖吸收能量，而非“以剛克剛”的碰撞理念，降低乘員艙剛性提升的代價(jià)。

圖6 前端吸能分區(qū)

在FRB 碰撞工況下，剛性壁障比較寬，整車的3個(gè)傳力路徑，都處于有效重疊區(qū)。但從空間布置看，主縱梁在X方向上，比副車架和上縱梁均要突出，故在碰撞時(shí)首當(dāng)其沖，需要承擔(dān)主要能量的吸收和傳遞。從傳力和吸能角度考慮，主縱梁建議采用直梁形式，從高速行駛的穩(wěn)定性考慮，需要整車的重心越低越好，故主縱梁Z向離地間隙需盡量小。若是彎曲的主縱梁，則副車架和上縱梁需分擔(dān)更多的碰撞力，目前主要在部分豪華車型中應(yīng)用(與前懸架的結(jié)構(gòu)種類密切相關(guān))。從全球化車型開發(fā)角度出發(fā)，考慮不同市場對(duì)車輛的性能需求和車型零件部件的通用化，在做好50 km/h FRB 車體架構(gòu)情況下，通過增加主縱梁前端吸能盒的長度和剛度來滿足56 km/h FRB是一個(gè)較理想的方案。

上縱梁和副車架作為2 條次要前端碰撞傳力路徑，希望盡量早的介入到碰撞中，即要求其盡量X向前伸，尤其在56 km/h FRB工況下，需求更強(qiáng)烈。另外，隨著市場對(duì)軸距加長的需求(提高乘員空間和乘座舒適性)，在整車長度一定情況下，必然壓縮前/后端吸能區(qū)，故多路徑分散傳力和吸能的車體架構(gòu)會(huì)越來越普遍。

6 低速工況下的車體結(jié)構(gòu)

行人保護(hù)和RCAR 是低速碰撞，從仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果看，主要是潰縮空間的需求，當(dāng)空間余量不足時(shí)，鈑金結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)其傷害值低的要求。

擺錘試驗(yàn)，中美歐均有明確的強(qiáng)制法規(guī)要求，碰撞速度均不超過4 km/h，當(dāng)擺錘與防撞梁滿足最小重疊量≥30 mm 時(shí)，滿足法規(guī)較容易。若前防撞梁與擺錘有效重疊量不足時(shí)，可在前防撞梁上端或下端增加擋塊(圖7)。

圖7 擺錘有效重疊量

7 結(jié)束語

截止2020年6月，我國汽車保有量超過2.7億輛，自2015年以來逐年凈增2千萬輛以上，其中換新車的消費(fèi)者每年在50%以上，其對(duì)新車的安全性、舒適性、質(zhì)量穩(wěn)定性都有更高的要求。結(jié)合C-IASI-2018 和C-NCAP-2021 的實(shí)施，法規(guī)在指導(dǎo)消費(fèi)者購車時(shí)更具影響力。放眼中、美、歐等主要汽車消費(fèi)區(qū)的法規(guī)看，中國已經(jīng)全面加嚴(yán)并擴(kuò)大檢測范圍，兼顧各方特色而成一體，即要求汽車主機(jī)廠在國內(nèi)設(shè)計(jì)或銷售新車型時(shí)需全面提升質(zhì)量和安全性，其中車體架構(gòu)的規(guī)劃更為基礎(chǔ)和重要。完整的車體架構(gòu)搭建以后，可以提升汽車的質(zhì)量穩(wěn)定性并降低開發(fā)周期和生產(chǎn)成本，更好地服務(wù)于消費(fèi)者。

車體架構(gòu)搭建時(shí)，由SORB工況的需求入手，吸能區(qū)、傳力區(qū)、乘員保護(hù)區(qū)各司其職并相互支撐，找到一個(gè)相對(duì)合理的剛度與輕量化的均衡點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)FRB工況，降低主縱梁的吸能和傳力需求。其它類型的前端高速碰工況(如MPDB、ODB、帶角度前碰等)，均介于SORB和FRB之間，適當(dāng)優(yōu)化改善即可。