副車架脫落研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

曹春虎 張略 熊輝 常信平

摘? 要：為了在汽車碰撞過程中讓副車架前點或后點與車身脫落，使得發(fā)動機下沉間接增加碰撞空間，實現(xiàn)降低整車加速度，更好的保障駕駛員的生命安全，對前副車架連接點的脫落設(shè)計進行了分析研究，優(yōu)化了前副車架后安裝座及加強板的安裝孔設(shè)計。根據(jù)整車碰撞試驗數(shù)據(jù)，該設(shè)計方案對于降低整車碰撞加速度、減少防火墻的變形量具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：前副車架；脫落設(shè)計；發(fā)動機下沉；碰撞加速度

中圖分類號：U463.83? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）06-0053-06

Subframe Shedding Research and Structural Optimization Design

CAO Chun-hu， ZHANG Lue， XIONG Hui， CHANG Xin-ping

（Chery Automobile Co.， Ltd， WuHu 241000， China）

Abstract： In order to make the front or rear point of the subframe fall off from the body during the collision process， so that the engine sinks indirectly to increase the collision space， reduce the acceleration of the whole vehicle， and better protect the life safety of the driver， the design of the connection point of the front subframe is analyzed and studied， and the mounting hole design of the rear mount and the reinforcement plate of the front subframe is optimized. According to the vehicle crash test data， the design scheme has a good effect on reducing the vehicle crash acceleration and reducing the deformation of the firewall.

Key Words： Front Subframe; Shedding Design; Engine Sinking; Collision Acceleration

1? ? 前言

面對高速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)，以及日益嚴(yán)重的交通事故現(xiàn)象，交通安全問題已成為世界性的大問題。因此為了緩解嚴(yán)峻的交通問題，減少因車禍?zhǔn)軅蛩劳龅娜藛T，研究汽車安全技術(shù)已成為一項重要的課題[1]。

當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時，由于大部分車輛發(fā)動機都是前置式的，發(fā)動機在駕駛室前面一旦撞擊力過大，發(fā)動機很容易向后移位，擠向駕駛室，駕駛員的活動空間進一步壓縮，再加上運行中的發(fā)動機溫度是非常高，會給駕乘人員造成很大的傷害。

副車架是轎車底盤中非常重要的安全及承載部件，在被動安全研究中作為正面碰撞的下傳力路徑，其強度的要求對碰撞力的傳遞和吸收及整車碰撞中加速度波形的控制具有重要作用[2-3]?？擅撀涫礁避嚰艿膽?yīng)用指的是：在滿足車身結(jié)構(gòu)強度耐久，NVH性能的前提下，當(dāng)其發(fā)生碰撞，副車架連接點的受力達到某限值時，使得副車架前點或后點與車身脫落，就釋放碰撞能量，緩解機艙各大總成的剛性碰撞，同時縱梁獲得更大的變形空間和變形時間，有利于降低整車減速度的峰值[4]，而發(fā)動機也隨著副車架的脫落下沉，就可以避免發(fā)動機繼續(xù)向后移，撞進駕駛室。因此設(shè)計合適的副車架安裝點，使得副車架能夠在發(fā)生碰撞時及時脫落，能夠提高汽車的安全性能，對于減少交通事故的發(fā)生，保障車輛駕駛員的生命安全具有重要的意義。

2? ? 問題分析

經(jīng)調(diào)查，很多車企都有副車架脫落設(shè)計，例如馬自達CX5副車架后安裝點采用鈑金單層板開缺口的方式，鈑金受力撕裂，實現(xiàn)脫落?？傮w上講，副車架前安裝點主要采用滑脫式，日系車的副車架后安裝點采用鈑金撕裂的方式，而歐系車則采用螺栓斷裂的方式。前安裝點所采用的滑脫方式已經(jīng)有一套成熟穩(wěn)定的方案如圖1所示，后安裝點鈑金撕裂的方式如圖2所示，其穩(wěn)定性不易控制，因此本論文針對后點所采用的鈑金撕裂方式進行一系列方案設(shè)計、仿真分析以及實際驗證。

從整車碰撞中提取副車架后點位置車架截面力曲線如圖3所示，為保證副車架安裝點疲勞耐久同時兼顧能夠脫落，零部件驗證選定X向40kN為整車碰撞穩(wěn)定失效力。根據(jù)該數(shù)據(jù)可知，副車架在碰撞過程中脫落所需要的拉脫力要大于40kN，在這個前提下，拉脫力越接近40kN，則說明副車架在碰撞過程中的脫落效果越好。

經(jīng)過分析，副車架后安裝點采用鈑金撕裂的方式脫落，可以通過改變前副車架后安裝座和前副車架后安裝座加強板的安裝孔的形狀，來改變副車架脫落所需要的拉脫力。

3? ? 方案設(shè)計與驗證

3.1? ?第一輪方案設(shè)計

如圖4所示為安裝孔的原始狀態(tài)，左邊為安裝座，其安裝孔為直徑18mm的圓孔，右邊為加強板，其安裝孔為直徑16mm的圓孔。為了確定安裝孔設(shè)計的大致方向，初步設(shè)計了兩種方案：

方案一的設(shè)計是在安裝座原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將圓孔直徑擴大為26mm，并開兩個缺口，而加強板則是將原狀態(tài)的圓孔直徑擴大為22mm，并增加兩個腰孔，詳細(xì)方案如圖5所示。

方案二的設(shè)計是在原始狀態(tài)的安裝座上，將圓孔直徑擴大為26mm，并在此基礎(chǔ)上開3個缺口，加強板的設(shè)計同方案一，詳細(xì)方案如圖6所示。

3.2? ?第一輪方案驗證

對原始狀態(tài)、方案一、方案二分別進行3組靜拉試驗并對結(jié)果取平均值，得到首輪方案驗證的結(jié)果如表1所示。原始狀態(tài)的失效形式為螺栓斷裂，平均力約74kN，方案一鈑金撕裂平均力約60kN，方案二鈑金撕裂平均力為57kN，兩個方案承載力均大于目標(biāo)40kN。根據(jù)靜拉試驗結(jié)果，采取改進方案能比原始狀態(tài)改善15kN左右拉力。對兩種方案進行對比可以得到：方案一因一致性難控制易導(dǎo)致拉脫力波動大，無法保證汽車碰撞時前副車架能夠穩(wěn)定脫落；方案二的拉脫力變化比較小，可以更好的保證汽車碰撞時前副車架的穩(wěn)定脫落。

試驗驗證后的效果圖如圖7所示，可以看到方案一和方案二螺母拉脫均表現(xiàn)為螺母焊縫拉裂失效，而方案二后端鈑金存在明顯撕裂，螺母脫落比較充分。綜合試驗數(shù)據(jù)和效果圖可以得出，方案二的脫落效果要比方案一好。

3.3? ?第二輪方案設(shè)計

根據(jù)第一輪的試驗得出的結(jié)果，以第一輪中安裝座開三缺口和加強板開腰孔方案為基礎(chǔ)，繼續(xù)尋找弱化方向，衍生出7種初步方案，方案設(shè)計如圖8所示，方案介紹如表2所示：

對7種方案進行仿真分析，得出了每種方案的檢測力隨時間變化關(guān)系如圖9所示，其最大值、峰值時刻的具體數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)分析數(shù)據(jù)可以得到，在安裝座上開對稱4缺口時比開3缺口力值降低更明顯；在加強板中間增加一缺口時力值降低最明顯，其次是在加強板兩腰型孔上開缺口。根據(jù)弱化方案分析結(jié)果，確定采用以下兩種方案進行下一步的驗證：

方案一：在安裝座原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將圓孔的直徑擴大為26mm，并開對稱的4個缺口，加強板在原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上將圓孔直徑擴大為26mm，增加兩個腰孔，同時在兩個腰孔上再開缺口，具體方案設(shè)計如圖10所示。方案二：安裝座安裝孔的設(shè)計同方案一，加強板在原始狀態(tài)的基礎(chǔ)上將圓孔的直徑擴大為26mm，增加腰孔，在腰孔上再開缺口，同時在兩個腰孔的對稱位置再增加一個缺口，具體方案設(shè)計如圖11所示：

3.4? ?第二輪方案驗證

對上述兩個方案分別采用兩個零件進行仿真分析，得出了零件強度方面的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示，兩種方案的動剛度對比曲線如圖12所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，方案一和方案二對前副車架后點安裝點剛度無影響。

兩種方案均能夠滿足設(shè)計要求，而根據(jù)表3中的仿真數(shù)據(jù)，方案二的拉脫力更接近40kN，因此選定方案二進行下一步的整車搭載驗證。

4? ? 整車搭載試驗

整車搭載試驗分試驗組和對照組，其中試驗組和對照組的前副車架安裝前點均采用滑脫的方式脫落，試驗組前副車架的后安裝點采用上述方案二的安裝孔設(shè)計，對照組前副車架后安裝點不脫落。

在C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)下的50FF碰撞測試中，試驗車以50km/h的速度與剛性壁障正面100%重疊對撞，得到了相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，與對照組相比試驗組的整車加速度降低了1.5g，防火墻侵入量改善了10mm。

在C/E-NCAP標(biāo)準(zhǔn)下50MPDB碰撞測試中，試驗車與壁障車分別以50km/h時速正面50%重疊對撞，得到了相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)如表6所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，與對照組相比實驗組的整車加速度降低了0.8g，壁障車加速度降低0.7g。

5? ? 總結(jié)

面對日趨嚴(yán)格的碰撞安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)時，由于前部高速碰撞發(fā)生時前艙可供變形吸能的有效空間不足，常常表現(xiàn)為整車加速度后段均值偏高，對車輛乘員傷害值偏大[5]。本論文詳細(xì)研究了副車架安裝座與加強板上的安裝孔形狀對副車架脫落所需拉脫力的影響。首先設(shè)計了兩種初步方案進行分析和驗證，確定了安裝孔設(shè)計的大致方向，衍生出7種安裝孔的設(shè)計方案并繼續(xù)進行分析驗證，得出了最終的設(shè)計方案，最后對該方案進行了整車搭載驗證。試驗結(jié)果表明，在保證副車架總成安裝點剛度和強度的前提下，采取該設(shè)計方案，在前副車架后安裝座的安裝孔上采用四缺口設(shè)計，同時在加強板的安裝孔上采用三缺口設(shè)計，對整車碰撞過程中前副車架的脫落具有良好的改善效果，能夠降低整車碰撞加速度水平，減少防火墻的變形量，提高整車被動安全性能。

參考文獻：

[1]劉凱勛. 中國汽車安全技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017，（23）：139-140.

[2]蔣瑋. 副車架有限元分析及設(shè)計優(yōu)化[J]. 北京汽車，2010，（02）：13-15.

[3]王月，肖海濤，杜漢斌，周大永，劉衛(wèi)國. 汽車前副車架脫落設(shè)計[J]. 汽車工程學(xué)報，2016，6（05）：369-375.

[4]胡琦，趙曉賓. 可脫落式前副車架在正面碰撞中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2020，（17）；65-68.

[5]張迎軍，涂金剛，張林波，肖海峰，潘鋒. 可脫落式前副車架結(jié)構(gòu)仿真與試驗[J]. 計算機輔助工程，2017，26（04）：32-38+50.

專家推薦語

屈新田

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

CAE專業(yè)副總師? 高級工程師

本文研究了撕裂式前副車架后安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，文章中對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行臺架試驗對比，并結(jié)合仿真分析指導(dǎo)結(jié)構(gòu)迭代優(yōu)化，最后通過整車搭載試驗對最終方案的改進效果進行了驗證。文章內(nèi)容具有一定的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用價值，文章中提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對工程設(shè)計具有指導(dǎo)意義。