曹春虎 张略 熊辉 常信平

摘  要：为了在汽车碰撞过程中让副车架前点或后点与车身脱落，使得发动机下沉间接增加碰撞空间，实现降低整车加速度，更好的保障驾驶员的生命安全，对前副车架连接点的脱落设计进行了分析研究，优化了前副车架后安装座及加强板的安装孔设计。根据整车碰撞试验数据，该设计方案对于降低整车碰撞加速度、减少防火墙的变形量具有良好的效果。

关键词：前副车架；脱落设计；发动机下沉；碰撞加速度

中图分类号：U463.83      文献标志码：A     文章编号：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

面对高速发展的汽车产业，以及日益严重的交通事故现象，交通安全问题已成为世界性的大问题。因此为了缓解严峻的交通问题，减少因车祸受伤或死亡的人员，研究汽车安全技术已成为一项重要的课题[1]。

当汽车发生正面碰撞时，由于大部分车辆发动机都是前置式的，发动机在驾驶室前面一旦撞击力过大，发动机很容易向后移位，挤向驾驶室，驾驶员的活动空间进一步压缩，再加上运行中的发动机温度是非常高，会给驾乘人员造成很大的伤害。

副车架是轿车底盘中非常重要的安全及承载部件，在被动安全研究中作为正面碰撞的下传力路径，其强度的要求对碰撞力的传递和吸收及整车碰撞中加速度波形的控制具有重要作用[2-3]。可脱落式副车架的应用指的是：在满足车身结构强度耐久，NVH性能的前提下，当其发生碰撞，副车架连接点的受力达到某限值时，使得副车架前点或后点与车身脱落，就释放碰撞能量，缓解机舱各大总成的刚性碰撞，同时纵梁获得更大的变形空间和变形时间，有利于降低整车减速度的峰值[4]，而发动机也随着副车架的脱落下沉，就可以避免发动机继续向后移，撞进驾驶室。因此设计合适的副车架安装点，使得副车架能够在发生碰撞时及时脱落，能够提高汽车的安全性能，对于减少交通事故的发生，保障车辆驾驶员的生命安全具有重要的意义。

2    问题分析

经调查，很多车企都有副车架脱落设计，例如马自达CX5副车架后安装点采用钣金单层板开缺口的方式，钣金受力撕裂，实现脱落。总体上讲，副车架前安装点主要采用滑脱式，日系车的副车架后安装点采用钣金撕裂的方式，而欧系车则采用螺栓断裂的方式。前安装点所采用的滑脱方式已经有一套成熟稳定的方案如图1所示，后安装点钣金撕裂的方式如图2所示，其稳定性不易控制，因此本论文针对后点所采用的钣金撕裂方式进行一系列方案设计、仿真分析以及实际验证。

从整车碰撞中提取副车架后点位置车架截面力曲线如图3所示，为保证副车架安装点疲劳耐久同时兼顾能够脱落，零部件验证选定X向40kN为整车碰撞稳定失效力。根据该数据可知，副车架在碰撞过程中脱落所需要的拉脱力要大于40kN，在这個前提下，拉脱力越接近40kN，则说明副车架在碰撞过程中的脱落效果越好。

经过分析，副车架后安装点采用钣金撕裂的方式脱落，可以通过改变前副车架后安装座和前副车架后安装座加强板的安装孔的形状，来改变副车架脱落所需要的拉脱力。

3    方案设计与验证

3.1   第一轮方案设计

如图4所示为安装孔的原始状态，左边为安装座，其安装孔为直径18mm的圆孔，右边为加强板，其安装孔为直径16mm的圆孔。为了确定安装孔设计的大致方向，初步设计了两种方案：

方案一的设计是在安装座原始状态的基础上，将圆孔直径扩大为26mm，并开两个缺口，而加强板则是将原状态的圆孔直径扩大为22mm，并增加两个腰孔，详细方案如图5所示。

方案二的设计是在原始状态的安装座上，将圆孔直径扩大为26mm，并在此基础上开3个缺口，加強板的设计同方案一，详细方案如图6所示。

3.2   第一轮方案验证

对原始状态、方案一、方案二分别进行3组静拉试验并对结果取平均值，得到首轮方案验证的结果如表1所示。原始状态的失效形式为螺栓断裂，平均力约74kN，方案一钣金撕裂平均力约60kN，方案二钣金撕裂平均力为57kN，两个方案承载力均大于目标40kN。根据静拉试验结果，采取改进方案能比原始状态改善15kN左右拉力。对两种方案进行对比可以得到：方案一因一致性难控制易导致拉脱力波动大，无法保证汽车碰撞时前副车架能够稳定脱落；方案二的拉脱力变化比较小，可以更好的保证汽车碰撞时前副车架的稳定脱落。

试验验证后的效果图如图7所示，可以看到方案一和方案二螺母拉脱均表现为螺母焊缝拉裂失效，而方案二后端钣金存在明显撕裂，螺母脱落比较充分。综合试验数据和效果图可以得出，方案二的脱落效果要比方案一好。

3.3   第二轮方案设计

根据第一轮的试验得出的结果，以第一轮中安装座开三缺口和加强板开腰孔方案为基础，继续寻找弱化方向，衍生出7种初步方案，方案设计如图8所示，方案介绍如表2所示：

对7种方案进行仿真分析，得出了每种方案的检测力随时间变化关系如图9所示，其最大值、峰值时刻的具体数据如表3所示。根据分析数据可以得到，在安装座上开对称4缺口时比开3缺口力值降低更明显；在加强板中间增加一缺口时力值降低最明显，其次是在加强板两腰型孔上开缺口。根据弱化方案分析结果，确定采用以下两种方案进行下一步的验证：

方案一：在安装座原始状态的基础上，将圆孔的直径扩大为26mm，并开对称的4个缺口，加强板在原始状态的基础上将圆孔直径扩大为26mm，增加两个腰孔，同时在两个腰孔上再开缺口，具体方案设计如图10所示。方案二：安装座安装孔的设计同方案一，加强板在原始状态的基础上将圆孔的直径扩大为26mm，增加腰孔，在腰孔上再开缺口，同时在两个腰孔的对称位置再增加一个缺口，具体方案设计如图11所示：

3.4   第二轮方案验证

对上述两个方案分别采用两个零件进行仿真分析，得出了零件强度方面的相关数据如表4所示，两种方案的动刚度对比曲线如图12所示。根据仿真结果可以得出，方案一和方案二对前副车架后点安装点刚度无影响。

两种方案均能够满足设计要求，而根据表3中的仿真数据，方案二的拉脱力更接近40kN，因此选定方案二进行下一步的整车搭载验证。

4    整车搭载试验

整车搭载试验分试验组和对照组，其中试验组和对照组的前副车架安装前点均采用滑脱的方式脱落，试验组前副车架的后安装点采用上述方案二的安装孔设计，对照组前副车架后安装点不脱落。

在C-NCAP标准下的50FF碰撞测试中，试验车以50km/h的速度与刚性壁障正面100%重叠对撞，得到了相关的试验数据如表5所示。根据试验数据，与对照组相比试验组的整车加速度降低了1.5g，防火墙侵入量改善了10mm。

在C/E-NCAP标准下50MPDB碰撞测试中，试验车与壁障车分别以50km/h时速正面50%重叠对撞，得到了相关的试验数据如表6所示。根据试验数据，与对照组相比实验组的整车加速度降低了0.8g，壁障车加速度降低0.7g。

5    总结

面对日趋严格的碰撞安全法规和标准时，由于前部高速碰撞发生时前舱可供变形吸能的有效空间不足，常常表现为整车加速度后段均值偏高，对车辆乘员伤害值偏大[5]。本论文详细研究了副车架安装座与加强板上的安装孔形状对副车架脱落所需拉脱力的影响。首先设计了两种初步方案进行分析和验证，确定了安装孔设计的大致方向，衍生出7种安装孔的设计方案并继续进行分析验证，得出了最终的设计方案，最后对该方案进行了整车搭载验证。试验结果表明，在保证副车架总成安装点刚度和强度的前提下，采取该设计方案，在前副车架后安装座的安装孔上采用四缺口设计，同时在加强板的安装孔上采用三缺口设计，对整车碰撞过程中前副车架的脱落具有良好的改善效果，能够降低整车碰撞加速度水平，减少防火墙的变形量，提高整车被动安全性能。

参考文献：

[1]刘凯勋. 中国汽车安全技术现状与展望[J]. 中国新技术新产品，2017，（23）：139-140.

[2]蒋玮. 副车架有限元分析及设计优化[J]. 北京汽车，2010，（02）：13-15.

[3]王月，肖海涛，杜汉斌，周大永，刘卫国. 汽车前副车架脱落设计[J]. 汽车工程学报，2016，6（05）：369-375.

[4]胡琦，赵晓宾. 可脱落式前副车架在正面碰撞中的应用[J].内燃机与配件，2020，（17）；65-68.

[5]张迎军，涂金刚，张林波，肖海峰，潘锋. 可脱落式前副车架结构仿真与试验[J]. 计算机辅助工程，2017，26（04）：32-38+50.

专家推荐语

屈新田

东风汽车集团有限公司技术中心

CAE专业副总师  高级工程师

本文研究了撕裂式前副车架后安装结构设计方法，文章中对不同结构设计方案进行台架试验对比，并结合仿真分析指导结构迭代优化，最后通过整车搭载试验对最终方案的改进效果进行了验证。文章内容具有一定的学术价值和工程应用价值，文章中提出的结构设计方法对工程设计具有指导意义。