李仲奎

（东风汽车公司技术中心）

插电式混合动力汽车（PHEV）是新能源汽车的一种，拥有“燃油箱、发动机、排气管”和“动力电池、电机、控制器”2套系统，既可用发动机驱动，又可用电机驱动[1]。目前PHEV多是基于某种原型车改造而成，但由于多配备一套电力系统，势必会改变原先的车辆结构，使其被动安全性能发生变化[2]。分析正面碰撞时，PHEV与传统车一样主要考虑前后排乘员的保护，但是由于前舱布置的变化和整车质量的增加，PHEV与传统车相比，会造成更严重的车身结构损毁，对乘员的伤害风险也就更大。文章基于某PHEV实际正面碰撞分析结果进行了安全性改进。

1 正面碰撞性能主要评价方法

1.1 正碰评价性能指标

汽车在高速正面碰撞中，乘员所受的主要伤害形式包括：1）车体承受较大的惯性冲击导致人体所受的加速度过大；2）作用于乘员的碰撞力超过一定限值；3）车体碰撞发生变形后，没有给乘员留下足够的生存空间[3]。根据GB 11551—2014汽车正面碰撞的乘员保护的要求，对假人的损伤限值为：1）头部性能指标（HPC）应≤1 000；2）胸部性能指标（ThPC）应≤75 mm；3）大腿性能指标（FPC）应≤10 kN。另外，在C-NCAP中，对正面碰撞前排假人的要求增加了颈部及小腿考核项。

在具体的仿真分析中，通常是从人体所受加速度和车体结构变形大小两方面开展工作。其中，车体结构变形量关系到乘员的生存空间。

1.2 生存空间分析

正面碰撞中影响乘员生存空间的因素主要有2个方面：一是碰撞中发动机机体后移，造成前围板中上部的侵入量过大；二是发动机或变速箱撞击副车架和转向机造成前围板下部及前地板弯曲变形，从而导致对乘员生存空间的侵入。

从乘客舱空间结构来看，前围板和前地板的变形直接影响着假人的腿部，如图1所示。要想在碰撞过程中避免假人受到较大的伤害，需力争保证车身前围挡板和地板的变形量尽可能小。

图1 乘客舱空间结构示意图

在汽车的碰撞过程中，主要由车身前部（尤其是前纵梁）的塑性变形来吸收碰撞能量。以某微型客车为例，在车速为48 km/h的正面碰撞中，前纵梁吸收了约60%的碰撞能量[4]。在能量吸收的过程中，首先是前保险杠和前防撞梁产生塑性变形吸收部分动能，随着碰撞过程的继续，吸能盒、前纵梁、副车架、翼子板及机罩相继压溃吸能，而车身中部结构不应产生大的变形，乘客舱空间不应有大的压缩。

2 PHEV正碰问题解析

2.1 PHEV车型特点

PHEV的主要零部件布置关系，如图2所示，由于车身可利用的空间有限，动力电池被集中布置到行李箱底部，原存放备胎的位置。前舱动力总成包含发动机、电机、控制器、变速箱等。在车辆配置上取消备胎，配备充气泵。与传统车相比，车辆前后端质量都增加了很多，尤其是车辆后端，质量增加约180 kg。在同样的碰撞速度情况下，PHEV自然会产生更大的碰撞能量，带来更大的安全隐患。

图2 插电式混合动力汽车总体布置示意图

2.2 某PHEV正碰问题描述

按50 km/h的正面碰撞速度对某PHEV进行仿真，结果显示，车身前地板在驾驶员踏脚处发生塌陷性弯折变形，如图3所示。随着前地板的严重变形，前围板的侵入量也随之加剧，造成对仪表板的严重挤压，进而伤及假人的腿部；同时仪表板的变形影响到转向柱和方向盘的偏移量，致使假人的损伤风险系数增加。在碰撞安全性研究上，通常期望的是压溃变形[5]，竭力避免的是弯折变形，因此位于驾驶员下方的前地板发生弯折变形更不应出现。

图3 碰撞过程中车身变形情况

2.3 前地板处弯折原因分析

车辆发生正面碰撞时，理想的情况是前纵梁的前段（机舱两侧）发生压溃变形，前纵梁后段（前地板下方）不发生明显变形。该PHEV的基础车在进行正面碰撞仿真时，前地板处也未发生明显的变形，而改款到PHEV再进行正面碰撞仿真时，前地板却发生严重的弯折变形。经分析，原因是与整车质量增加和前舱动力总成布置改变直接相关。车辆前后端质量增加了，正面碰撞过程中势必有更多的碰撞能量传递到车身中部。

图4示出该PHEV基础车车身前纵梁结构图。进一步分析，该PHEV的基础车车身结构本身就存在偏弱的缺点。图5示出该PHEV基础车与同级车车身前纵梁断面结构对比示意图。图5中，A为该PHEV基础车前纵梁断面，B为同级车前纵梁断面。从图5可以看出，该车身前纵梁的截面积要比同级车的前纵梁截面积小很多，只有同级车的3/5。因此，当整车质量和机舱布置改变时，有更多的碰撞能量向车身中部传递，原本没变形的部分也可能发生弯折破坏，车身结构偏弱的缺点就更容易显露出来。

图4 某PHEV基础车车身前纵梁结构图

图5 某PHEV基础车与同级车车身前纵梁断面结构对比示意图

3 正碰性能改进及验证

3.1 方案改进

根据分析，提升正面碰撞性能有2种途径：一是加强车身前纵梁结构设计，提高车身结构耐撞性[6]；二是优化前舱动力总成布置。由于PHEV的前舱要装载发动机、ISG电机、机电耦合器、控制器及变速箱等重要零部件，前舱空间非常紧张，可调整的幅度很有限，布置上也只能进行微小的调整，改善性不大，因此改进PHEV的正碰性能还需主要从结构耐撞性方面进行考虑。

从图4中车身地板与纵梁的连接结构来看，修改车身前纵梁的结构势必引起众多相关环境件的更改，造成巨大的模具成本增加。而较简单的增加结构耐撞性方案就是从地板上增加纵向加强梁，通过地板与前纵梁焊接在一起，如图6所示。还可以根据需要在加强梁的内侧设置内加强板，如图7所示，该方案改动量少，模具成本低，加强效果好。

图6 车身前纵梁加强结构图

图7 车身前纵梁加强件断面结构图

3.2 仿真分析

将改进后的整车数模进行正面碰撞仿真分析，与改进前对比，如图8所示。位于驾驶员踏脚位置的前地板由严重弯折变形转变为几乎不变形，仅在加强梁的后端，前排座椅下方有小幅度的弯折变形，但由于位于座椅下方，对假人威胁小，因此该改进方案大大提升了驾驶员的生存空间。

图8 改进前后车身结构变形对比图

对前围板取若干个点进行侵入量对比分析，如图9所示，改进后的前围板侵入量与改进前相比有大幅度的降低，最大值也由281.8 mm降低为240 mm，局部最大降幅达75 mm，进一步验证了生存空间的改善。

图9 某PHEV改进前后前围板侵入量对比

另外，分析表明，前纵梁吸能比例提高了12%，B柱加速度峰值降低了4.6%。

3.3 试验验证

实车碰撞试验的结果良好，假人的头部、胸部、大腿受伤害情况都在法规允许范围内，试验数据，如表1所示。

表1 某PHEV正面碰撞试验数据

试验后车辆状态，如图10和图11所示。从图10和图11可以看出，前排假人腿部周围仍有较大的空间，未受到仪表板的挤压。

图10 汽车车碰撞后状态

图11 碰撞后假人腿部空间（驾驶员）

4 结论

文章对某PHEV正面碰撞进行了仿真分析，针对分析出来的前地板塌陷问题，对车身前地板处纵梁进行方案改进，再次进行仿真分析，有较大的改善，并通过实车进行了试验验证。改进前后对比表明，对于正碰过程中前围板侵入量大、前地板变形量大的车辆，加强车身前地板处的纵梁结构设计，能起到减少车身中部变形，改善乘员生存空间的效果，进而提升了车辆的碰撞安全性能。另外，在加强前纵梁的结构设计上，可通过在地板上方设置加强梁结构，达到改动量小、模具成本低及加强性能高的目的。