基于头部保护的发动机罩总成设计研究

2018-05-31袁俊彪

时代汽车 2018年1期

袁俊彪

上海修源网络科技有限公司上海市 201114

1 引言

随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故发生事故的概率也在不断增加。据统计[1]，我国每年在道路交通事故中死亡的人数最近几年一直维持在六万人左右，交通事故中行人往往是最大受害群体。在行人与汽车的碰撞事故中，造成行人损伤级别达到AIS2-6的主要接触部位是汽车前保险杠、发动机罩和前风挡玻璃。其中大部分致命伤害是导致头骨骨折或大脑损伤，其致死率高达80%。因此我国在C-NCAP管理规则2018版中，将行人保护纳入评价规程，评分权重达到15%。

目前我国C-NCAP对于行人头部碰撞的要求如图1所示。

图1 C-NCAP行人头部碰撞示意图

本文主要针对儿童头部碰撞发动机罩造成的伤害进行研究[2]，阐述通过对标分析，快速、有效降低头部伤害值的发动机罩结构设计的方法。

2 基于行人保护的发动机罩结构设计流程

基于行人保护的发动机罩结构设计流程如图2所示。

图2 基于行人保护的发动机罩结构设计流程图

3 基于行人保护的发动机罩结构设计要点

在新车设计时，通过造型设计、总布置设计、工程设计三个方面对车身前部进行设计约束，以降低行人头部碰撞的伤害值，提升行人保护的性能。设计约束通常会从以下三方面进行约束：

（1）造型设计：通过对发动机罩外板、翼子板、前保总成等零部件的造型面设计，将发动机罩铰链、发动机罩锁、翼子板边缘等碰撞硬点规避到碰撞区域之外；

（2）总布置设计：布置机舱内部零件时需要机舱零件到发动机罩外板的间隙要预留充足，以便在碰撞时有足够的变形吸能空间；

（3）工程设计：对于无法布置到碰撞区域之外的设计硬点，需要优化结构设计，增加吸能压溃结构从而降低头部伤害值。

遵循以上原则，可以规避掉大部分影响头部碰撞的危险区域，减少后期因伤害值过高而需要修改设计结构的工作量。

3.1 发动机罩总成行人碰撞区域划分

根据行人保护碰撞法规GB/T24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》[3]中的相关要求对发动机罩总成进行的行人保护碰撞区域划线，如图3所示。由划线可知，某车型无成人头部碰撞区域，仅有儿童头部碰撞区域。

图3 头部碰撞区域图

3.2 发动机罩锁布置

在造型前期需要充分考虑锁体布置对头部碰撞伤害值的影响，造型时尽可能使发动机罩前缘参考线或WAD1000线相对靠后，锁体布置在发动机罩前缘参考线或WAD1000线的前方。如果造型限制，则要求发动机罩锁扣正对位置距离发动机罩外板的间隙至少大于65mm。如图4所示，某车型发动机罩锁扣正对位置距离发动机罩外板的间隙的间隙为91mm。

3.3 发动机罩铰链布置

发动机罩铰链对头部碰撞伤害值的影响较大，造型时尽可能使侧面基准线线相对靠后，铰链布置在侧面基准线外侧。如果造型限制，则要求铰链下座顶端到机罩外表面的间隙大于65mm，如图5所示铰链固定板距离外板的间隙72mm。

图4 发动机罩锁布置图

图5 发动机罩铰链布置图

3.4 前大灯设计布置

前大灯区域是头部碰撞伤害值的重点区域，造型时尽可能使前大灯本体到头部碰撞区域的发动机罩总成外表面垂直距离在65mm以上。如图6所示某车型前大灯本体到发动机罩总成外表面的垂直距离为69mm。

图6 前大灯结构间隙图

3.5 雨刮布置

在当雨刮布置在头部碰撞区域内时，需要将雨刮设计成压溃式雨刮，如果雨刮设计成非压溃式时，则需要将雨刮轴顶端到发动机罩外表面的间隙保证在65mm以上，如图7所示间隙67mm。

图7 雨刮结构间隙图

3.6 翼子板安装支架设计布置

在造型设计时尽量让翼子板边缘避开行人头部碰撞区域，当翼子板边缘无法避让开行人头部碰撞区域时，需要将翼子板安装支架设计成可压溃式，可压溃空间应不小于40mm。如图8所示某设计车型翼子板不在碰撞区域内，但可作为以后设计车约束使用。

3.7 机舱总成设计布置

在总布置布置机舱零件时，需要机舱零件到发动机罩外板的间隙要预留充足，以便在碰撞时有足够的变形吸能空间。某设计车型的具体吸能空间要求及实际测量值见表1所示。

表1 机舱吸能空间要求及实际测量值

图8 翼子板支架结构间隙图

4 发动机罩总成结构性能仿真分析

在进行发动机罩总成行人头部碰撞伤害值评价前首先需要进行发动机罩总成自身结构的性能分析及评价。本文分析了发动机罩总成的扭转刚度、侧向刚度、后角刚度、安装点刚度、约束模态等结构性能，并以此为约束条件，作为某车型发动机罩总成行人头部碰撞伤害值分析的前提条件[4]。

某设计车型的发动机罩结构性能分析如表2所示。从汇总的数据表2所示，各项分析均满足设计要求。

5 儿童头型撞击发动机罩的仿真

根据C-NCAP管理规则2018版中的相关要求，头型试验区域最高得分12分，头部评价指标为HIC15，根据头部评价指标HIC15值设定5 个区间，每个区间对应不同点数分，并以不同颜色来表示，见表3。因此在结构设计时尽可能使碰撞区域内的HIC15＜1000。

表2 发动机罩总成结构性能分析结果

表3 头型试验区域预测结构评定条件

HIC15计算公式如下所示：

a为测量出的合成加速度，以g为单位

t1和t2为在冲击过程中的两个时刻，以s为单位。

5.1 儿童头部碰撞器建立及验证

整个模型的总质量为3.5kg。动态标定中，碰撞器模型撞击刚性平面由速度得出V=2.72m/s，如图9所示儿童头部碰撞器模型[5][6]标定的加速度峰值为262g，满足要求。

图9 儿童头型及标定加速度曲线

5.2 前车身总成模型建立

儿童头部碰撞分析模型主要包括车身钣金、内装饰板、保险杠、动力总成、冷却系统、进气系统、蓄电池、车身电器等零部件。

通过对前车身总成中各个冲压钣金件的几何清理和网格划分，并通过连接单元将前车身有限元模型连接成一个整体，最终得到行人保护儿童头部碰撞分析用的前车身有限元模型节点共232971个，单元219883个、焊点1305个。如图10所示。

图10 行人保护儿童头部碰撞分析模型图

5.3 发动机罩行人保护碰撞点选择及分析

儿童头型碰撞区域选取碰撞测试点，根据经验一般选取的位置如下：

◆发动机罩铰链

◆雨刮器转轴

◆雨刮器

◆翼子板边缘或发动机罩边缘

◆较高的舱壁

◆发动机罩前边缘

◆发动机罩前角点

◆离发动机罩距离较小的部件，例如悬架安装点、电池、进气部件或其它发动机附件

◆发动机罩骨架

◆发动机罩上表面存在支撑或离支撑最近的点

根据上述选点位置，在儿童头型碰撞区域选取9个碰撞测试点，如图11所示。

图11 碰撞点分布图

根据选取碰撞点的坐标值，定义儿童头部碰撞速度为40km/h，碰撞角度为50°，仿真得出HIC15伤害值。表4.4为某设计车型行人头部碰撞HIC15分析结果。

表4 行人头部碰撞HIC15分析结果表

表5 材料性能对比表

其中C3-3的HIC15伤害值为1008，超出设计要求。图12为C3-3处儿童头部碰撞点的加速度曲线图。

图12 儿童头部碰撞点的加速度曲线图

5.4 发动机罩总成结构改进

基于上述分析结果得知，位于发动机罩铰链位置处的C3-3碰撞点HIC15伤害值不满足设计要求，需要对发动机罩总成的结构进行改进[7]。

影响头部碰撞伤害值的主要因素是碰撞点处的结构刚性过强。而零部件结构刚性主要受以下三个方面影响：（1）零部件材料及厚度；（2）零部件结构；（3）碰撞缓冲空间。

5.4.1 发动机罩材料及厚度分析

对标车型发动机罩内外板常用材料为DC05、DC06、B180H1等，材料化学成分及性能对比如表5所示，从材料对比来看DC06是屈服强度最低的材料；同时Benchmark对标车型发动机罩铰链常用材料为SAPH440。而设计车发动机罩总成内外板的材质为DC06，发动机罩铰链材料为SAPH440，因此某设计车零件的选材，符合设计要求。

设计车发动机罩外板料厚为0.65mm，内板料厚为0.7mm，铰链料厚3.0mm。对比以往量产车型及竞品车料厚，对比表见表6。从对比结果来看设计车发动机罩内外板及铰链料厚选择合理。

5.4.2 发动机罩铰链结构分析

因位于发动机罩铰链位置处的C3-3碰撞点HIC15伤害值不满足设计要求，故重点对其分析。由于设计车发动机罩铰链是沿用件，无压溃结构，刚性支撑发动机罩总成，初步判断为不满足设计要求的原因之一。与之对应的是压溃式发动机罩铰链，发生碰撞时，铰链可被压溃变形，使头型获得较大的变形空间，从而能有效地降低行人头部碰撞伤害指标HIC15值。图13为参考对标车型的发动机罩铰链结构重新设计，更改前后对比。

5.4.3 碰撞缓冲空间分析

对于影响伤害值的原因之一的缓冲空间，某车型在结构设计时已考虑头部碰撞的缓冲空间，并将铰链下座顶端到机罩外表面的间隙值设计成大于65mm。因此某设计车的碰撞缓冲空间设计合理。

综合以上所示，造成碰撞点C3-3伤害值不满足要求的原因是发动机罩铰链结构设计不合理。将更改后的发动机罩铰链结构重新分析碰撞点C3-3处的行人头部碰撞的HIC15伤害值，更改前后的儿童头部碰撞点的加速度曲线对比图，如图14所示碰撞点C3-3修改后的伤害值为846.4，满足设计要求。