某M1類車型后排安全帶上固定點結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007）

0 引言

安全帶是汽車發(fā)生事故時保護乘員安全的重要零部件之一，安全帶固定點強度的好壞對其是否能有效保護乘員起到關(guān)鍵作用。根據(jù)國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》，所有安全帶上固定點應(yīng)滿足拉力試驗要求。利用模擬肩帶對上人體模塊施加13 500±200 N 的試驗載荷，同時對下人體模塊施加13 500±200 N 試驗載荷，應(yīng)在60 s 或4 s 內(nèi)加載至規(guī)定力值，并保持至少0.2 s。允許固定點或其周圍區(qū)域有永久變形，包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋。試驗時上有效固定點應(yīng)位于R 點鉛垂上方450 mm 處，如果S ≥280，且制造商選用規(guī)定的換算公式BR=260 mm+0.8 S，則上固定點位于R 點鉛垂上方500 mm[1]。

傳統(tǒng)車身的安全帶上固定點結(jié)構(gòu)強度提升困難，需要通過增加加強板數(shù)量、提升材料厚度及牌號等方式來達到法規(guī)規(guī)定的要求。而且在以往項目摸底試驗中發(fā)現(xiàn)此類結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)的情況，按現(xiàn)有有限元分析手段難以在數(shù)據(jù)階段準(zhǔn)確識別出來，不但風(fēng)險高，而且增加了零件成本、整車重量以及零件開發(fā)周期。文章通過分析以往車型試驗變形模式，并借助有限元分析手段，對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，經(jīng)過試驗驗證，優(yōu)化方案達到了預(yù)期效果。

1 后排安全帶各固定點受力情況分析

如圖1 所示，安全帶主要受力的固定點有P1、P2、P3 和P4，其中P2、P3 點受力較小，P1 受力較大，其受力接近上人體模塊施加的載荷，約為13 500 N。P2、P3 受力較小，且固定點分別位于地板橫梁、側(cè)圍本體上，結(jié)構(gòu)強度容易滿足。P4 也位于地板橫梁位置，結(jié)構(gòu)強度容易滿足。P1 位于側(cè)圍支柱上，受后側(cè)窗及尾燈造型影響，支柱腔體在后側(cè)窗下部由小到大變化急劇，安全帶受拉力時腔體變化急劇處存在較高應(yīng)力集中，焊點力急劇上升、支柱容易折彎，安全帶上固定點失效。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題分析及改進方案

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題分析

如圖2 所示，某M1 類車型后排安全帶上固定點采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上固定點位于后排安全帶加強板上，安全帶螺母板與此加強板進行點焊連接，起到局部加強防止螺母脫出的作用。D 柱上加強板為三通結(jié)構(gòu)，起到將力傳遞、分散，強化D 柱上搭接頭強度、剛度的作用。有限元分析結(jié)果顯示在受安全帶拉力時D 柱區(qū)域無明顯變形，進一步進行實車摸底試驗，出現(xiàn)后側(cè)窗與后燈罩連線區(qū)域腔體壓潰、D柱彎折，不符合法規(guī)要求。

圖1 安全帶固定點

圖2 某車型安全帶上固定點試驗照片及車身結(jié)構(gòu)

2.2 失效機理分析

試驗車的焊點未出現(xiàn)失效或撕裂，經(jīng)分析：安全帶固定點布置在后排安全帶加強板上，后排安全帶加強板與D 柱上加強板組成“口”字形腔體，腔體下端為開口結(jié)構(gòu)，安全帶固定點受拉力時，腔體首先產(chǎn)生菱形的壓潰，在壓潰階段力無法向上傳導(dǎo)致三通結(jié)構(gòu)進行分散。后側(cè)窗、后組合燈罩造型的存在，使得腔體在此位置由小到大急劇變化，安全帶固定點的拉力無法有效向下傳導(dǎo)。壓潰區(qū)域由側(cè)圍外板、D 柱上外板和后燈罩組成，是最薄弱區(qū)域。以上3 個原因?qū)е吕υ趬簼^(qū)域集中，最終產(chǎn)生折彎、失效。

2.3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進方案

提高安全帶固定點強度的手段通常有在薄弱區(qū)域增加加強板、增加周邊零件厚度、在安全帶固定點周圍增加加強件、提升安全帶固定點區(qū)域零件材料牌號以及增加焊點[2]。安全帶拉力試驗通常在OTS 造車階段進行，此時生產(chǎn)工藝及模夾具已定型，為縮短整改周期避免影響整個項目進展以及降低成本，因此一般要選擇改動量最小、更改周期最短的方案。因此，結(jié)合零件實際生產(chǎn)工藝、零件布置情況，采用最直接的、加強薄弱點的方案，即在壓潰區(qū)域增加1個后燈罩加強板（見圖2），材料BLC-FB-D 厚度t=1.0 mm，同時將D 柱上外板的材料厚度由t=1.0 mm 提升至t=1.2 mm。經(jīng)CAE 分析，改進后安全帶固定點位移由105.0 mm 降低至27.0 mm，應(yīng)變由0.23降低至0.05。實車驗證顯示D 柱無折彎，符合法規(guī)要求，證明改進措施可有效解決此問題。此改進措施導(dǎo)致整車成本增加約10 元/車，模具、工裝等成本增加約20 萬元。

圖3 方案一安全帶上固定點分析結(jié)果

圖4 新車型(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu))安全帶上固定點分析結(jié)果

3 新車型結(jié)構(gòu)改進方案

為充分論證新結(jié)構(gòu)對安全帶上固定點的改善效果，同時在新車型上做了2 個方案進行對比分析。

方案1：按照以往車型結(jié)構(gòu)，設(shè)計專門的后排安全帶加強板、同時設(shè)計有D 柱上加強板，因后燈罩加強板是試驗失敗后的補救措施，所以這里暫不增加。經(jīng)CAE 分析，加載拉力時，安全帶加強板首先被拉凹陷、變形，導(dǎo)致D 柱腔體被拉潰。繼續(xù)加載至13 500 N，D 柱出現(xiàn)折彎（圖3）。雖然從各項指標(biāo)上看變形量尚在可接受范圍內(nèi)，但是結(jié)合以往項目的教訓(xùn)，在實車試驗時D 柱整體折彎，實車試驗時塌陷的風(fēng)險較高，需參考以往車型增加后燈罩加強板以降低風(fēng)險。

方案2：在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，取消后排安全帶加強板，將D柱上加強板下端型面往車內(nèi)調(diào)整至與側(cè)圍內(nèi)板貼合形成閉合腔體（圖4），增強腔體的穩(wěn)定性抵抗受拉力時的變形，同時通過D 柱上加強板將安全帶所受拉力有效傳遞至D 柱三通結(jié)構(gòu)處，通過三通結(jié)構(gòu)將力分散出去，最終達到減少安全帶固定點下端受力的效果。

對方案2 進行CAE 分析，可明顯看出在加載13 500 N 拉力時D 柱腔體仍然未壓潰，D 柱整體變形量很小，并且在尾燈與后側(cè)窗連線的薄弱區(qū)域未發(fā)生折彎或者類似的變形，結(jié)構(gòu)強度、剛度較好。進一步進行實車驗證，試驗結(jié)果與CAE 分析結(jié)果高度吻合，安全帶上固定點結(jié)構(gòu)強度滿足GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》國標(biāo)法規(guī)要求。因此取消了后排安全帶加強板和后燈罩加強板等零件。

4 結(jié)語

本文結(jié)合以往項目實車試驗中出現(xiàn)的問題，提出安全帶固定點的結(jié)構(gòu)優(yōu)化新方案，在新車型上進一步與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)劣對比。證明新型結(jié)構(gòu)對后排安全帶上固定點強度、剛度都有較大提升，大大降低了后排安全帶固定點失效風(fēng)險，經(jīng)過試驗驗證達到了預(yù)期效果。