基于框架式全鋁車身電動汽車后排女性假人防下潛的研究

姚雙慶 曾春杰 梁展 周甘華

摘 要：隨著車身輕量化的需求，車身結(jié)構(gòu)在選材方面突破了傳統(tǒng)車身，隨著鋁型材車身應(yīng)用越來越廣泛，為了滿足鋁型材車身在性能上符合后排女性乘員下潛的要求，控制后排女性乘員下潛現(xiàn)象的發(fā)生，避免設(shè)計驗證階段出現(xiàn)重復(fù)設(shè)計，減少重復(fù)性方案性驗證。根據(jù)傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)，結(jié)合某車型鋁型材車身特有結(jié)構(gòu)，對安全帶布置和鎖扣選用等方面試驗驗證數(shù)據(jù)表明，安全帶固定點布置和鎖扣的選用對防下潛性能影響大。并針對某鋁型材車型試驗數(shù)據(jù)和整改方案，提出了一些可供參考的結(jié)構(gòu)選用和優(yōu)化方案建議，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些參考。

關(guān)鍵詞：汽車安全 鋁型材車身 后排女性乘員 下潛機(jī)理 概念設(shè)計 解決方案

Abstract：With the demand for lightweight body， the body structure has broken through the limitation of the traditional body in terms of material selection. As the aluminum profile body is used more and more widely， in order to meet the performance requirements of the aluminum profile body to meet the requirements of the rear female occupants to dive， control the occurrence of the diving phenomenon of the rear female occupants avoids repeated designs in the design verification stage and reduces repetitive program verification. According to the traditional body structure， combined with the unique structure of the aluminum profile body of a certain model， the test and verification data on the seat belt arrangement and the selection of the buckle show that the arrangement of the seat belt fixing point and the selection of the buckle have a great impact on the anti-dive performance. According to the test data and rectification plan of a certain aluminum profile model， some suggestions for reference structure selection and optimization plan are put forward to provide some reference for subsequent similar structure design.

Key words：automobile safety， aluminum profile body， rear female occupant， diving mechanism， conceptual design， solution

1 引言

新能源電動汽車車身輕量化要求車身骨架在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下盡可能地降低汽車的整體質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少能量消耗，鋁型材結(jié)構(gòu)車身因質(zhì)量較輕、焊接性能較好逐漸應(yīng)用到新能源汽車中。國內(nèi)主流的主機(jī)廠在新能源電動車的全鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面主要有兩種，高強(qiáng)度航空全鋁車身，框架式結(jié)構(gòu)全鋁車身，前者因材料，維修成本高昂，工藝復(fù)雜不能廣泛推廣，而框架式全鋁車身在工藝便利好，成本適中等優(yōu)勢則體現(xiàn)出來。為了滿足CNCAP后排女性乘員的碰撞要求，針對后排5%女性假人防下潛評價，各主機(jī)廠目前都有成熟的應(yīng)對結(jié)構(gòu)方案，但是此方案都是針對于傳統(tǒng)車身，框架式鋁型材車身因其本身結(jié)構(gòu)的特殊性以及電池選用，導(dǎo)致安全帶固定點的布置受限，以及后排固定式坐墊結(jié)構(gòu)匹配傳統(tǒng)車身的防下潛方案應(yīng)用在鋁型材車身中存在一定的結(jié)構(gòu)上和布置上問題。此文主要針對某鋁型材框架式結(jié)構(gòu)車身CNCAP試驗階段出現(xiàn)的下潛問題進(jìn)行整改，并對整改的方案進(jìn)行總結(jié)，為后期遇到類似車身結(jié)構(gòu)，為后期類似結(jié)構(gòu)針對后排女性假人防下潛提供參考設(shè)計方案。

2 結(jié)構(gòu)和布置分析

2.1 車身結(jié)構(gòu)以及后排座椅坐墊

如圖1（a）（b）（c）所示，傳統(tǒng)防下潛通過車身地板傾斜或者內(nèi)凹結(jié)構(gòu)同時配合EPP或防潛支架三種結(jié)構(gòu)類型以實現(xiàn)汽車發(fā)生碰撞時有效控制人體沿軀干角向前下相對運動，從而在進(jìn)行C-NCAP試驗有效的規(guī)避了在碰撞過程中因人體相對移動較大導(dǎo)致安全帶腰帶滑入5%女性假人腹部的風(fēng)險。而航空鋁雖然可以按照傳統(tǒng)車型結(jié)構(gòu)設(shè)計，因其工藝便利性以及成本原因，目前不被廣泛推廣而不做考慮。

如圖2（d）為其他主機(jī)廠在異形電池包自帶防潛結(jié)構(gòu)匹配傳統(tǒng)車身亦不適用于本文提到的全鋁框架式車身結(jié)構(gòu)，本文提到的框架式全鋁結(jié)構(gòu)車身因綜合考慮車身結(jié)構(gòu)類型和電池選用以及成本等因素，所以在設(shè)計開發(fā)初期，在防潛結(jié)構(gòu)上僅按照某成熟車型的成本最優(yōu)的方式進(jìn)行設(shè)計如圖2（e）。

2.2 安全帶布置分析

歐陽俊1等提到了基于防下潛設(shè)計要求中不可變因素安全帶固定點X方向和Z方向相對于假人H點距離設(shè)計要求和可變因素中鎖扣長度，防下潛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變形要求，并提出了若干解決方案，前期設(shè)計階段為考慮電池檢修方便性、整車重量、成本以及長續(xù)航電池預(yù)留布置空間，安全帶固定點綜合考慮布置在框架車身結(jié)構(gòu)橫梁上如表1。

3 防下潛性能摸底試驗

3.1 試驗現(xiàn)狀分析

50KM/H滑臺試驗結(jié)果表明，雖后排乘員頭部未接觸到前排座椅靠背及內(nèi)飾（圖3）;但后排乘員安全帶腰帶存在明顯向上滑移的現(xiàn)象，假人出現(xiàn)雙側(cè)下潛現(xiàn)象，人體位移量大，通過拆卸試驗樣件發(fā)現(xiàn)：1、后排座椅坐墊在人體臀部和兩側(cè)安全帶固定點位置發(fā)生較大的形變;初步分析為安全帶下固定點布置位置，柔性連接織帶過長、碰撞后期腰帶上移，后排坐墊隨著人體位移有明顯的形變，總體評價為座椅支撐強(qiáng)度不足，坐墊固定點布置不合理，安全帶固定點靠后靠下，防下潛支架效果較差。

3.2 改進(jìn)后的防下潛方案以及實驗

初步整改方案：通過增加坐墊防潛EPP以及加寬防潛支架寬度并調(diào)整位置，使其更貼近人體臀部，織帶由柔性連接改為剛性連接，同時調(diào)整安全帶鎖扣位置，并且把整改方案經(jīng)過CAE分析，經(jīng)CAE分析結(jié)果得知在95ms時腰帶雖有移動，但隨著骨盆停止滑動，腰帶未繼續(xù)向上滑移如圖4（e），髂骨力CAE分析得出也未超出如圖4（f），鑒于此，可以得出，經(jīng)過上述方案更改后，可有效減少人體在發(fā)生碰撞時人體下潛位移的可能，同時安全帶剛性鎖扣因柔性疊加量的減少可有效的固定人體髖骨，避免滑入腹部。

根據(jù)初始防下潛方案CAE分析以及碰撞摸底試驗，對該車型防下潛方案進(jìn)行調(diào)整，對滑臺試驗后坐墊的固定點數(shù)量、后坐墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，同時改變了安全帶鎖扣出口位置，將柔性鎖扣的結(jié)構(gòu)變更為剛性，在座椅底部增加EPP結(jié)構(gòu)，更改預(yù)緊安全的預(yù)緊力，調(diào)整方案如下，并根據(jù)調(diào)整方案進(jìn)行滑臺試驗驗證：

方案分為六組分別將織帶鎖扣更改為剛性，增加了后排坐墊下的EPP結(jié)構(gòu)，將EPP的寬度加寬并更改EPP與車身防下潛支架匹配的方式，因大電池包與車身后地板間隙小如表2，同時考慮安全點固定點強(qiáng)度，調(diào)整的原則為不改變車身結(jié)構(gòu)的前提下，優(yōu)先進(jìn)行座椅結(jié)構(gòu)和安全帶結(jié)構(gòu)的來進(jìn)行驗證，經(jīng)過驗證五輪滑臺的驗證，在不改變車身大結(jié)構(gòu)的前提下，僅僅在座椅和安全帶結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整，最終試驗的結(jié)果均不滿足防下潛的得分要求。

在最終方案中，將鎖扣固定點位置調(diào)整，并且在車身上新增固定點后試驗最終滿足，所以基于本文的框架式全鋁車身結(jié)構(gòu)在滿足坐墊固定點數(shù)量、坐墊增加防潛EPP以及調(diào)整安全帶固定點的位置三個整改方案共同作用解決了后排假人下潛的風(fēng)險。最終方案實施如圖6。

4 總結(jié)

本文從框架式全鋁車身工藝便利，成本適中在廣泛推廣的同時，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，在防下潛工作驗證中給被動安全件提出了更高的設(shè)計要求，結(jié)合計算機(jī)仿真以及滑臺模擬碰撞試驗驗證了全鋁車身防下潛時座椅防潛結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全帶固定點布置位置的確定方法，避免了防下潛設(shè)計中出現(xiàn)影響大的重復(fù)設(shè)計;在設(shè)計驗證階段優(yōu)化可變因素，避免了防下潛設(shè)計中出現(xiàn)冗余設(shè)計，帶來不必要的成本增加。

5 附錄

后排防下潛在成品零部件的質(zhì)量把控環(huán)節(jié)也起到至關(guān)重要的作用，表四在零部件的質(zhì)量環(huán)節(jié)上陳述了對防下潛試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]后排女性假人下潛控制設(shè)計方法研究_歐陽俊.

作者簡介

姚雙慶：（1983—），男，安徽蕪湖人，助理工程師。

通訊作者

曾春杰：碩士、助理工程師。