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[原创] 满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

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发表于 2016-3-15 20:18:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

        在满足C-NCAP相关碰撞法规要求的基础上,对保险杠骨架进行优化设计和模拟验证。经过研究、对比,GMT保险杠骨架方案不仅能够实现与金属骨架方案一样的强度,而且能够实现车身的轻量化,降低制造成本。
        目前,汽车安全性越来越受到国家和用户的关注,中国的整车碰撞法规越来越完善,C-NCAP的作用愈加明显。目前已经实施和采用的有《乘用车正面碰撞的乘员保护》、《汽车侧面碰撞的乘员保护》、《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》、《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》、《行人保护对车辆结构的要求》和《商用车驾驶室的乘员保护》。汽车保险杠系统是车辆承受正面、偏置和后碰的重要零部件,其开发过程中必须考虑到C-NCAP和行人保护法规的要求。
        国内对保险杠系统的开发往往侧重于经验,采用传统的“塑料保险杠蒙皮+吸能泡沫+金属保险杠骨架”设计方案,利用蒙皮和泡沫的弹性吸收行人保护碰撞能量,利用金属骨架的强度吸收正面碰撞和偏置碰撞的能量。但从碰撞能量吸收角度考虑,并非强度越高碰撞试验效果越好;从结构角度考虑,并非只有金属骨架才能满足碰撞强度要求,目前的GMT或PP-GF材料可以在满足法规要求的同时,实现汽车轻量化。
       

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

        C-NCAP和行人保护法规对保险杠系统的要求
        1.正面碰撞要求GB115511-2003
        正面碰撞是整车碰撞中最为重要的检验标准,该标准是参考ECE R94制定的。碰撞速度为48~50 km/h,试验温度为19~22 ℃。碰撞壁由钢筋混凝土制成,前部宽度不小于3 m,高度1.5 m,质量不低于70t。前排司机及副司机座椅上分别放置一个Hybrid III男性假人。
        正碰下,前保险杠系统将承受至少30%的吸能任务,金属骨架的吸能盒或塑料骨架的吸能结构完全溃缩,因此,保险杠骨架的强度和结构将直接影响正面碰撞的结果。在正碰条件下,保险杠塑料蒙皮和泡沫部分作用微小。
        2.后碰撞燃油系统安全要求
        该标准是在参考ECE-R34的基础上制定的,碰撞速度为50±2 km/h,移动车和碰撞装置总质量为1 100±20 kg,碰撞装置宽度不小于2 500 mm,高度不小于800 mm。目前,法规要求后碰的考察项目仅为油箱系统,对后保险杠系统没有明确要求,即后保险杠系统无骨架吸能的情况下也可以通过增加后部保护泡沫的方式来满足后碰撞法规,但是如果设计后保险杠骨架,必能有效吸收一部分碰撞能量。
       

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

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        3.正面偏置碰撞要求(40%ODB)
        偏置碰撞与正面碰撞同样是人员伤亡率最高的碰撞形式。40%ODB碰撞时车辆前端只有一侧参与能量吸收,车身变形大,40%ODB碰撞车体刚度只有100%正面碰撞方式的一半。交通事故统计表明,该事故形态下乘员严重受伤的比例最高。偏置碰时,前保险杠骨架只有一半吸能盒起作用,因此正面偏置碰对保险杠强度要求最高。
        4.行人保护对保险杠系统的要求
        行人保护法规是近两年C-NCAP强制要求实施的,主要目的是要求汽车设计必须考虑到低速碰撞下对行人的保护,将对行人的伤害降到最低,试验分为下腿型对保险杠的试验和上腿型对保险杠的试验,如图1所示。
       

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

        上腿型对保险杠的试验:上腿型以(11.1±0.2)m/s的速度冲击车辆前部保险杠区域,冲击瞬间上腿型处于导向状态,冲击方向平行于车辆纵轴,且上腿型的轴线应垂直于水平面,偏差范围为±2°,通过采集碰撞过程中的腿型上、下2个冲击力值和上、中、下3个弯矩值来对车辆进行评价。
        下腿型对保险杠的试验:下腿型以(11.1±0.2)m/s的速度冲击车辆前部保险杠区域,冲击瞬间下腿型处于自由飞行状态,速度矢量在水平平面和纵向平面内偏差范围为±2°,试验过程中通过采集碰撞过程中的膝盖弯曲角度、膝盖剪切位移和加速度三个指标表对车辆进行评价。
        保险杠骨架优化设计和数值模拟
        1.金属保险杠横梁的优化设计和数值模拟
        金属保险杠横梁目前主要成形工艺有冷冲压、热成形和辊压三种。普通冷冲压模具成本低、工艺简单且零件质量高;热成形模具成本高、工艺复杂,零件质量最低;辊压生产线一次性投资较高,但模具成本低,零件质量居中。这里以目前较为常见的辊压骨架为例进行分析。保险杠骨架主要由横梁和吸能盒组成,横梁与左右吸能盒之间通过焊接固定。
        一个重要参数是保险杠骨架系统钣金的壁厚,一般设计为2.0~2.5 mm,材料为普通强度冷冲压钢板。在满足碰撞试验要求的前提下,可以考虑通过增加钢板强度并缩小壁厚的方式进行优化设计,优化后通过三点弯曲模拟和静压模拟进行验证(见图2)。
       

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

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        以某车型前保险杠骨架为例,原设计材料为B280VK,壁厚为2.0 mm。采用强度等级更高的HC420/780DP钢板,壁厚为1.4 mm。现有模具和工装不必更新,仅需针对新强度的钢板进行必要的调试。经过模拟计算,优化设计同样实现了原设计的强度等级,同时零件减重30%。三点弯曲模拟结果见图3,静压模拟结果见图4。
        2. GMT保险杠横梁的优化设计和数值模拟
        GMT等塑料作为保险杠骨架材料,采用模压和注塑工艺制造的保险杠横梁是目前保险杠系统开发的又一方向,其最大优点是实现轻量化、降低制造成本。图5为GMT保险杠横梁的设计示意图。
        图6是GMT骨架与金属骨架的方案。采用GMT材料作为骨架横梁的前提下,有两种变化:GMT1采用GMT材料作为吸能盒;GMT2采用金属的吸能盒结构。采用金属骨架有两种不同厚度的方案,即吸能盒壁厚1.6 mm的Steel 1方案和吸能盒2.0 mm厚度的Steel 2方案。表1包含了这四种方案的材料和重量信息。可以看出,GMT1方案最轻,金属骨架方案最重。
        对四种方案的40%ODB碰撞性能进行模拟,极限参数见表2,模拟曲线见图7。可以看出:采用GMT材料设计保险杠骨架系统,不仅在能量吸收和溃缩量方面不逊色于金属骨架系统,而且在最大力值上均小于金属骨架系统。
       

满足C-NCAP要求的轿车保险杠骨架设计

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        3.行人保护支架的设计优化
        为了满足行人保护法规要求,保险杠底部需增加额外的行人保护支架,以适当增加保险杠底部强度,防止在与行人碰撞时将行人卷入车底部造成致命伤害。目前,行人保护支架的材料主要分为金属支架和GMT支架,形式主要有单一支架形式、与底部护板集成形式和与保险杠集成形式。从轻量化角度考虑GMT单一支架形式具有结构简单、满足法规和质量轻(1.0~1.5 kg)的优点,如图8所示。
        经过对图8算例车型前端系统的FEM模拟计算,GMT的行人保护支架具备金属行人保护支架的各项评价指标,且减重达30%以上。
        结语
        本文在对C-NCAP相关碰撞法规要求的基础上,对保险杠骨架进行了优化设计和模拟验证。通过对金属骨架壁厚和材料的优化,实现了强度相等条件下的质量优化;通过对GMT保险杠骨架的优化设计,实现了提高前保险杠骨架的强度和降低零部件质量的目的,在满足正碰、40%ODB偏置碰和侧碰的法规要求前提下实现了质量30%以上的节约,也验证了GMT保险杠骨架方案的优势。
        当然,目前GM类长玻纤注塑或模压保险杠骨架模具成本较高,主要原因是此类技术在国内尚属成长阶段,模具和工艺水平还有待提高,国内零部件厂家相关研发和生产经验不足。另外,设计时的同步工程模拟计算也会为结构轻量化提供不小帮助。
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