（光学工程专业论文）suv车安全及结构改进的研究.pdf

s u v 车安全分析及结构改进 摘要 本文采用c a e 仿真和试验相结合的方式，对s u v 车安全性进行结构重新设计和优 化，全面提高s u v 车碰撞安全性能。针对某公司生产的s u v 车的白车身、转向管柱、 安全气囊、座椅及安全带结构，提出了合理的解决方案及改进措施。本论文主要做了以 下几方面的研究工作： ( 1 ) 针对车身安全问题，在驾驶室前端隔板下方增加了辅助吸能梁，分流碰撞能 量，加大乘员的碰撞时的生存空间。改进了车身与车架连接装置结构。优化了左侧门装 配工艺。 ( 2 ) 完成了转向管柱的布置及结构受力分析，将下套管改为波纹管形式，增加转 向传动轴碰撞限位支架，提高了转向管柱的吸能性能。 ( 3 ) 通过对座椅及安全带的安装支架增加加强筋的办法提高座椅的安全性能，并 进行了有限元分析验证，增加副驾驶安全提醒功能，加装后排儿童座椅约束系统提高对 儿童安全保护措施。 ( 4 ) 通过改变气囊尺寸、排气孔的大小，并将安全气囊改为双拉带的形式，来减 少碰撞时安全气囊起爆后对乘员的伤害。 总之，本文通过理论与试验相结合的方式，提高s u v 车碰撞安全性能，达到了该企 业的碰撞安全五星级目标。 关键词：车身；仿真分析；碰撞安全：碰撞试验；结构改进 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m b i n i n gc a ee m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n tr e d e s i g n e da n do p t i m i z e dt h e s t r u c t u r eo fs u vv e h i c l es a f e t y , w h i c hi m p r o v e dt h ec o l l i s i o ns a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h es u v v e h i c l ea l l - a r o u n d a i m i n ga tt h ew h i t e b o d y , s t e e r i n gc o l u m n ，a i r - b a ga n dt h es t r u c t u r eo f s e a ta n d s a f e t yb e l tp r o d u c e db ys o m ec o m p a n y , t h er e a s o n a b l em e t h o da n dm o d i f i e dm e a s u r e a r ep u tf o r w a r d t h em a i n l yr e s e a r c hh a db e e n d o n ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) o nt h ep r o b l e mo fb o d y w o r ks a f e t y , t h ea s s i s t a n te n e r g y - a b s o r b i n gb e a mh a s b e e na d d e du n d e rt h ec l a p b o a r dl y i n go nt h ef r o n to fc a b ，w h i c hn o to n l yr e d u c e st h ec o l l i s i o n e n e r g y b u ta l s oi n c r e a s e st h er a t eo fp a s s e n g e rs u r v i v a l t h es t r u c t u r eo fb o d y w o r ka n df r a m e h o o k u ph a s b e e nm o d i f i e d a s s e m b l yt e c h n i q u eo fl e f t - s i d ec a rd o o rh a sb e e no p t i m i z e d ( 2 ) b yd i s p o s i n gt h es t e e r i n gc o l u m na n da n a l y z i n gt h es i t u a t i o no fs t r u c t u r ef o r c e d , w ec h a n g er u nc a s i n gi n t oc o r r u g a t e dt u b e ，a n da d dt h el i m i t i n gb r a c k e to fs t e e r i n gd r i v e a x l e ，w h i c hi m p r o v e st h ee n e r g y a b s o r b i n ga b i l i t yo ft h es t e e r i n gc o l u m n ( 3 ) b yt h ew a yo fa d d i n gt h er e i n f o r c i n gr i bt ot h ef i x i n gb r a c k e to ft h es e a ta n d s a f e t yb e l t ，w h i c hh a s b e e nv a l i d a t e db yt h et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s a f e t yp e r f o r m a n c eo f t h es e a th a sb e e ni m p r o v e d a d d i n gt h ep a s s e n g e rs a f e t yw a r n i n gf u n c t i o na n dt h er e a rc h i l d s e a th o l d i n gs y s t e mi m p r o v et h ep r o t e c t i o nt ot h ec h i l d r e n ( 4 ) b yc h a n g i n gt h es i z eo ft h ea i r - b a ga n de x h a u s t i n gp i p e ，c h a n g i n gt h ea i r - b a g i n t ot h ed o u b l es t r a p ，t h eh a r mt ot h ep a s s e n g e rf r o mt h ed e t o n a t i o no ft h ea i r - b a gh a sb e e n r e d u c e d g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h i sp a p e rh a si m p r o v e dt h ec o l l i s i o ns a f e t yp e r f o r m a n c eo fs u v a n dr e a c h e st h et a r g e to ft h ec o l l i s i o ns a f e t yf i v e - s t a rb yc o m b i n i n gt h e o r ye t h i c a la n a l y s i s w i t he x p e r i m e n t k e yw o r d s ：b o d y w o r k ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；c o l l i s i o ns a f e t y ；c o l l i s i o ne x p e r i m e n t ；s t r u c t u r e m o d i f i e d 硕：七学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 世界卫生组织公布的资料显示，世界每年有1 2 0 万人死于交通事故，平均每半分钟 就发生一起交通事故，事故的死亡人数主要都发生在发展中国家，中国每年都至少有1 0 万人在道路交通事故中死亡【。然而，这丝毫不影响中国私车数量的快速增长。中国国 家统计局发布的( 2 0 1 0 年国民经济和社会发展统计公报显示，2 0 1 0 年末中国民用汽 车数量销售1 8 0 0 多万辆，比上年末增长3 2 4 。中国私车市场的新增需求继续保持旺 盛的增长态势。事故伤亡及财产损失加上事故现场抢救、伤亡善后处理、生产力和劳动 力损失，所付出的各种费用，给国家及受害者造成巨大的经济损失，直接影响交通运输 环境及人们的生活安定。因此，与节能、环保并重，汽车安全已成为全球汽车业关注的 热点和焦点问题。我国2 0 0 1 年对汽车实施了新的强制性产品认证制度，从2 0 0 2 年5 月 1 日起，未经碰撞试验，或经碰撞试验不合格的国外汽车不能进入我国市场，从2 0 0 6 年7 月1 日起，还必须要满足汽车侧面碰撞的乘员保护国家标准1 2 j 和后碰撞燃油系统安 全要求【3 1 ，国产汽车未能通过强制认证试验的也不能出厂销售。由于国内对汽车安全性 的研究起步较晚，这些法规的陆续颁布对国内的汽车生产商提出了严峻的挑战，为了增 强国内汽车企业的竞争力，一些企业和研究机构开始加大了对汽车碰撞安全性的研究。 由于s u v 设计前卫、造型新颖，在一定程度上既有轿车的舒适性又有越野车的越野 性能，并且带有m p v 式的座椅多组合功能，使车辆既可载人又可载货，适用范围广，因 而很受市场追捧。今年1 9 月s u v 的销量为1 1 1 4 万量，同比增长1 7 6 4 。但是，s u v 相 比于一般的轿车，车身底盘较高、车体较重，使用工况更为恶劣，因而对该类车型的结 构设计以及车身、车架的刚度提出了更为严格的要求，各大汽车企业加大了对该类车型 安全性能的研究。 最大限度地减少汽车交通事故及交通事故中的人员伤亡和财产损失是车辆工程和 相关研究领域要解决的重要科技问题。目前，许多安全措施如安全带、安全气囊、安全 车身结构等已使汽车在正面碰撞中具有较好的对乘员保护性能，有效地减少了碰撞事故 中的人员伤亡。为了提高s u v 车型的安全性设计，在最大限度降低改善生产成本的基础 上，提出新型的碰撞吸能结构，使其在汽车正面碰撞和侧面碰撞事故中均能起到较好的 保护效果，具有重大的社会效益和经济效益。 本课题先利用h y p e r m e s h 软件进行整车三维有限元建模，再利用l s d y n a 、 m a d y m o 等软件进行车身、底盘和整车的动态c a e 仿真分析，结合材料性能实验、安 全性零部件试验和台车碰撞试验以及整车碰撞试验，在考虑制造工艺及成本的基础上， 对其安全性进行全面结构改善和设计，并对乘员约束系统进行改善设计，全面提高该 s u v 车安全分析及结构改进 s u v 车碰撞安全性，使完成改善设计后的车能够达到c n c a p 五星级碰撞标准。该课题 成功提高企业上市车型的安全级别，为企业培养了安全研究技术人才，积累安全研究技 术知识及经验，具有重要的研究意义及使用价值。 1 2 汽车安全碰撞研究现状及发展状态 目前国内外目前进行安全碰撞研究主要是利用简洁、实用的建模理论技术、仿真模 拟碰撞实验以及实车碰撞试验相结合来进行，然后进行相关研究成果的开发。从事汽车 安全的科研机构分别从主动安全和被动安全两方面着手研究，主动安全方面的研究项目 有辅助制动装置、电子行人发射器和接受器、自动弹出式发动机罩、汽车前保险杠安全 气囊和前风窗安全气囊，以及一些科学的安全管理措施；被动安全方面的研究项目有改变 保险杠结构和性能、改变发动机罩结构和性能、改变翼子板支撑结构和性能、改变汽车 前端造型、优化车身结构、改变安全气囊及安全带约束系统等方面。目前在乘员防护系 统方面的研究异常活跃。下面主要对安全碰撞试验及安全碰撞模拟研究对汽车安全碰撞 研究现状及发展状态进行说明。 1 2 1 碰撞试验研究现状及发展状态 提高汽车碰撞安全的目的是在发生碰撞时确保人员生存空间、缓和冲击、防止火灾 等，根据这些要求，碰撞试验方法主要有： 实车碰撞试验； 滑车模拟碰撞试验； 台架试验。 实车碰撞试验与碰撞事故情形最为接近，其试验结果最有说服力，是综合评价整车 碰撞安全性能的最基本试验方法。其他两类试验都是以实车碰撞试验结果为基础，模拟 碰撞试验环境的零部件试验。与实车碰撞试验相比，零部件试验费用低、实验条件稳定、 实验过程易于控制，很适合汽车零部件安全性能的考核及零部件开发过程中阶段性试验 验证。汽车碰撞千差万别，所以碰撞试验必须根据碰撞形态来进行，根据交通事故统计， 碰撞事故主要有正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞及翻车等几种主要类型【4 j o 根据试验目的的不同，碰撞试验主要分为： 国家强制性法律法规要求的碰撞试验，如我国强检要求的正面碰撞、侧面碰撞、 追尾碰撞试验： 企业为开发零部件进行的开发试验，如在开发阶段为取得标定数据进行的安全 气囊标定试验； 民间组织为消费者提供信息进行试验，如我国目前的c n c a p 试验，主要是 1 0 0 正面碰撞、4 0 偏置碰撞和侧面碰撞。政府法规是最低的安全标准，c n c a p 试验 是以更高的时速进行碰撞试验，因而对汽车的碰撞性能提出了更高的要求。 根据碰撞的障碍物的不同，可以分为车对车的碰撞，车对固定障碍物的碰撞，移动 2 硕士学位论文 障碍物对车的碰撞：根据碰撞的载荷可以分为集中碰撞载荷和分配碰撞载荷【5 1 。汽车与 汽车的碰撞一般有： 1 0 0 正面碰撞， 偏置碰撞， 正面斜碰撞。 根据不同的碰撞形式，世界各国制定了不同的碰撞试验法规。我国的c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则法规是参照欧洲e c er 9 4 法规制订的【6 】。在世界 各国的正面碰撞试验法规中，1 0 0 重叠率的刚性固定壁障碰撞试验( 1 0 0 o v e r l a p r i g i db a r r i e r ) 和4 0 重叠率的偏置变形壁障碰撞试验( 4 0 o v e r l a po f f s e td e f o r m a b l e b a r r i e r ) 最为典型，目前的新车评价程序n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) 都是采用 这两种碰撞方式，如图1 1 所示。目前美国的f m v s s2 0 8 ，日本的t r a i s 和中国的 g b l l 5 5 1 2 0 0 3 法规中采用的碰撞车速为4 8 5 0 公里每小时的1 0 0 刚性固定壁障碰撞 试验，此外，美国和日本的n c a p 也采用1 0 0 正面碰撞试验，其碰撞车速分别为5 6 公里每小时和5 5 公里每小时。而欧洲e c e 法规和澳大利亚法规采用碰撞车速为5 6 k m h 的4 0 偏置变形壁障碰撞试验，同时，欧洲、澳大利亚、日本以及美国i i h s ( i n s u r a n c e i n s t i t u t ef o rh i g h w a ys a f e t y ) 的n c a p 采用的碰撞车速为6 4 公里每小时4 0 偏置变形 壁障碰撞试验m 。 墨 唧 ( a ) 1 0 0 正面碰撞试验( b ) 4 0 铀1 1 置正面碰撞试验 图1 1 法规正面碰撞试验形式 1 2 2 安全碰撞模拟研究现状 国外汽车碰撞模拟最早出现在6 0 年代末期，由于当时受计算机硬件水平的限制，一 辆车仅包含几十个节点，单元类型也局限于梁单元，当时的碰撞模拟主要是对实车碰撞 实验的预测。8 0 年代由于c r a y 等巨型机的出现和显式积分理论的成熟，人们开始研究对 整车的耐撞有限元分析，汽车单元数量发展到几千个，同时开发出了与汽车结构相对应 的薄壁单元。进入9 0 年代以来，由于汽车碰撞的商业化软件不断完善，单元数量也扩大 到几万个甚至几十万个，汽车碰撞模拟结果越来越接近于实际。由于计算机开始广泛采 用了并行技术，使得运算时间大大减少，甚至现在普通的个人计算机也可以进行碰撞仿 真分析。目前在汽车发达国家汽车碰撞模拟研究已经达到相当成熟的地步，已经部分取 代实验室的工作嗍。 目前，在汽车碰撞模拟方面被广泛应用的商品化软件主要有d y n a 3 d ( l s - - v ，、 s u v 车安全分析及结构改进 d y n a 3 d 和o a s y s 3 d ) 、p a m c r a s h 、m s c d y t r a n 和m a d y m o 软件。这些软件 有的是研究在碰撞过程中人体的动态响应特征，如m a d y m o 以研究乘员的动态响应和 受伤害指标为主，另外有的是采用显式积分有限元理论，主要研究汽车在碰撞过程中结 构变形，以此提高汽车车身结构的耐撞性，这类软件主要有l s - - d y n a 3 d 等。国外对汽 车碰撞模拟的研究开展比较早，涉及的领域比较对多，已经积累了较丰富的经验【9 】。标 准假人利用了人体生物学知识和碰撞试验结合起来的开发模式，能在模拟碰撞过程中模 拟假人的动态响应并进行分析，通过研究假人的受伤害情况，改进乘员的保护方式：模 拟碰撞后的车身结构变形，改进并提高汽车结构的耐撞性，开发安全车身；通过碰撞现 场的情况，来模拟再现汽车碰撞事故过程，用于交通事故的事故分析和责任鉴定。 汽车碰撞模拟的研究开始的时间国内对比国外晚，但近年来我国引进了一些碰撞模 拟软件如：l s - - - d y n a 3 d 、p a m c r a s h 等，1 9 8 8 年吉林工业大学和西安公路交通大 学分别开展了道路交通事故的计算机模拟研究，建立了“刚体+ 弹塑性弹簧”和“刚体+ 弹 簧阻尼”的模型，用于来进行交通事故的分析。1 9 9 1 年中国第一座碰撞模拟实验台在清 华大学建成，开展了汽车被动安全性的实验研究。1 9 9 2 年湖南大学宗子安教授将 d 删d 引进我国，用于碰撞过程中假人的有限元分析。1 9 9 6 年清华大学的黄世霖、王 春雨等人了改进措施。在多刚体动力学的应用方面，1 9 9 7 年吉林工业大学郭九大、林逸 等人引进荷兰的m a d y m o 的多刚体动力学软件，建立了用于模拟汽车碰撞过程中的乘 员运动学、动力学响应的三维乘员多系统人体模型，用于模拟碰撞过程中的人体受伤害 指标，并取的了显著的成果。1 9 9 8 年1 0 月长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿 车车身正碰的仿真计算，此后北京理工大学、同济大学、湖南大学陆续开展了轿车车身 或整车的碰撞模拟仿真工作【1 0 】。虽然我国陆续建立了一些汽车碰撞实验室，但在碰撞模 拟方面，由于起步晚，底子薄，相关经验不足，在模型的建立及参数的设置方面还不够 完善，与欧美日等发达国家还有很大的差距。随着我国汽车安全法规的逐步完善，国内 外汽车企业更加重视汽车安全性设计和应用。 1 3 汽车车身结构分析概述 计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 指工程设计中的分析计算与分析 仿真，而有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是计算机辅助工程q 墟中的一种，另外 c a e 还包含了边界元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 和有限差分法f d m ( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ) 等。这几种方法各有其优缺点，各有其应用领域，但有限元法的应用 更广泛i l 。有限元法计算准确，能模拟出车身、车架等的撞击变形和动态响应，以及人 体的碰撞响应的多种未知量，求解的结果可直接用来评价车辆或者部件碰撞安全性能的 优劣，能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形过程，方便设计人员对结构的观察、 分析和改进，而且不需要借助任何仪器【1 2 1 。采用有限元理论建模的软件如l s d y n a 可 以用来描述车身结构的抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形问题【1 3 l 。 4 硕士学位论文 汽车动力学仿真、噪声控制等各方面均有应用到有限元法。 经过实践证明，在产品开发阶段就开始应用有限元法对整车结构分析，可保证开发 产品质量、缩短设计及试验周期，节省大量的试验和试制费用，可大幅度提高产品可靠 性、经济实用性的方法之一。它在汽车设计开发中的应用使得汽车在轻量化、舒适性和 操纵稳定性方面得到改进和提高。基于计算机仿真技术的“模拟碰撞试验”对汽车碰撞安 全改进具有非常实际的意义【1 4 1 。 有限元法在汽车产品中应用包括： ( 1 ) 汽车零部件结构强度、刚度的分析【1 5 ，1 6 】，采用有限元法( f e m ) 可以对机械 零件的应力和变形进行强度和刚度分析；有限元以其在机械结构强度和刚度分析方面具 有较高的计算精度而得到普遍采用，特别是在材料应力、应变的线性范围内更是如此。 另外，在考虑机械应力与热应力的耦合时，像a n s y s 、n a s t r a n 等大型软件都提供了 极为方便的分析手段。 ( 2 ) 汽车被动安全性方面的应用【1 7 , 1 5 。安全是汽车行业面临的热点问题，如何提 高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题之一。汽车碰撞是动态的大位 移和大变形的过程【1 9 1 ，接触和高速冲击载荷影响着碰撞的全过程，系统具有几何非线性 和材料非线性等多重非线性。目前比较常用来分析该类动态非线性有限元软件是 s d y n a 3 d 。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题是针对国内某款刚上市的s u v 车型进行安全改善，先对整车进行建模( 如图 1 2 和1 3 ) ，进行仿真实验分析及实车实验验证。 图1 2 整车建模模型 5 s u v 车安全分析及结构改进 图1 3 整车碰撞仿真模型 因该车限于车身尺寸及整备质量的影响，导致该车在碰撞安全性能较差，为提高该 产品的安全性能，达到五星级安全标准，本文依照此目标，相应进行的工作内容如下： ( 1 ) 简单阐述试验方法、c a e 分析过程及相关理论； ( 2 ) 分析初始碰撞实验数据； ( 3 ) 对底盘、车身及整车建立模型，利用l s - d y n a 进行动态有限元分析及汽车 碰撞前仿真； ( 4 ) 通过台车碰撞试验结果调整有限元模型； ( 5 ) 找出并分析影响安全性能的原因： ( 6 ) 提出改进方案； ( 7 ) 根据改进方案进行变更零部件工程设计，并对工程零部件进行台车碰撞试验， 根据试验结果得出最优设计方案； ( 8 ) 最终实车碰撞试验验证 本课题利用试验摸底仿真分析设计改进试验验证的思路切实而且准确的找出影 响整车安全性能的问题，在后面的文章中对影响整车性能的因素：车身、转向管柱、安 全气囊、安全带及座椅分别进行分析及改善情况介绍。本课题的重要意义在于利用c a e 仿真分析，降低项目费用，大大缩短开发周期，并能有效提高汽车碰撞安全性能。为企 业培养了汽车安全技术性人才，积累汽车安全技术知识与经验，为以后新车型碰撞安全 开发打好基础。 6 硕士学位论文 - _ 一i i _ i i _ i l _ i _ l l _ i - i l l i _ l l _ i _ _ _ _ _ l i i 第二章白车身结构分析及安全改进 本章主要是对影响碰撞安全性能的主要因素一白车身结构进行介绍、分析，提出 初步改进方案，实验验证并优化改良方案。 2 1 白车身前部吸能区域介绍 今天，汽车的使用安全性已成为汽车价值的主要组成部分。越来越多的主动安全装 置被应用在汽车上，以避免发生伤亡事故。当撞击无法避免时，被动安全装置是否正常 发挥作用便显得非常重要，而车身设计是其中的关键。根据碰撞安全性的要求，乘客舱 应具有较大的刚度，以便在碰撞时尽量减小变形；车身的头部、尾部等部分的刚度相对 较小，在碰撞时产生较大的变形而吸收撞击能量，并避免车体或发动机进入车厢内。采 用碰撞有限元仿真方法，可评价车身材料变更对汽车碰撞安全性的影响。通过更换车身 零件的材料，采用仿真方法，研究这些材料替换对汽车正面碰撞安全性的影响。通过仿 真方法，讨论了某概念底盘构件采用新材料时对结构所做的优化。车身材料变更时，还 应考虑成本和可制造性等方面的影响刚。 分析该s u v 车型碰撞传力途径，正碰传力途径：一般将车身的前端分成3 个吸能区， 如图2 1 。 区域一 区域二 - 区域三a 柱b 柱 圈2 1 车身前螭吸能区 区域一，由保险杠缓冲梁和吸能盒组成，将接收到的碰撞能量进行左右分流和初步 7 s u v 车安全分析及结构改进 吸收，并通过它们将能量往区域2 传递。缓冲梁一般设计成带有上下各4 层褶皱的闭口 截面梁，加上左右与发动机舱纵梁连接的3 层褶皱吸能盒，在保证抗弯扭能力的同时， 获得比较出色的吸能能力。 区域二，有些发动机舱上下纵梁组成，该车型还增加底盘的副车架，一起形成车辆 碰撞过程中最主要的吸能结构。发动机舱上纵粱由前悬塔状形罩板等零件组成，分担了 部分从前部传来的碰撞力的吸收和向a 柱和前围及其加强梁的分散力的作用，无论是正 面冲击载荷或是底盘传来的路况载荷都能在这一区域相对均匀地传递至整个车身，避免 集中变形造成人员伤亡或大大降低乘坐舒适性的最坏结果。 区域三为驾驶舱。其最主要目标是保证框架的强度和刚度，以求得最小驾驶舱变形， 保证乘员的安全空间。 当车身遭受正面撞击时，前部的吸能缓冲区利用强韧的吸能材料尽可能多地通过变 形吸收因撞击产生的巨大能量，同时利用结构上的受力连续，未被吸收的冲击能量被分 散到整个车身，使驾驶舱的框架受力相对均匀，保持其完整性或仅发生微小的形状变化， 并以褶皱、加强筋等形状预先设置出材料的变形趋势，设计避开可能发生对乘员不利的 危险变形，减少正面碰撞导致对驾驶舱的侵入和保持相对较低的碰撞减速度，以此保证 乘员的安全【2 1 捌。 2 2 地板辅助吸能梁分析及改进 该车型为大型s u v ，采用非承载式车身，车体重心较高，正面高速碰撞时候因底盘 大梁s 段、发动机仓强度较低，前期未能足够吸能，造成前轮被挤压位置后移，对防火 墙形成较大冲击，直接威胁乘员舱内人员安全。 氢a 麓 图2 2 正面4 循偏置碰撞试验 如图2 2 所示该s u v 车型在正面4 0 偏置碰撞中，左前轮明显侵入防火墙，车身侧围， 地板边梁未能足够吸能。因重心较高，车身“点头”严重，冲击力转移至a 柱，造成a 柱 变形较大，防火墙同时也承受较大冲击力，甚至造成防火墙焊接面撕裂，直接威胁车内 成员腿部安全。 固 硕士学位论文 尸 图2 3 碰擅能量分布简图 最初改良方案：针对s u v 车型在吸能区域三处能量吸收过多造成防火墙破坏较严重 情况，在左前轮和防火墙之间增加结构吸能件以期有效分流碰撞能量，让前端碰撞所产 生的巨大的冲击能量按照图2 3 所示三个方向有效分散，其中地板侧围边梁内有多层加 强板，强度较高，是一条理想的分流线路；其次a 柱将传来的载荷沿a 柱门框、门窗台 加强板、门防撞梁和下部门槛及地板加强板向b 柱方向分散，确保框架的稳定性；另外 地板通道好似两条直立纵梁可以辅助吸收小部分能量，并能维持整车车身的稳定性。 。- 少荔j 叠警 田2 4 暇能盒开有诱导槽，保护烧焊于侧围上 如图2 4 所示为早期方案中焊接吸能盒位置所在，基于左前轮和左侧围y 向存在较大 空隙，为了充分利用此处空间，缓解吸收前轮带来的巨大冲击力，直接引导碰撞能量向 预定方案传递。如图2 5 所示，对于大型s u v ，离地间隙高，轮胎可跳动空间大，实际在 偏置碰撞过程中，左前轮在没有接触吸能盒之前已经以右前轮为圆心有较大幅度的旋 转，左前轮避开了吸能盒直接撞向了“脆弱”的防火墙，导致踏板上、后移量超标，失分 占 - 严重，如图2 6 所示。 蜀2 52 0 0 9 年4 , e j3e t 上海c - n c a p 偏置试验 左前轮深陷驾驶室前隔板， 吸能盒未能正常变形。直接导致失分严重。 头、颈部 驾暖员头每缸c ， 秦员头部舡c 。 蔷；蛩。警一3 押藩 胸部 驾驶员胸每位移6 一) 赋嘲量钿) 犬腿 驾驶员头宥1 3 - s ( g ) 乘员头葡孙s ( g ) 驾驶员胸部孙s 矗) 秉员胸部位移0 n ) 。i ： 转两譬缝暑骖量。一 羹墨餮黎k sr 弓 t ：】。 j ：j i 尘3 巫姜主珂7 + ：l 一一：_ i i - l ! ；虹：妇匝主 枣昼j 咿最。：f 。 单项试验修正 在磁谴过程中是否有车门被开启， 是否有安全带戋烛 ， 是否育安生紊弩髓舅楚标 ， 两倒无任何一门可以打开的捧数 ， 是否发生燃油趟漏且圭譬抒 ， 图2 62 0 0 9 年4 月3 日上海洲c p 偏置试验结果分析 初步改良方案后的实验结果没有达到预期效果，需重新分析碰撞传力途径，合理 且有效地设计碰撞后沿车身传力途径。为了解决踏板侵入和转向柱上移量问题，左前轮 深陷驾驶仓前隔板中，吸能盒未能正常变形的问题，在如图2 7 所示位置处增加吸能横梁， 以有效阻止左前轮对驾驶室前隔板的入侵。 1 0 横梁拉板焊接丁二 左前轮罩上，同 时与横梁焊接一 起。 增加吸能横梁，有效阻止左前轮对 防火墙的入侵，强制分流碰撞能量。 吸能纵梁焊接于前地板白车身 上，支撑横梁。 吸能盒提 供横梁搭 接平台。 图2 7 吸能横粱安装效果图 该方案基本是遵循最初设想的能量分流思路，将巨大冲击能量转移至地板左侧围 a 、b 柱系统，成功避免了驾驶室前隔板破坏性的变形。通过对驾驶仓前隔板及前底板 下增加吸能横梁，然后进行碰撞摸底试验，效果良好，车体变形的结果符合优化的能量 分流的方案，如图2 8 所示。在克服没有成熟整车c a e 分析和材料数据库的困难情况下， 选用了普通板材和均具可行性的方案。经过初步工艺分析，该方案完全有线上量产实现 的可能。 s u v 车安全分析及结构改进 图2 8 改进后的实车碰撞摸底试验 改良件在车身安装的位置如图2 9 所示。 1 2 硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i _ _ _ _ _ _ - 墨薷翕营檗帚兰丧 护焊接。 署竺攀蠢戥蘩o ， 安装点。 图2 9 改良件在车身安装处的位i 该辅助吸能梁组合采用模块化设计，分为吸能纵梁总成、吸能横梁总成、吸能盒总 成三大部分，吸能盒事先焊好在白车身外，其余模块均可以在总装线车身与底盘合装位 之前安装完毕。为确保线上一次性能安装成功，吸能横梁上开有合适的腰形孔，足以控 制地板上吸能纵梁安装和拉板支架焊接造成的误差。 2 3 车身与车架连接装置分析及改进 在实际碰撞试验中，由于车身地板本身结构问题，导致前地板在正面碰撞时候产生 向上较为严重的“龟背”现象，直接导致成员胸部位移量超标和颈部丢分，如图2 1 0 ， 从实验结果分析可以看出胸部位移量超 标和颈部丢分 头、颈部 鸳驶员头部c 橐员头每n c 。 口f -寸一。，”球。 胸部 驾驶曼胸韶位移6 m ) 桂麦形量曲m 1 大腿 驾驶曼；：毒3 _ sc g ) 一 转冉管毪上笏量坼3 _ _ l 囊勇j k 蕾3 - s 婚) c n i l ：一i ! j 土i 重! 旺至! d ：i 一j l j 转碍管毪后譬量一 攀墨黪誉弘；r l ；直0 - l 工竺旺五i d ，i 、腿 驾谚瑟1 1 霹g l 戈 l it 叫，i 鸳驶员, j i t 最产，z秉员小麓最土t 1 ；i 囊昱5 小疑最，：f 。 路槿鼍太上移量一- _ _ 铭蕊最大后移曼抽一，i - l 单项试验修正 在碰撞过程中是否有车门被并启是否有安全紊戋热是否有安全鬻譬鲵支越标 两倒无任何- t l 可以打并的捧数 ，是否发生燃油瀣混且l 陈 圈2 1 0 碰撞试验结果分析 s u v 车安全分析及结构改进 为了解决该问题，对白车身前地板龟背地区进行，在左、右前后座椅的两横梁之间 搭起一道槽型结构件，来抵御巨大的上翘力量。但是发生“龟背”现象地方恰是中央通道， 布置了主传动轴等重要部件，空间狭小，实施起来难度较大。 如果将变形的地方和车架横梁连接起来，每个“拉条”能承受1 5 2 0 k n 的拉力，理论 上也可以解决“龟背”现象，如图2 1 1 ， -、 一，。 、 _ 以 l _ 叫一、j 图2 11 车身车架连接方累雏形 该s u v 车型是非承载式车身，车身与车架由1 2 个软悬置点连接一起，实际车辆行驶 过程中，车身与车架是有相对位移的，如果采用硬连接，势必会带来噪音、安装上一系 列的问题，在经过多轮方案论证后，最终采用如图2 1 2 所示的方案，车身地板座椅后横 梁和对应下方车架横梁各布置连接支架，两支架螺栓连接，中间夹有橡胶筒以调节相对 位移变化。 增加的车身车架连接支架 图2 12 车身车架连接支架在车身安装位置 上连接支架螺柱连接于地板座椅后横梁( 内部埋有螺母板，避免拉伸时应力集中) ， 1 4 硕士学位论文 下连接支架螺柱连接于车架第三横梁上，为消除车身车架合装可能产生的误差，支架开 有1 8 x 1 8 的方孔，z 、x 方向均有较大调节空间。安装螺母压紧搓衣条纹结构的滑块，亦 可以保证安装强度( 该搓衣条纹结构可以承受1 0 k n 左右的拉力) 。 2 4 侧碰传力途径分析及改进 该s u v 车型离地间隙较高，且门槛梁设计非常结实，正好定位在侧碰撞的高应力区， b 柱加强板( 门框一圈所有零件) 和座椅横梁形成一个连续的设计因】，在门槛和中央通 道间创建一个有效的侧碰屏障并使侧碰后门很容易打开，如图2 1 3 所示能量传输路径。 图2 1 3 侧碰时门扳的传力途径 当车辆受到侧面撞击时，撞击力除了通过地板横梁和顶盖横梁传递出去外，还通过 车门防撞梁将力分解到a 柱和d 柱。除了提高车门防撞梁的屈服强度外，如何让撞击 力通过车门防撞梁传递出去也是一个重要的思考方向。另外，在现有基础上通过优化车 门防撞加强板的焊接位置也起到辅助传力的作用。左前门防撞杆后支架剪裁部分焊接长 度，提高了下支点防撞抗弯刚度。如图2 1 4 。 改进前的零部件安装图改进后的零部件安装图 图2 1 4 改进前后的零部件示意圈 地板边梁强度较高，s o t 离地间隙大等本身优势，车门防撞梁加强改良，使得侧 s u v 车安全分析及结构改进 碰时安全性能的到很大的提升，试验后样车如图2 1 5 所示。从图中试验样车可以看出， 改进后侧面 2 5 小结 图2 15 碰撞试验之后的样车 乘员的安全。 本章简单介绍了白车身的结构，从白车身的角度分析影响整车碰撞试验失分的原 因，提出改进方案，然后通过整车碰撞试验验证改进的正确性。 1 6 硕士学位论文 第三章转向管柱结构分析及安全改进 虽然该车型转向管柱性能能够满足法规要求，但已跟不上新的汽车安全碰撞试验 c n c a p 要求。因此，针对原转向管柱结构的不足进行了改进，并进行有限元建模仿真 分析及验证。 3 1 转向管柱总成的安全性能要求 在车辆发生正撞时，首先是汽车前部结构发生塑性变形吸收大部分的碰撞能量。在 碰撞力的作用下，安装于汽车前部的转向传动轴、转向管柱均会往后即驾驶员的胸部方 向运动。同时，由于惯性，驾驶员也冲上转向盘，最终二者发生二次碰撞，对驾驶员造 成伤害【2 4 1 。 为减轻转向管柱对驾驶员的伤害，各国法规均规定了汽车发生正碰时，转向管柱向 后的水平位移量和碰撞力的要求，见表3 1 ： 表3 1 各国法规针对转向管柱的法规要求 该车型转向管柱在遵循国标g b l l 5 5 7 9 8 的同时，遵循该企业标准汽车转向柱标 1 7 s u v 车安全分析及结构改进 准，该标准对转向管柱的安全性能有更高的要求，具有一定的先进性、代表性，主要 体现在如下两个方面 2 5 1 ： ( 1 ) 压缩行程：当汽车发生正面碰撞时，该s u v 车型转向管柱能够从车身上以机 械的方式脱离，并具有可压缩行程。 ( 2 ) 吸能特性：当车辆发生碰撞时，该车型转向管柱具有吸收碰撞能量的结构。 其吸能能力与压缩位移的关系必须满足静压缩性能曲线，见图3 1 。当最大碰撞能量达到 6 k n 时，转向管柱达到最大吸能，转向管柱得到破坏，不会再造成对乘员的伤害。 6 载荷f ( n ) 6 0 0 0 5 0 g o 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 o40 6 0 巍耋矿( 舳) 图3 1 静压缩性能曲线 3 2 转向管柱总成的布置及受力分析 转向管柱总成的布置对其安全性能的影响转向管柱总成及转向器的布置如图3 2 所 示，其特点是转向器在前车轴前部；转向传动轴长度大，安装角度小；转向管柱安装角 度大。这三个布置形式均对转向管柱总成的安全性能有不利影响，下面分别从这三方面 进行分析。 ，产一 l 、循环球式转向器2 、波纹管式转向传动轴3 、套筒式转向管柱 图3 2 转向管柱及转向器的布置图 1 8 硕士学位论文 转向总成布置：该s u v 车型转向器是循环球式转向器，布置在前车轴的前部，如图 3 2 所示。这样的布置有两个不利影响，一是汽车碰撞的主要吸能区在汽车的前部，因此 汽车的前部变形量大，碰撞力强，在碰撞力的作用下，转向器推动转向管柱总成往后的 力和位移均增大；二是拉大了转向传动轴的长度。 现代汽车多采用齿轮齿条式转向器，这类转向器一般布置在前轴后方，可有效规避 车辆碰撞的主要吸能区，缩短转向传动轴的长度，减小安装角度，对碰撞安全性有利【驯。 该s u v 车型转向传动轴的布置：碰撞过程中，假设转向器推动转向传动轴的向后的 位移量为，见图3 2 ，该位移可分解为延转向传动轴轴线方向的位移量地，当该位移 量超出可压缩行程后，直接往转向管柱上传递；和垂直于转向管柱的位移量，该位移 量使转向管柱向下翘曲。 p l - j c l c o s 口 2 - s m 口 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中，口为转向传动轴的安装角。 从式中可以看出，当s 一定时，口角越小，墨越大，意味着更多的位移通过转向管 柱传递到了转向盘。该s u v 车型的口角为9 8 度，转向传动轴基本上保持水平，虽然转向 传动轴压缩行程达n 1 0 0 m m ，但仍然不足，碰撞试验中有转向传动轴把转向管柱往驾驶 室方向顶出的极端情况出现。 转向管柱的布置：该s u v 车型转向管柱驾驶员受力分析如图3 2 所示，驾驶员对转 向管柱的撞击力即伤害驾驶员的力为f ，该力可以分解为延转向管柱轴线的力e ，该力 可使转向管柱压缩吸能；和垂直于转向管柱的力只，该力可使转向管柱向上弯曲1 2 7 1 。 e f c o s 0 ( 3 3 ) f 2 = f s i n o ( 3 4 ) 式中，0 为转向管柱的安装角。 由上式可以看出，f 值一定时，增大0 ，则转向管柱的吸能力e 只略有下降，而转 向管柱的向上弯曲力只则大副上升。只上升有两个不利影响，一是转向管柱的向上弯 曲力增大，导致转向管柱的上安装点不易从车身上脱开；二是使得驾驶员胸部的撞击分 力大幅加大，吸能缓冲效果下降。一般来讲，转向管柱的安装角在2 1 - - 2 3 。时，吸能缓 冲效果最佳。该s u v 车型转向管柱的安装角为3 5 5 度，较大的影响了转向管柱的安全性 能。 3 3 转向管柱总成吸能结构分析及改进 该s u v 车型转向管柱总成包括转向管柱、转向传动轴两部分，下面分别对这两部分 进行分析和改进。 1 9 s u v 车安全分析及结构改进 3 3 1 转向管柱结构分析及改进措旌 图3 3 转向管柱简图 该s u v 车型转向管柱如图3 3 所示，与碰撞安全有关的结构主要有下部卡环限位结构 和碰撞吸能结构，其中碰撞吸能结构又包括三处，分别是上安装点拉脱弹簧吸能结构， 套筒吸能结构，内轴吸能结构，下面分别加以分析。 ( 1 ) 上安装点拉脱弹簧吸能结构分析及改进 上安装点拉脱弹簧结构如图4 所示，弹簧一端与上安装支架由点焊固定在一起，固定螺 栓穿过弹簧的另一端及o 形垫片、u 形夹片( 见图3 4 a ) 后与车身固连；各部件装配到 位后见图3 4 b 。 。 | | _ - e _ - - 二- 7 7 专 l l b ( 上安装点断面图) 1 、带u 形槽的转向管柱上安装支架2 、弹簧3 、0 形垫片 4 、u 形夹片5 、固定螺栓 图3 4 该s i r 车型转向管柱上安装点拉脱弹簧结构 2 0 硕士学位论文 当转向管柱压缩时，上安装支架会带动弹簧一端沿着u 形槽的方向与固定螺栓脱开， 而弹簧的另一端会挂在弹簧上保持不动，这样，弹簧会随着脱开过程而被拉长，其变形 产生的力就是脱开力。为保证脱动作的顺利进行，该结构设计有o 形垫圈、u 形夹片、 弹簧凸点等零件。一方面，由于o 型垫片的厚度比安装支架加弹簧的厚度要厚0 5 m m ，因 此0 形垫片会将u 形夹片与安装支架隔开，避免脱开过程中由于二者的接触面积过大而 产生过大的额外的摩擦力；另一方面，弹簧上有两个高度约为0 8 m m 的弹性凸点，随着 螺栓的锁紧，两凸点会使u 形夹与弹簧及安装支架之间有两处紧接触，其受压后的张力 可以避免日常使用时的松旷。 该结构的优点是当转向管柱上安装点与车身完全脱开后，转向管柱也不会掉落，而 是通过拉长的弹簧挂在固定螺栓上； 该结构的缺点： 1 ) 零件较多，成本高 2 ) 弹簧凸点高度、o 形垫圈厚度、安装支架厚度、弹簧厚度，固定螺栓的拧紧力 矩等都会影响脱