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基于行人保护的发动机罩铰链研究 觹葛如海吴淼陈晓东车彬彬（江苏大学）【摘要】针对发动机罩铰链区域对满足行人头部保护要求存在的不足，设计了一种新式压溃式铰链。 采用 - 软件建立了该铰链的有限元模型，并进行了试验验证。 应用有限元软件 对原始铰链和新铰链进行静 强度仿真比较可知，新式压溃式铰链的横向强度更好。 按照欧洲行人保护法规应用有限元软件 对新铰链 和原铰链进行行人保护性能仿真比较可知， 使 用 压 溃 式 铰 链 使 行 人 的 头 部 伤 害 值 由 原 来 的 下 降 到 了 ，表明压溃式铰链在横向强度提高的基础上具有更好的行人头部保护性能。主题词：行人头部保护发动机罩铰链碰撞有限元中图分类号：文献标识码：文章编号：（） , , , （ ）【】 , , , ： , , 行人碰撞保护的发展在行人头部碰撞保护中，由于发动机罩存在铰链区域等硬点，而且发动机罩与下部发动机之间变 形 空 间 较 小 ， 因 此 很 难 满 足 欧 洲 行 人 碰 撞 保 护 法 规，的需要。觹 基金项目：科技部国家科技支撑计划资助项目（）。活塞孔的沿程和局部节流损失。 活塞孔直径或个数 影响常通节流孔面积和其它参数设计，随着活塞孔 直径增大或个数增加，常通节流孔面积减小。 活塞 孔对减振器压缩行程特性影响较小，而对复原行程 特性影响大。 在设计车辆减振器时，活塞孔直径或 个数应与车辆类型相适应：对舒适性要求较高的车 辆，应选择活塞孔直径大或个数多；而对安全性要 求较高的车辆，应选择活塞孔直径小或个数少。参 考 文 献 余 强,郑 慕 侨汽 车 悬 架 控 制 技 术 的 发 展汽 车 技 术,（）： 邹立明,李双义,毕凤荣,等夏利轿车减振器的内外特性分 析天津汽车,（）： 冯雪梅,刘佐民汽车液力减振器技术的发展与状况武汉理工大学学报,（）： 周长城,赵力航,顾亮减振器叠加阀片的研究北京理工大学学报,（）： 陈勇,韩忠浩汽车液力减振器阻力特性的研究评述辽宁 工学院学报,（）： 周长城,顾亮,王丽节流阀片弯曲变形与变形系数北京理 工大学学报,（）： 李世民,吕振华汽车筒式液阻减振器技术的发展汽车技 术,（）： 周长城,顾亮筒式减振器叠加节流阀片开度与特性试验机械工程学报,（）： 张也影流体力学北京：化学工业出版社, 张立翔,杨柯流体结构互动理论及其应用北京：科学出版社, 周 长 城减 振 器 阀 系 参 数 解 析 计 算 与 特 性 综 合 仿 真 北 京：北京理工大学出版社,（责任编辑 帘 青）修改稿收到日期为 年 月 日。为提高发动机罩对行人头部的保护， 文献 提出在发动机罩板加内垫的方法（图 ），但是受到 空间不足的影响使得效果有限，而且对于头部落在 吸能区外的情况，撞击损伤得不到改善。 文献把 铰链高度作为一个设计变量进行了对比仿真，表明 铰链高度对行人头部伤害也有一定影响。 目前效果 较好的是使用后沿自升式罩板（图 ），当汽车与行 人发生碰撞时，碰撞传感器将信号传递给相应的 - ， 发出指令使发动机罩后边沿升起一定高度 以提供足够的吸能空间。 文献通过试验和仿真， 证明了采用后沿自升式罩板后行人头部保护效果 有了明显提高。 但是采用该方法对传感器精确性要 求非常高，价格也较昂贵。面板头模内垫图 罩板加内垫结构示意发动机罩上推器铰链平移、旋转和塑性变形达到最小以避免元件损坏。 发动机罩开启和关闭时，应确保发动机罩 与周边元件（如轮罩内板）的接触力不会导致发动 机罩的塑性变形或损坏。由驾驶条件导致的加速力和空气阻力不能导致发动机罩明显移动。 发动机罩闭合时，应有压力作用在铰链点 上以消除铰链处的缝隙，因为缝隙容易导致变形或 噪声。能够满足装配要求（合适的空间和高度）。行人保护的要求使铰链部分有足够的变形空间、较低的垂直刚度且能够吸收足够多的能量，以保护头部。从上面的分析可以看到，行人保护对发动机罩 铰链的要求与车辆的相关要求矛盾，这给发动机罩 的改进带来很大难度。基于行人头部保护的铰链改进设计原始铰链结构原始铰链结构如图 所示。 从图 可以看出， 这种铰链虽然满足车辆相关要求，但由于没有足够 的变形空间，而且硬点位于发动机盖内，垂直刚度 较大，很难满足行人保护的要求。传感器图 后沿自升式罩板结构示意针对以上设计缺陷， 本文通过改进普通铰链结 构，设计了一种压溃式铰链。 该铰链在汽车与行人头 部发生撞击时使机构发生塌陷， 增加了发动机罩的 变形空间，从而达到提高行人头部保护效果的目的。发动机罩铰链设计要求分析在法规要求的行人保护测试区域中，发动机罩 铰链区域由于铰链的高硬度对行人头部保护效果 不佳，所以有必要对原始铰链进行改进，从而使这 一区域达到法规要求，同时又要兼顾到与车辆相关 的其他要求。铰链应满足的车辆相关要求在高速正碰中，铰链不能断裂。 因为铰链断裂会导致发动机罩直接飞入驾驶室，造成人员伤亡。确保发动机罩开度不会过大。在低速碰撞测试中，使发动机罩在铰链处的图 原始铰链结构示意原始铰链安装的改进原始铰链的转点位于发动机罩下，由于该转点 非常坚硬，对头部造成的影响很大，所以把该转点 移到发动机罩之外，即采用图 所示的方式。 该方 式的缺点是增加了装配难度，而且很难保证铰链的 横向强度。图 转点位于发动机罩外的原始铰链安装示意压溃式铰链为了充分吸收行人碰撞能量，设计了具有压溃铰链销部件 （铰链上合页）铰链销剪切销部件 （铰链中间页）部件 机制的铰链，如图 所示。（铰链安装合页）图 压溃式铰链示意由图 可知，该铰链由 部分和 个剪切销组 成。 当头部撞击到发动机罩铰链上方区域时，由于 超过了剪切销的断裂极限而使其被压溃，从而使部 件 和部件 发生塌陷，达到了充分吸收能量的目 的。 这种方式的优点是能够使铰链在转点位于发动 机罩下的同时满足车辆和行人保护的要求，缺点是 相比原始铰链需要较大的安装空间，而且由于增加 了部件使机构变得复杂。有限元模型的建立及试验验证有限元模型的建立发动机罩外板厚度为 ， 内板厚度为 。 内、外板通过压边的方式连接在一起，内板和外 板的胶接部分用刚性单元模拟；支架和内板之间通 过点焊方式连接，用刚性单元模拟；内、外板之间有 一些橡胶填充条，建模时不予考虑。 采用 软件划分成壳单元网格，有限元模型如图 所示。图 发动机罩有限元模型行 人 头 部 模 型 根 据 所 规 定 的 头 部模型试验条件，建立一个带有头皮和头骨的两层 球体模型，直径为 。 将头皮处理成均匀、各项 同粘弹性材料，头骨处理为刚性材料。 有限元模型 如图 所示。仿真模型的试验验证发动机罩采用钢质材料（），试验前先按照 欧洲 要求将发动机罩进行碰撞区域划分。 试 验在跌落塔试验台上进行，采用 点简支的边界条件 来固定发动机罩，在 区域选择冲击点进行试验。 由于受试验条件限制，设置跌落塔装置发送头部模型撞击发动机罩的速度为 ，碰撞角度为 。图 头部有限元网格将发动机罩和头部模型的有限元模型导入 进行碰撞仿真分析， 仿真时的条件与试验条 件一致。 发动机罩内板后部为左、右双铰链固定，前 部中间使用锁销固定。 将发动机罩有限元模型按照 实车安装情况施加约束条件，即约束其后部与铰链 相连的左右 个螺栓孔的全部自由度和 前部锁孔 除绕 轴转动以外的所有自由度。表 为 碰撞区域试验结果与仿真结果的 比较。 图 给出 碰撞区内试验和仿真得到的头 部撞击点加速度和时间历程曲线。 可见有限元仿真 值的加速度最大值及其达到最大值的时间和试验 值很接近，说明所建发动机罩的有限元模型正确。表 碰撞区域试验结果与仿真结果比较区域碰撞位置 碰撞区域碰撞速度 加速度峰值试验值 仿真值 误差 峰值时间试验值 仿真值 误差 仿真值加速度 试验值时间 图 碰撞区域内试验和仿真时头部撞击加速度与时间曲线对比原始铰链和压溃式铰链的仿真比较原始铰链和压溃式铰链横向强度的仿真比较发动机罩铰链的改进必须满足铰链横向强度 要求，这样可确保在车辆高速正碰中铰链不会发生 断裂。本文运用 软件对两种铰链进行了横 向强度的仿真比较。 在铰链与发动机罩内板的安装孔上均匀施加 的横向载荷， 约束铰链下合页 螺栓孔的全部自由度， 然后比较两者的应力分布 （图 和图 ）。 从两图可知，在原始铰链的最大应 力分布处最大应力为 ， 而改进后的铰链应 力却只有 ，说明铰链改进后横向强度比原来 的铰链更好。应力 图 原始铰链的应力分布应力 图 压溃式铰链的应力分布 原始铰链和压溃式铰链行人头部保护性能的 仿真比较运 用 软 件 ， 按照欧洲的行人 头 部 保护法规对发动机罩铰链区域进行碰撞仿真，对两 种铰链的头部加速度曲线进行比较（图 ）发现，铰 链在改进后头部加速度的二次峰值（这一峰值主要 由铰链导致）明显下降，当压溃式铰链剪切销的剪 切应力极限为 时， 头部伤害值 从原来 的 下降到了 左右， 可见使用压溃式铰链 具有更好的行人保护性能。加速度 下降到 左右，具有更好的行人保护性能。参 考 文 献 - （） , , 赵立军,赵桂范,张晓乾基于行人友好的车身结构研究振动工程学报,（）： , , , , , , , - , , , , - - , 王 岐 燕汽 车 发