汽车车架设计的安全性分析

( 3) 汽车吸能区的改进分析。当前, 安全气囊的
安装已必不可少。另外, 随着对行人保护意识的逐渐 增强, 车外安全气囊的安装也指日可待, 在这种情况
下, 车体前端刚度过大问题已不能漠视, 为了确保安
全气囊的顺利匹配, 有必要对吸能区刚度较大的车 体结构进行必要的改进。下面是对 J 型车的吸能区 的结构进行改进, 并进行了试验。
D- 13kph 8. 2 8. 7
微型车 J- 13kph 34. 1 34. 7
K- 13kph 42. 5 35. 3
中央通道
18. 8 18. 6 11. 2 10. 4 44. 4 50. 9
E CU 上
18. 6 18. 3 10. 5 10. 6 44. 1
46
18. 5 19. 2 10. 8 10. 5 44. 4 48. 9
图 1 J 型车及其改进后 ECU 位置加速度 波形图比较
1. 2 从车体前端刚度过小角度分析
在整车碰撞试验过程中我们还发现, 某些车型
的车身特性曲线的加速度峰值过高, 造成的原因不
是前纵梁过硬, 而是前纵梁过软, 在碰撞时几乎不能 有效吸收碰撞能, 而碰撞能主要由发动机、变速箱及
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副车架与中央通道及前地板、前围板的碰撞与摩擦
从以上几种算法可以看出, ECU 处加速度波形 对安全气囊的起爆起着决定性的作用。所以说, 对于
微型面包车来说, 低速碰撞时其 ECU 处加速度峰 值本身就过高, 不利于电子式安全气囊的匹配。因
为, ECU 点火的阀值很难设定, 勉强装配, 很容易造 成在比较低的碰撞过程中, 安全气囊也点火起爆, 甚
角度出发, 对大量的车体前端刚度过大的车型, 极有 必要减小车体前端的刚度, 尤其微型车, 但也不能减
得过小。车体前端的刚度主要来自于纵梁。轿车的
纵梁通常为由 1 m m 厚的钢板围成的 70 mm ×130
mm 矩形口( 前端局部) , 而微型车的则明显大于此, 对于 J 型车 而言, 其纵梁前端为 80 m m ×260 mm 倒 “目”形结构, 所以其刚度明显大于其它车, 其 13
a 收稿日期: 2005-03-01 基金项目: 辽宁省博士科研启动基金( 20031084) 作者简介: 王若愚( 1973-) , 男, 辽宁凌源人, 实验师。
第4期
王若愚等 : 汽车车架设计的安全性分析
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其工作原理为: 传感器感受汽车碰撞强度并将其传 给控制器, 控制器接收并处理传感器的信号, 当控制
器判断有必要打开气袋时, 立即发出点火信号触发 气体发生器, 气体发生器点火, 产生气体展开气袋。
对于电子式安全气袋来说, 其控制器为 ECU ( 电控
单元) , 它接收并处理的信号, 来自于与其安装在一 起的传感器。目前, 气袋点爆控制算法主要有以下几
种:
加速度峰值法: 通过测量汽车上的加速度信号, 当加速度达到预定的阈值时就点爆气袋; 速度变量
将两根 1 寸钢管在 J 型车的纵梁前端与保险杠 之间并排放置, 固定好后进行 13 kph 的碰撞试验。
试验结果见表 2, 与改进前的加速度波形比较见图
1.
为了便于进一步的分析, 对 J 型车做了 8 kph 的碰撞试验。试验结果见表 2. 从表 2 和图 1 中可以 看出, J 型车改进后的 13 kph 正面碰撞试验, 加速 度幅值已得到明显改善, 已接近 8 kph 正面碰撞试 验的结果。该改进为电子式安全气囊的安装提供了 可能, 即基本上可以确保安全气囊在低速碰撞下不 点火起爆, 在高速碰撞下一定点火起爆。
∑ 轿 / 9 = 43. 3, ∑ 微 / 5 = 76. 0
微型车的平均幅值基本上是轿车的平均 幅值的二 倍。如此也造成了事故中微型车中的乘员受伤机率
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辽宁工学院学报
第 25 卷
普遍高于轿车的。同时也反映出了微型车的车体前
端的刚度与轿车相比过大这个问题。
通过以上分析可以认为, 从事故中的主动保护
来吸收, 因此造成前围板向内侵入量过大, 也不适宜
安全气囊的匹配。
表 2 J 型 车改进前后碰撞加速度峰值比较
车型
J - 13k ph J 改- 13k ph
J - 8k ph
B柱 左 右 34. 1 34. 7 21. 1 20. 3 20. 7 22. 7
中央通道
44. 4 22. 2 24. 1
Key words: passive safet y; act iv e saf et y ; fram e; airbag ; absorbing energy Abstract: T he st ruct ure of fr am e and st iff ness o f body have assignable influence upon aut om obile saf et y . Based on analy sis o f lot s of v ehicle cr ash t est result s f or car and m icro - bus, a new design w ay t o f rame desig n w as bro ug ht for war d f rom t w o aspect s. One w as passiv e saf et y — mat ch of airbag , t he ot her w as act ive saf ety — deg ree of body absor bing ener gy .
身受到的相对冲击有 F= ma, 考虑到车体质量通常
为 1 000 kg , 选取 m = 1 000 kg, 从安全角度考虑, 选
取 a= 50 g.
选择许用应力: [ R] = Rs / ns , 考虑到必须压馈变
形吸能, 取 ns = 1, 即[ R] = Rs, 当材质为优质碳素结
构钢时, 选 Rs= 340 M pa.
则有
R = F / s > [ R] = Rs
s < F/ Rs = ma/ Rs = 1 000 × 50 × 9. 8/ 340 = 1 441
除掉外围板相关截面面积, 就可初步确定纵梁前端
的布局。 吸能段长度的选择: 从碰撞波形中可以看出, 峰值所在峰历时很短,
另外, 变形区的长度通常为 420 mm - 520 mm , 所 以, 吸能段的长度可以初步在 50 mm - 100 mm 之 间进行选择。 2. 3 进行碰撞有限元建模及计算分析车体前端的 刚度
在汽车的设计中, 车架的功用是支承连接汽车 的各零部件, 并承受来自车内外的各种载荷。对于车 架的结构形式, 要求: 满足车身总布置的要求, 即汽 车在复杂多变的行驶过程中, 固定在车架上的各总 成和部件之间不应发生干涉; 车架应具有足够的强 度和适当的刚度; 车架的质量尽可能轻; 车架应布置 得离地面近一些。可见对于在碰撞过程中, 车架应起 的作用并没有考虑。
但事实上, 车架的结构及车体刚度对汽车的安 全性有着不容忽视的影响, 如前端刚度过大, 会造成 在碰撞中加速度幅值( 绝对值) 相对过大, 对低速碰 撞而言, 不便于电子式安全气囊的装配; 对高速碰撞 而言, 则大大加强了对乘员的伤害程度; 如果前端刚 度过小, 高速碰撞下, 会造成前围板向内侵入量过
Saf ety Anal ysis of Frame Design
WA NG Ruo-yu1, SH ANG En-yi2, CHEN Yong1
( 1. A ut omobile & T raf f ic En gineering C ollege, Liaoning Ins t itu te of T echnology, Jinz hou 121001, China; 2. Jin zhou J inheng A ut omot ive Safet y S yst em Co. , Lt d, Jinzh ou 121007, Chin a)
大, 也不适合安全气囊的匹配。
1 安全气囊的匹配与车架的设计
1. 1 从车体前端刚度过大角度分析 ( 1) 汽车低速碰撞试验中部分车型的加速度峰
值的统计。本文对所做的一些车型的低速碰撞的部 分结果进行了统计, 统计结果如表 1 所示。从表中可 以看出, 在低速碰撞过程中, 轿车前端的吸能效果明 显好于微型面包车, 其以 18 kph 的速度碰撞时的刚 度甚至优于面包车的 13 kph 碰撞时的刚度。轿车的 这一优势, 保证了被动保护装置- 电子式安全气囊 的顺利匹配。 ( 2) 电子式安全气囊的匹配分析。安全气囊系统 主要由传感器、控制器、气体发生器和气袋等组成。
摘 要: 车架的结构及车体刚度对汽车的安全性有着不容忽视的影响。通过对轿车及微型车的大量实车碰撞 试验结果的分析, 从事故中的被动安全- 安全气囊的匹配及 主动安全- 碰撞过程 中车体自身的吸能 程度两方面对 汽车车架的设计提出了新的思路。
关键词: 被动安全; 主动安全; 车架; 安全气囊; 吸能 中图分类号: U 467. 14 文献标识码: A 文章编号: 1005-1090( 2005) 04-0232-03
下: ( 1) 在保险杠内和纵梁前加吸能块或吸能管; ( 2)
在纵梁前局部做成瓶颈式缓冲吸能段或滑块式缓冲
块; ( 3) 在车身重新设计的情况下, 可以考虑延长纵
梁, 延长段为吸能段, 做成瓶颈式或塔式。
表 3 中央通道位置的加速度幅值统计
车 型 a峰 ( g′) 轿车 A B C D E F G H I
法: 通过对加速度信号进行积分运算得到碰撞过程 中的速度变化量, 当速度变化量大于预先设定的阈
值时就发出点火信号; 加速度坡度法: 对加速度信号
进行求导, 用得到的加速度变化量作为点火判断指 标; 比功率法: 对碰撞试验过程中的动能进行二次求 导得到比功率: dP ( t ) = v ( t ) J ( t ) + a2( t ) ( 其中: J ( t ) = da( t ) / d( t) ) , 之后使用比功率作为指标量进行 点火条件判断。
至出现碰撞过程本身对乘员没有造成伤害, 而气袋
打出过程中却对乘员造成严重伤害的情况发生。对
轿车而言, 就不会发生这种情况。
表 1 汽 车低速碰撞试验中各加速度峰值比较表
车型
B柱 左 右
轿车 A- 18kp h 18. 3 20. 7
B- 18kph 20. 5 15. 6
C- 15kph 12. 5 10. 4
kph 正面碰撞的幅值甚至高于一些轿车的 48 kph 正面碰撞的幅值。所以说, 当前, 对于需要减小车体
前端刚度的机车, 当从减小纵梁前端的刚度入手。考
虑到不破坏当前车体结构及性能, 应在比较软的保
险杠和比较硬的纵梁之间增加相对软区, 低速碰撞 不起作用, 高速碰撞在中央通道加速度值接近 50 g 时发生馈变, 把受冲击幅度降下来。具体改进方案如
ECU 上
44. 1 26. 8
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2 高速碰撞中乘员安全的车身纵梁设 计
2. 1 部分车型的加速度峰值的统计分析 车体上, 中央通道位于驾驶员与乘员座椅之间,
该位置的加速度幅值基本上反映出碰撞事故中车上 乘员的受伤程度。表 3 是对一些车型在 48 kph 正面 碰撞试验中的中央通道位置的加速度幅值进行的统 计结果。 从表 3 中可以看出, 轿车的中央通道的加速度 幅值普遍小于微型车的, 且有
第 25卷 第 4期 2 0 0 5年 8月
辽宁工学院学报
Journal o f Liaoning Inst it ut e of T echnolog y
V ol. 25, N o. 4 A ug. 2 0 0 5
汽车车架设计的安全性分析
王若愚1, 商恩义2, 陈 勇1
( 1. 辽宁工学院 汽车与交通工程学院, 辽宁 锦州 121001; 2. 锦州锦恒汽车安全系统有限公司, 辽宁 锦州 121007)
62 50. 1 35 41. 7 44 40. 2 43. 1 33. 6 39. 8 微型车 J K L M N
102. 5 80 64. 1 51. 8 81. 5
2. 2 车体纵梁结构改进的方向性分析
现就第( 3) 种方案的纵梁截面尺寸进行方向性 分析。压馈面积的选择分析:
在碰撞过程中, 由于作用力等于反作用力, 则车