基于行人保護(hù)的發(fā)動機(jī)罩鉸鏈研究
2014/11/28 13:08:47
1 行人碰撞保護(hù)的發(fā)展
在行人頭部碰撞保護(hù)中，由于發(fā)動機(jī)罩存在鉸鏈區(qū)域等硬點(diǎn)，而且發(fā)動機(jī)罩與下部發(fā)動機(jī)之間變形空間較小，因此很難滿足歐洲行人碰撞保護(hù)法規(guī)的需要。
為提高發(fā)動機(jī)罩對行人頭部的保護(hù)，文獻(xiàn)提出在發(fā)動機(jī)罩板加內(nèi)墊的方法，但是受到空間不足的影響使得效果有限，而且對于頭部落在吸能區(qū)外的情況，撞擊損傷得不到改善。文獻(xiàn)把鉸鏈高度作為一個設(shè)計變量進(jìn)行了對比仿真，表明鉸鏈高度對行人頭部傷害也有一定影響。目前效果較好的是使用后沿自升式罩板，當(dāng)汽車與行人發(fā)生碰撞時，碰撞傳感器將信號傳遞給相應(yīng)的E-CU，ECU發(fā)出指令使發(fā)動機(jī)罩后邊沿升起一定高度以提供足夠的吸能空間。通過試驗(yàn)和仿真，證明了采用后沿自升式罩板后行人頭部保護(hù)效果有了明顯提高。但是采用該方法對傳感器精確性要求非常高，價格也較昂貴。
針對以上設(shè)計缺陷，本文通過改進(jìn)普通鉸鏈結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種壓潰式鉸鏈。該鉸鏈在汽車與行人頭部發(fā)生撞擊時使機(jī)構(gòu)發(fā)生塌陷，增加了發(fā)動機(jī)罩的變形空間，從而達(dá)到提高行人頭部保護(hù)效果的目的。
2 發(fā)動機(jī)罩鉸鏈設(shè)計要求分析
在法規(guī)要求的行人保護(hù)測試區(qū)域中，發(fā)動機(jī)罩鉸鏈區(qū)域由于鉸鏈的高硬度對行人頭部保護(hù)效果不佳，所以有必要對原始鉸鏈進(jìn)行改進(jìn)，從而使這一區(qū)域達(dá)到法規(guī)要求，同時又要兼顧到與車輛相關(guān)的其他要求。
2.1 鉸鏈應(yīng)滿足的車輛相關(guān)要求
a.在高速正碰中，鉸鏈不能斷裂。因?yàn)殂q鏈斷裂會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩直接飛入駕駛室，造成人員傷亡。
b.確保發(fā)動機(jī)罩開度不會過大。
c.在低速碰撞測試中，使發(fā)動機(jī)罩在鉸鏈處的平移、旋轉(zhuǎn)和塑性變形達(dá)到最小以避免元件損壞。
d.發(fā)動機(jī)罩開啟和關(guān)閉時，應(yīng)確保發(fā)動機(jī)罩與周邊元件（如輪罩內(nèi)板）的接觸力不會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩的塑性變形或損壞。
e.由駕駛條件導(dǎo)致的加速力和空氣阻力不能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩明顯移動。
f.發(fā)動機(jī)罩閉合時，應(yīng)有壓力作用在鉸鏈點(diǎn)上以消除鉸鏈處的縫隙，因?yàn)榭p隙容易導(dǎo)致變形或噪聲。
g.能夠滿足裝配要求（合適的空間和高度）。
2.2 行人保護(hù)的要求
使鉸鏈部分有足夠的變形空間、較低的垂直剛度且能夠吸收足夠多的能量，以保護(hù)頭部。
從上面的分析可以看到，行人保護(hù)對發(fā)動機(jī)罩鉸鏈的要求與車輛的相關(guān)要求矛盾，這給發(fā)動機(jī)罩的改進(jìn)帶來很大難度。
3 基于行人頭部保護(hù)的鉸鏈改進(jìn)設(shè)計
3.1 原始鉸鏈結(jié)構(gòu)
原始鉸鏈結(jié)構(gòu)可以看出，這種鉸鏈雖然滿足車輛相關(guān)要求，但由于沒有足夠的變形空間，而且硬點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)，垂直剛度較大，很難滿足行人保護(hù)的要求。
3.2 原始鉸鏈安裝的改進(jìn)
原始鉸鏈的轉(zhuǎn)點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)罩下，由于該轉(zhuǎn)點(diǎn)非常堅硬，對頭部造成的影響很大，所以把該轉(zhuǎn)點(diǎn)移到發(fā)動機(jī)罩之外。該方式的缺點(diǎn)是增加了裝配難度，而且很難保證鉸鏈的橫向強(qiáng)度。
3.3 壓潰式鉸鏈
為了充分吸收行人碰撞能量，設(shè)計了具有壓潰機(jī)制的鉸鏈，該鉸鏈由3部分和1個剪切銷組成。當(dāng)頭部撞擊到發(fā)動機(jī)罩鉸鏈上方區(qū)域時，由于超過了剪切銷的斷裂極限而使其被壓潰，從而使部件1和部件2發(fā)生塌陷，達(dá)到了充分吸收能量的目的。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠使鉸鏈在轉(zhuǎn)點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)罩下的同時滿足車輛和行人保護(hù)的要求，缺點(diǎn)是相比原始鉸鏈需要較大的安裝空間，而且由于增加了部件使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。
4 有限元模型的建立及試驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 有限元模型的建立
發(fā)動機(jī)罩外板厚度為0.8mm，內(nèi)板厚度為0.7mm。內(nèi)、外板通過壓邊的方式連接在一起，內(nèi)板和外板的膠接部分用剛性單元模擬；支架和內(nèi)板之間通過點(diǎn)焊方式連接，用剛性單元模擬；內(nèi)、外板之間有一些橡膠填充條，建模時不予考慮。采用hypErmEsh軟件劃分成殼單元網(wǎng)格。
行人頭部模型根據(jù)EEVC/WG17所規(guī)定的頭部模型試驗(yàn)條件，建立一個帶有頭皮和頭骨的兩層球體模型，直徑為165mm。將頭皮處理成均勻、各項(xiàng)同粘彈性材料，頭骨處理為剛性材料。
4.2 仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證
發(fā)動機(jī)罩采用鋼質(zhì)材料（DC04），試驗(yàn)前先按照歐洲NCAp要求將發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行碰撞區(qū)域劃分。試驗(yàn)在跌落塔試驗(yàn)臺上進(jìn)行，采用3點(diǎn)簡支的邊界條件來固定發(fā)動機(jī)罩，在A2C區(qū)域選擇沖擊點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。由于受試驗(yàn)條件限制，設(shè)置跌落塔裝置發(fā)送頭部模型撞擊發(fā)動機(jī)罩的速度為13.9km/h，碰撞角度為65°。
將發(fā)動機(jī)罩和頭部模型的有限元模型導(dǎo)入Ls－DyNA進(jìn)行碰撞仿真分析，仿真時的條件與試驗(yàn)條件一致。發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板后部為左、右雙鉸鏈固定，前部中間使用鎖銷固定。將發(fā)動機(jī)罩有限元模型按照實(shí)車安裝情況施加約束條件，即約束其后部與鉸鏈相連的左右4個螺栓孔的全部自由度和前部鎖孔除繞Ｘ軸轉(zhuǎn)動以外的所有自由度。
表1為A2C碰撞區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較。A2C碰撞區(qū)內(nèi)試驗(yàn)和仿真得到的頭部撞擊點(diǎn)加速度和時間歷程曲線。可見有限元仿真值的加速度最大值及其達(dá)到最大值的時間和試驗(yàn)值很接近，說明所建發(fā)動機(jī)罩的有限元模型正確。
5 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈的仿真比較
5.1 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈橫向強(qiáng)度的仿真比較
發(fā)動機(jī)罩鉸鏈的改進(jìn)必須滿足鉸鏈橫向強(qiáng)度要求，這樣可確保在車輛高速正碰中鉸鏈不會發(fā)生斷裂。
本文運(yùn)用NAsTrAN軟件對兩種鉸鏈進(jìn)行了橫向強(qiáng)度的仿真比較。在鉸鏈與發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板的安裝孔上均勻施加200N的橫向載荷，約束鉸鏈下合頁螺栓孔的全部自由度，然后比較兩者的應(yīng)力分布?？芍?，在原始鉸鏈的最大應(yīng)力分布處最大應(yīng)力為342mpA，而改進(jìn)后的鉸鏈應(yīng)力卻只有65mpA，說明鉸鏈改進(jìn)后橫向強(qiáng)度比原來的鉸鏈更好。
5.2 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈行人頭部保護(hù)性能的仿真比較
運(yùn)用Ls－DyNA軟件，按照歐洲的行人頭部保護(hù)法規(guī)對發(fā)動機(jī)罩鉸鏈區(qū)域進(jìn)行碰撞仿真，對兩種鉸鏈的頭部加速度曲線進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，鉸鏈在改進(jìn)后頭部加速度的二次峰值（這一峰值主要由鉸鏈導(dǎo)致）明顯下降，當(dāng)壓潰式鉸鏈剪切銷的剪切應(yīng)力極限為50mpA時，頭部傷害值hIC從原來的1420下降到了940左右，可見使用壓潰式鉸鏈具有更好的行人保護(hù)性能。
6 結(jié)束語
a.采用壓潰式鉸鏈可以滿足車輛的相關(guān)要求，并且與原始鉸鏈相比橫向強(qiáng)度更高。
b.與原始鉸鏈相比，壓潰式鉸鏈會顯著降低頭部加速度二次峰值，頭部傷害值hIC由原來的1420下降到940左右，具有更好的行人保護(hù)性能。
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- HL.32020 HL.II型鋼制拖鏈
- 材質(zhì)：鋼或者不銹鋼
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- HL.11390 可調(diào)位緊定手柄
- 材質(zhì)：尼龍
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- HL.24010 捏手
- 材質(zhì)：膠木
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- HL.33010 橡膠防護(hù)套
- 材質(zhì)：橡膠
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- HL.23070 長型油標(biāo)
- 材質(zhì)：聚碳酸酯
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- HL.42021 萬向調(diào)節(jié)支撐腳
- 材質(zhì)：尼龍或者鍍鋅鋼
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- HL.41133 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41132 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.22030 波紋表盤手輪
- 材質(zhì)：膠木
