周丹鳳 涂金剛

摘要：2020版Euro NCAP更新了汽車碰撞安全試驗(yàn)工況。為研究新工況下的碰撞安全性，以不同質(zhì)量的車輛作為研究對(duì)象，對(duì)比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況下被撞車輛的結(jié)構(gòu)變形以及加速度波形的差異。研究表明：新工況與現(xiàn)行工況下的被撞車輛表現(xiàn)差異明顯，對(duì)中小型車輛影響較大。針對(duì)分析結(jié)果提出改進(jìn)思路，為新車型的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：MPDB；ODB；碰撞；安全性能

中圖分類號(hào)：U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

汽車碰撞安全法規(guī)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系可分為2種：一種是以歐盟各國為代表的歐標(biāo)ECE法規(guī)和Euro NCAP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；另一種是以美國為代表的美標(biāo)FMVSS法規(guī)和US NCAP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。[1]許多歐亞國家、南美洲國家和澳大利亞制定的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)通常以歐盟體系為指導(dǎo)。由于Euro NCAP對(duì)法規(guī)的制定起到至關(guān)重要的作用，因此Euro NCAP的發(fā)展動(dòng)向備受各國汽車碰撞安全研究領(lǐng)域的關(guān)注。最新發(fā)布的2018年安全開發(fā)手冊[2]提到，2020版Euro NCAP提高汽車碰撞安全高速碰工況難度，更改偏置碰工況試驗(yàn)形式，并增加正碰工況。

2020版Euro NCAP側(cè)面AEMDB碰撞工況的撞擊速度從原來的50 km/h提升到60 km/h，并考察側(cè)碰對(duì)遠(yuǎn)端乘員的保護(hù)，這將增加碰撞能量、擴(kuò)大約束系統(tǒng)的保護(hù)范圍，對(duì)原有車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高的要求。然而，汽車企業(yè)面臨的更大挑戰(zhàn)是Euro NCAP新工況對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。2020版Euro NCAP以50%重疊的可變形移動(dòng)壁障和車輛均以50 km/h的速度對(duì)撞的MPDB工況，替代現(xiàn)行的40%重疊可變形固定壁障、速度為64 km/h的前部偏置碰撞ODB工況。[2]為研究新工況的碰撞特性，本文結(jié)合以往和在研車型的碰撞安全開發(fā)工作，對(duì)比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況對(duì)車身碰撞結(jié)果的差異，研究MPDB工況對(duì)汽車設(shè)計(jì)的影響，為新車型的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

1 2020版Euro NCAP MPDB工況

ODB工況對(duì)整車結(jié)構(gòu)變形，尤其是乘員艙的完整性要求很高，該工況要求降低整車加速度脈沖對(duì)乘員造成的傷害，同時(shí)保證整車變形后乘員能有足夠大的生存空間。ODB工況已運(yùn)行實(shí)施多年，經(jīng)過多次對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)的調(diào)整，各主機(jī)廠已熟悉該工況的考察項(xiàng)，且可借鑒現(xiàn)有車型的設(shè)計(jì)案例。對(duì)于2020版Euro NCAP MPDB工況的碰撞特性和難易程度，各大主機(jī)廠沒有明確了解，也無應(yīng)對(duì)策略。新工況示意見圖1，與現(xiàn)行ODB工況差別較大。壁障小車質(zhì)量為1 400 kg，壁障小車和被撞車輛均以50 km/h的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以50%的重疊率相對(duì)撞擊。前排駕駛員為新開發(fā)的THOR假人，副駕駛員為原Hybrid Ⅲ假人，后排為2個(gè)Q系列兒童假人，考察兒童約束系統(tǒng)對(duì)兒童乘員的保護(hù)情況。[3]

2 MPDB與ODB工況差異

2.1 MPDB和ODB工況的特點(diǎn)

從對(duì)道路交通安全的實(shí)際指導(dǎo)意義來看，MPDB工況與車輛實(shí)際發(fā)生事故時(shí)的場景更相似；從工況開發(fā)角度來看，約束系統(tǒng)標(biāo)定的參數(shù)在車輛發(fā)生前碰時(shí)，安全帶和氣囊的點(diǎn)爆時(shí)間對(duì)車內(nèi)乘員能夠起到更好的約束和保護(hù)作用?，F(xiàn)行ODB工況雖然被撞車輛速度更高，碰撞情況更加嚴(yán)重，但與實(shí)際交通事故存在一定差異。與MPDB工況相比，ODB工況對(duì)車輛乘員保護(hù)的指導(dǎo)意義稍差。

MPDB與ODB工況差異對(duì)比見表1。對(duì)比2個(gè)工況的碰撞具體細(xì)節(jié)，可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。[4-5]碰撞速度和碰撞方式的改變，直接影響整車的變形模式和對(duì)假人直接作用的加速度脈沖波形特征，不同的假人對(duì)整車加速度脈沖的響應(yīng)速度和傷害的敏感程度也不盡相同。

2.2 不同質(zhì)量的車輛在MPDB和ODB工況下的表現(xiàn)對(duì)比

由于壁障小車的質(zhì)量大小直接影響被撞車輛的碰撞能量和能量交換，因此將被撞車輛的質(zhì)量分為3種情況，分別對(duì)比在MPDB和ODB工況下車身結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。

不同質(zhì)量大小的車輛MPDB與ODB工況碰撞總能量對(duì)比見表2。MPDB工況碰撞總能量總是比ODB工況碰撞總能量大。其中，質(zhì)量最小的車輛MPDB工況與ODB工況總能量相差較大，車輛質(zhì)量越大，2個(gè)工況的總能量相差越小。因此，MPDB工況對(duì)小型乘用車的挑戰(zhàn)更大。

在前部碰撞中，被撞車輛車身結(jié)構(gòu)主要從結(jié)構(gòu)變形和加速度脈沖特性2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)變形又分為前艙吸能空間變形和乘員艙生存空間完整性2個(gè)方面。乘員艙生存空間考察的量化指標(biāo)主要體現(xiàn)在前擋板侵入量和最大侵入位置。通常情況下，主要考察的監(jiān)測點(diǎn)為乘員腳部區(qū)域和踏板安裝區(qū)域。乘員腳部區(qū)域侵入量直接影響乘員腿部傷害值；踏板安裝區(qū)域在偏置碰中通常是前擋板侵入量最大區(qū)域，影響踏板的后移和上抬運(yùn)動(dòng)幅度，導(dǎo)致踏板位移量超標(biāo)，從而影響Euro NCAP中修正項(xiàng)的扣分情況，間接增加駕駛員右腿扣分風(fēng)險(xiǎn)。加速度脈沖通過車身座椅和約束系統(tǒng)直接作用于乘員，脈沖幅值的高低直接影響乘員頭頸和胸部的傷害程度。[6]

分別對(duì)比3種不同質(zhì)量被撞車輛前擋板侵入量在MPDB和ODB工況中的加速度特性曲線，在統(tǒng)一標(biāo)尺情況下，不同質(zhì)量車輛前擋板侵入量對(duì)比見圖2。雖然MPDB工況總碰撞能量大于ODB工況總碰撞能量，但是MPDB工況下部分能量轉(zhuǎn)化為被撞車輛和壁障小車的偏轉(zhuǎn)能量。因此，對(duì)于同一款車，MPDB工況下前擋板侵入量較??；但對(duì)于質(zhì)量不同的車輛，被撞車輛質(zhì)量越接近壁障小車的質(zhì)量，能量交互越小，前擋板侵入量最大值越大。

不同質(zhì)量被撞車輛加速度（取絕對(duì)值）波形對(duì)比見圖3。對(duì)于同一款車，MPDB工況加速度相位較ODB工況提前，峰值大小和時(shí)刻均存在一定差異。當(dāng)被撞車輛質(zhì)量小于壁障小車質(zhì)量時(shí)，MPDB工況加速度峰值高于ODB工況；當(dāng)被撞車輛質(zhì)量大于壁障小車質(zhì)量時(shí)，MPDB工況加速度峰值低于ODB工況；當(dāng)被撞車輛與壁障小車質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，MPDB工況加速度峰值與ODB工況相當(dāng)，且相位偏差最小。隨著被撞車輛質(zhì)量與壁障小車質(zhì)量差異的增大，MPDB工況和ODB工況加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大，這與MPDB工況碰撞過程中被撞車輛與壁障小車各自的初始動(dòng)能有密切關(guān)系。MPDB工況的加速度波形與ODB工況的加速度波形相差很大，需增加MPDB工況的標(biāo)定，對(duì)約束系統(tǒng)標(biāo)定也是挑戰(zhàn)。

3 影響MPDB工況結(jié)果的因素及提升方向

對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車車身結(jié)構(gòu)而言，雖然MPDB工況較ODB工況侵入量普遍有所降低，但是對(duì)于1 400 kg及以下的中小型車輛，加速度波形時(shí)刻提前，峰值升高。

3.1 前艙框架設(shè)計(jì)

從車身設(shè)計(jì)角度，前艙框架是前部碰撞的主要吸能部件，見圖4。碰撞工況的車身設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮。

3.1.1 前保橫梁

前保橫梁的強(qiáng)度直接決定前艙框架的變形時(shí)刻及模式。MPDB工況中前保橫梁應(yīng)保證有較高強(qiáng)度，從而能夠在碰撞過程中推遲發(fā)生折彎時(shí)刻，保證縱梁受力的穩(wěn)定。一旦前保橫梁發(fā)生折彎，就不能再承力，在MPDB工況中呈“V”字形向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)折彎變形，導(dǎo)致縱梁Y向受力增大；若縱梁Y向抗彎性能較差，將會(huì)呈現(xiàn)Y向內(nèi)傾趨勢，失去支撐傳力作用。因此，前保橫梁是MPDB工況的第一道關(guān)口，在車身框架設(shè)計(jì)中要保持足夠的抗彎性能。

3.1.2 前縱梁

在前部碰撞中前縱梁是主要的吸能部件，其變形是否穩(wěn)定直接決定前部碰撞結(jié)果的好壞。在MPDB工況中，前縱梁與前保橫梁是相互作用且相輔相成的。在保證前保橫梁強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)前縱梁的Y向抗彎性能。在前保橫梁發(fā)生折彎變形后，前縱梁應(yīng)繼續(xù)保持一定的傳力作用，穩(wěn)定變形。在MPDB工況中Y向拉力過大，前縱梁較難出現(xiàn)壓潰變形模式，一般以Y向“Z”字形折彎變形為主。為保證前縱梁的Y向抗彎性能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮足夠大的截面和合理的寬高比。

3.1.3 輔助結(jié)構(gòu)

前保橫梁與前縱梁構(gòu)成的主要傳力路徑如果達(dá)不到足夠的抗彎性能，還可以采用一些輔助結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)充，一般分為上、下2部分：上部分是貫穿前縱梁前段外側(cè)到鉸鏈柱的上縱梁結(jié)構(gòu)；下部分是連接前縱梁前端到副車架本體的副車架縱梁結(jié)構(gòu)。這2部分或其中1部分輔助結(jié)構(gòu)對(duì)前縱梁的Y向抗彎起輔助支撐作用，從而保證前縱梁在MPDB工況碰撞過程中穩(wěn)定“Z”字形折彎變形。

關(guān)鍵部件的合理匹配和設(shè)計(jì)可以保證前縱梁合理變形，不會(huì)向發(fā)動(dòng)機(jī)艙方向整體傾倒，避免侵入量集中；車身框架穩(wěn)定有序的變形傳遞碰撞力，吸收碰撞能量，從而合理分配加速度波形峰值，避免車身集中受力，傷害乘員。

除碰撞能量吸收外，前部碰撞的重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還包括載荷傳遞和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完整的框架設(shè)計(jì)使碰撞產(chǎn)生的力能夠順暢傳遞，并合理地分布于車身[6]；牢籠式“O”形閉環(huán)設(shè)計(jì)使乘員艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保障乘員足夠的生存空間。

3.2 前艙機(jī)械布置

對(duì)于MPDB工況而言，前保橫梁的變形均為中間折彎形式。前保橫梁折彎后，與壁障50%重疊的車身一側(cè)參與相對(duì)碰撞。在前艙空間壓縮達(dá)到最大后，以前保橫梁折彎點(diǎn)為中心，被撞車輛和壁障小車同時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。前艙參與碰撞的主要為駕駛員一側(cè)，故駕駛員一側(cè)的可利用前艙有效碰撞空間和碰撞空間利用率是前艙機(jī)械布置的核心。

在前艙碰撞空間一定的前提下，前艙硬物合理安裝和布置對(duì)碰撞空間的利用尤為重要，其布置方案對(duì)比見圖5。圖5a）的布置方案不合理：蓄電池、ESP、真空助力在一條縱軸線上，且均在左側(cè)，導(dǎo)致在MPDB工況碰撞過程中參與碰撞一側(cè)的空間利用率較低，對(duì)控制踏板安裝區(qū)域乘員艙侵入值壓力較大；硬物間相互碰撞，會(huì)產(chǎn)生較大的減速度峰值，給乘員胸部帶來傷害。圖5b）的布置方案較為合理：蓄電池前置可降低乘員艙侵入壓力，橫向布置可節(jié)省縱向空間；前艙硬物合理分布，可以避免相互接觸撞擊，有效提高碰撞空間利用率，降低加速度峰值。

3.3 新技術(shù)的應(yīng)用

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和碰撞安全評(píng)價(jià)體系的不斷完善，在車輛設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，越來越多的新材料、新技術(shù)得到應(yīng)用和推廣。

3.3.1 新材料

隨著材料工業(yè)的快速發(fā)展，高端材料的研發(fā)和推廣速度不容小覷。航空鋁材有望在汽車設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣，其質(zhì)量輕、性能高等優(yōu)良性能在提高車身燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，減小車輛碰撞能量，保證足夠的車身強(qiáng)度，使有效碰撞空間內(nèi)的能量吸收達(dá)到最佳，從而減小碰撞能量對(duì)車內(nèi)乘員造成的沖擊，降低乘員傷害。[7]碳纖維材料已越來越多被應(yīng)用到乘用車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其同樣具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特性，一般應(yīng)用在乘員艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，保證乘員生存空間的完整性。前擋板采用碳纖維材料可以有效阻擋前艙硬物的侵入。[8]

3.3.2 新技術(shù)

新材料的應(yīng)用要結(jié)合新技術(shù)才能最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，二者相互依存、相輔相成。鋁合金材料的誕生，促進(jìn)鋁制部件鉚接技術(shù)和鋁材焊接技術(shù)的發(fā)展。[9]隨著碳纖維材料的出現(xiàn)，碳纖維粘接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，新興的激光拼焊板技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、中頻電阻電焊技術(shù)、鉚接技術(shù)和膠接技術(shù)在汽車車身制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.3.3 主動(dòng)安全系統(tǒng)

主動(dòng)安全系統(tǒng)能夠在事故發(fā)生前及時(shí)采取緊急避撞措施，避免發(fā)生車禍或者盡量將傷害降至最低。該系統(tǒng)是由安裝在車身各個(gè)部位的車載傳感器、激光雷達(dá)、紅外線、超聲波傳感器，以及更加先進(jìn)的毫米波雷達(dá)等設(shè)備組成的，具有工況檢測功能，可隨時(shí)通過聲音、圖像等方式向駕駛員提供車輛周圍和車輛本身等必要信息，并可自動(dòng)或半自動(dòng)地進(jìn)行車輛

控制，幫助駕駛員做出最快反應(yīng)，從而有效防止事故發(fā)生或降低損傷程度。[10]

4 結(jié)束語

對(duì)比2020版Euro NCAP MPDB工況與現(xiàn)行ODB工況發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一款車，MPDB工況較ODB工況侵入量有所降低，但加速度相位提前，峰值大小和時(shí)刻均存在一定差異。當(dāng)被撞車輛質(zhì)量小于壁障小車質(zhì)量時(shí)，MPDB工況加速度峰值高于ODB工況；當(dāng)被撞車輛質(zhì)量大于壁障小車質(zhì)量時(shí)，MPDB工況加速度峰值低于ODB工況；當(dāng)被撞車輛與壁障小車質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，MPDB工況加速度峰值與ODB工況相當(dāng)，且相位偏差最小。隨著被撞車輛質(zhì)量與壁障小車質(zhì)量差異的增大，MPDB工況和ODB工況加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大。

針對(duì)MPDB工況對(duì)中小型車輛沖擊較大的問題，結(jié)合分析結(jié)果提出2點(diǎn)改進(jìn)方向：在車身前艙設(shè)計(jì)中，前保橫梁要足夠強(qiáng)，前縱梁要有一定的Y向抗彎能力，如抗彎性能不足，可以采用輔助結(jié)構(gòu)，通過前結(jié)構(gòu)整體剛度匹配，保證前縱梁抗彎性能，使前縱梁呈現(xiàn)Y向“Z”字形穩(wěn)定折彎模式；對(duì)于前艙機(jī)械布置，左側(cè)縱向空間硬物應(yīng)盡量避免過于集中，前艙硬物布置應(yīng)合理分散。

隨著新車安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新和完善，新材料、新技術(shù)不斷突破和革新，乘用車安全性能的設(shè)計(jì)也將不斷優(yōu)化，推動(dòng)乘用車主動(dòng)安全技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，最終達(dá)到徹底避撞，提高道路交通安全性。

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（編輯 付宇靚）