董玉杰 楊帆 宋建新 任鵬

（北汽福田汽車(chē)股份有限公司，北京102206）

1 前言

車(chē)身作為汽車(chē)重要的組成部分，其質(zhì)量占到汽車(chē)總質(zhì)量的30%～40%，因此車(chē)身的輕量化對(duì)整車(chē)的輕量化起著重要的作用。熱成型技術(shù)的應(yīng)用能夠減輕車(chē)身質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，成為滿足汽車(chē)降重和增強(qiáng)碰撞性能的重要途徑[1],在乘用車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。隨著商用車(chē)日趨嚴(yán)格的碰撞法規(guī)要求升級(jí)及輕量化超載、治載法規(guī)的加嚴(yán)，在商用車(chē)車(chē)身中應(yīng)用熱成型件設(shè)計(jì)，成為一種有效手段。

2 研究背景

由交通部發(fā)布的JT/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件第1部分：載貨汽車(chē)》附錄C《駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法和生存空間檢驗(yàn)用人體模型要求》于2018-05-01實(shí)施，過(guò)渡期為29個(gè)月，2020年9月1日后全面實(shí)施[2]。和目前執(zhí)行的GB 26512—2021《商用車(chē)駕駛室乘員保護(hù)》法規(guī)相比，主要是針對(duì)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量在7.5 t以上的載貨汽車(chē)增加了試驗(yàn)難度，具體內(nèi)容如下[3]。

a.正面前拍測(cè)試打擊能量增加，由原來(lái)的44.1 kJ增加到55 kJ；

b.增加雙A柱打擊測(cè)試項(xiàng)目，打擊能量為29.4 kJ；

c.在進(jìn)行頂部強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，在進(jìn)行平板正壓前，先進(jìn)行斜部拍擊，拍擊能量為17.6 kJ。

3 熱成型件選材方案

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為滿足法規(guī)要求，同時(shí)滿足輕量化需求，需對(duì)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量在7.5 t以上的車(chē)型進(jìn)行駕駛室強(qiáng)度升級(jí)對(duì)車(chē)身方案進(jìn)行優(yōu)化。按照法規(guī)要求，某產(chǎn)品線7.5 t以上基礎(chǔ)車(chē)型進(jìn)行駕駛室強(qiáng)度分析，分析結(jié)果為駕駛室強(qiáng)度不能滿足JT/T 1178.1—2018法規(guī)要求，基礎(chǔ)車(chē)身駕駛室強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)車(chē)身駕駛室強(qiáng)度分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

載貨汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種為“內(nèi)板+外板”結(jié)構(gòu)，一種為“框架式結(jié)構(gòu)”，外表蒙皮不受力。“內(nèi)板+外板”結(jié)構(gòu)駕駛室加強(qiáng)優(yōu)化方案為采用內(nèi)板和外板之間加入高強(qiáng)度鋼加強(qiáng)板方法，框架式結(jié)構(gòu)駕駛加強(qiáng)方案為優(yōu)化關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，對(duì)于重要的力學(xué)傳遞路徑要保證設(shè)計(jì)為封閉截面以提高抗彎剛度，對(duì)連接的各部件接頭提高剛度的優(yōu)化方案[4]。

本研究中需升級(jí)駕駛室強(qiáng)度的車(chē)身為“內(nèi)板+外板”結(jié)構(gòu)。如果采用增加加強(qiáng)板方案，勢(shì)必增加車(chē)身質(zhì)量，與目前倡導(dǎo)的“輕量化車(chē)身”相悖，并且會(huì)影響焊接工藝,如原來(lái)的兩層板焊接增加到三層板焊接，會(huì)增加焊接工藝成本及周期；原來(lái)的三層板焊接增加到四層板焊接，會(huì)導(dǎo)致板料過(guò)厚焊不透，需要通過(guò)調(diào)節(jié)焊接工藝保證車(chē)身焊接強(qiáng)度，都會(huì)引起成本增加。所以綜合兩種方法制定車(chē)身加強(qiáng)方案。

首先確定各試驗(yàn)項(xiàng)目力學(xué)傳遞路徑，如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和力學(xué)傳遞路徑制定如下加強(qiáng)方案。

圖1 駕駛室強(qiáng)度力學(xué)傳遞路徑

a.前部拍擊試驗(yàn)。增加左右地板邊梁，使左右縱梁和地板邊梁共同承擔(dān)載荷，通過(guò)4條傳力路徑分散打擊能量；保證車(chē)身縱梁、地板邊梁貫通地板。

b.A柱打擊試驗(yàn)。A柱采用激光拼焊工藝，在窗框下沿以上的部分使用強(qiáng)度較低的材料能夠變形吸能，窗框下沿以下部分使用高強(qiáng)度鋼減小變形，并增加車(chē)門(mén)防撞梁強(qiáng)度，控制儀表板和管柱的后傾，保證試驗(yàn)后乘員腿部生存空間。

c.頂部強(qiáng)度試驗(yàn)。增減頂部框架強(qiáng)度，在進(jìn)行20°斜拍時(shí)能夠減小頂部框架變形，保證斜拍完車(chē)身能夠最大程度回正；平壓時(shí)，載荷主要由A柱和B柱共同承擔(dān)，由于在A柱打擊時(shí)，A柱上半部分需要弱化，所以需要加強(qiáng)B柱強(qiáng)度，并增加后圍縱向加強(qiáng)梁使其梁貫通到地板增加平壓時(shí)駕駛室強(qiáng)度。

3.2 設(shè)計(jì)方案

由于熱成型材料具有高溫下塑性好、延展性高、變形抗力小等優(yōu)點(diǎn)，此次駕駛室強(qiáng)度法規(guī)升級(jí)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案主要是采用對(duì)在力學(xué)傳遞路上的關(guān)鍵部件使用熱成型鋼保證碰撞車(chē)身安全性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化降重。

車(chē)身主要零部件優(yōu)化后的高熱成型用材與原車(chē)身用材對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 車(chē)身用材優(yōu)化前后對(duì)比

加強(qiáng)方案如圖2所示。車(chē)身總質(zhì)量252 kg，熱成型材料應(yīng)用32.5 kg，應(yīng)用占比12.9%。材料性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 材料性能對(duì)比

圖2 車(chē)身加強(qiáng)方案

4 加強(qiáng)方案仿真分析驗(yàn)證

通過(guò)CAE仿真分析對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行驗(yàn)證，由于基礎(chǔ)車(chē)型后圍強(qiáng)度滿足法規(guī)要求，所以?xún)H對(duì)前三項(xiàng)試驗(yàn)（前部拍擊、雙A柱打擊、頂部強(qiáng)度）進(jìn)行分析，分析結(jié)果為加強(qiáng)方案滿足駕駛室強(qiáng)度法規(guī)要求，具體如下。

a.前部拍擊試驗(yàn)，駕駛室向后有一定的位移量，駕駛室整體變形較小，車(chē)架與車(chē)身連接處發(fā)生變形。按法規(guī)要求將規(guī)定的人體模型安放到座椅上，存在生存空間（圖3a）。前部拍擊試驗(yàn)滿足駕駛室強(qiáng)度要求。

b.雙A柱打擊試驗(yàn)，A柱上段變形吸能，下段處及B柱整體變形較小，向后傾斜量較小。存在乘員生存空間（圖3b）。雙A柱打擊試驗(yàn)滿足駕駛室強(qiáng)度要求。

c.頂部強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)壓板下壓154 mm時(shí)，頂部承載力達(dá)到目標(biāo)值98 kN，并且駕駛室內(nèi)頂部滿足乘員生存空間（圖3c）。頂部強(qiáng)度試驗(yàn)滿足駕駛室強(qiáng)度要求。

圖3 加強(qiáng)方案分析結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案在樣車(chē)中體現(xiàn)后，按照J(rèn)T/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車(chē)》附錄C《駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法和生存空間檢驗(yàn)用人體模型要求》進(jìn)行了駕駛室強(qiáng)度認(rèn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下。

a.試驗(yàn)后，駕駛室應(yīng)存在生存空間；

b.試驗(yàn)中，駕駛室通過(guò)固定點(diǎn)與車(chē)架保持連接，沒(méi)有發(fā)生變形和損壞；

c.試驗(yàn)中，車(chē)門(mén)沒(méi)有打開(kāi)。

試驗(yàn)一次性通過(guò)。車(chē)身變形與乘員空間檢查如圖4所示。

圖4 駕駛室強(qiáng)度認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

6 項(xiàng)目收益

通過(guò)車(chē)身熱成型件選用，駕駛室強(qiáng)度滿足JT/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車(chē)》附錄C《駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法和生存空間檢驗(yàn)用人體模型要求》，且車(chē)身質(zhì)量目標(biāo)及成本效益目標(biāo)達(dá)到要求。具體如表4所示。

表4 項(xiàng)目達(dá)成情況

7 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)駕駛強(qiáng)度測(cè)試項(xiàng)目力學(xué)傳遞路徑分析，制定車(chē)身加強(qiáng)方案：采用對(duì)關(guān)鍵力學(xué)傳遞路徑的部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首次在商用車(chē)中使用熱成型技術(shù)作為提高車(chē)身強(qiáng)度。白車(chē)身總質(zhì)量253 kg，熱成型鋼應(yīng)用32.5 kg，熱成型鋼應(yīng)用占比12.9%。

b.將加強(qiáng)方案在樣車(chē)中體現(xiàn)后，按照J(rèn)T/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件第1部分》載貨汽車(chē)附錄C《駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法和生存空間檢驗(yàn)用人體模型要求》進(jìn)行認(rèn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)一次性通過(guò)，并且成本和質(zhì)量也滿足目標(biāo)要求。