基于行人头部碰撞保护的发动机罩结构设计

李子云 李峥 李涛 李燕龙 杨飘 罗鑫 陈文

（东风汽车公司技术中心）

在美国和欧洲等汽车发达国家和地区，行人保护已经成为强制性法规要求，是汽车基本的市场准入要求，同时也是Euro-NCAP评分内容中的一项。我国仍然属于人车混合的交通状况，汽车碰撞事故频繁发生。在汽车与行人碰撞事故中，行人属于弱势群体，加上现阶段汽车缺乏对行人保护的措施，行人伤亡严重。随着人们对行人保护意识的不断提高，2009年我国出台了GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》，而且2018版C-NCAP将会加入行人保护的考察项目。此外，在人车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位都有可能受到损伤，但不同部位的损伤程度会根据其生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同而有所不同。在人车碰撞事故中行人的头部是最易受到重度损伤的部位（80%），其次为胸部（7%）、脊柱（6%）及腹部（6%）。而受到中度损伤比例最高的部位为下肢（37%），其次为头部（35%）[1]。由此可见，人车碰撞事故中行人头部是最易受到伤害的部位。文章在车型开发的过程中，以GB/T 24550—2009为基准，以CAE计算精度修正设计目标，通过主要的3种设计方法对发动机罩结构进行优化，有利于提高行人头部的保护。

1 设计目标

按照GB/T 24550—2009[2]9的规定，并根据CAE分析计算精度，在设计时一般留有20%的安全余量，所以车型存在儿童和成人头部碰撞区域中，头部损伤指数（HIC）在至少一半的儿童头部试验区域HIC≤800，2/3以上的成人头部和儿童头部合计试验区域HIC≤800，2个头型剩余区域HIC≤1 360；如果只有儿童头部碰撞区域，2/3以上的试验区域HIC≤800，剩余区域HIC≤1 360。

图1示出发动机机罩头部碰撞的高HIC区（红色）、风险区（黄色）和安全区（绿色）划分图。风险区往往出现在机罩前缘与前格栅交界区Ⅰ、机罩前缘与大灯交界处Ⅱ、机罩侧边和翼子板分缝处Ⅲ和机罩后缘角部Ⅳ，并且局部区域HIC＞1 360（红色区域）[3]。

图1 发动机机罩头部碰撞区域划分图

根据法规要求和HIC区域分布情况，行人头部碰撞保护设计目标分3种情况：1）任何碰撞点的HIC均需要小于1 360；2）缩小风险区的面积（图1中红色区域）；3）扩大安全区的面积（图1中绿色区域）。

2 设计方法及结构设计

2.1 避开碰撞风险区

2.1.1 机罩前部造型优化

儿童头部碰撞区域的前基准线是WAD1000或者机罩前缘基准线向后82.5 mm，测量点取靠后的点。机罩前缘基准线是长1 000 mm的直尺从垂直方向后倾50°，直尺底端距离地面600 mm，机罩表面接触点的几何轨迹，如图2所示。WAD1000是用长1 000 mm柔性卷尺在汽车纵向垂直平面内沿着汽车前部结构横向移动形成的几何轨迹（图2）[2]1-3。

图2 机罩前缘基准线和WAD1000示意图

无论是哪种边缘线的设定为前部区域边缘线，降低机罩头部造型，都可以让儿童头部碰撞区域尽量远离机罩与前端环境件的分缝，避开碰撞风险区域，如图3和图4所示。

图3 机罩头部造型降低前后前缘基准线位置对比示意图

图4 机罩头部造型降低前后WAD1000位置对比示意图

2.1.2 机罩侧部造型优化

机罩侧面基准线是由长700 mm直尺内倾45°与侧面的相交，接触点形成的几何轨迹，如图5所示[2]4。如果直尺先与翼子板接触，头部碰撞区域会落在机罩与翼子板的分缝处；如果直尺先与机罩接触，头部碰撞区域可以避开机罩与翼子板的分缝（图6）。所以，将机罩CAS面相应抬高而翼子板CAS面下压，使得直尺尽量先与发动机罩CAS面相切，避开机罩与翼子板的分缝。

图5 机罩侧面基准线确定方法示意图

图6 机罩与翼子板分缝优化前后对比

2.2 增大溃缩空间

铰链活动臂与指梁的间距为h。机罩铰链处常被选作碰撞测试区域，提高h，至h≥10 mm（如图7所示），能够有效地降低机罩铰链处的HIC，详细数值，如表1所示。

图7 铰链活动壁与指梁的间距（h）位置示意图

表1 铰链优化前后头部损伤指数（HIC）对比表

2.3 弱化零部件局部结构

2.3.1 弱化缓冲块安装支架

缓冲块安装支架处属于风险区（黄色圆框内），HIC偏高，常常超过1 360；缓冲块安装支架结构开孔弱化后（如图8所示），能够有效地降低HIC，详细数值，如表2所示。

图8 缓冲块安装支架结构对比图

表2 某车型优化前后头部损伤指数（HIC）效果对比

2.3.2 溃缩式锁扣

传统的锁扣采用1根φ8不锈钢材质的棒，较难发生弯曲变形。溃缩式锁扣在传统锁扣的基础上更改成2个镂空的锁片与不锈钢棒铆接，如图9所示。当行人头部碰撞在机罩锁区域处时，2个锁片可以发生溃缩变形，从而影响机罩锁区域处的1，2，3点的HIC有效降低（如图10所示），改善效果对比，如表3所示。

图9 锁扣结构形式对比图

图10 机罩锁扣影响的3个点位置示意图

表3 机罩锁扣头部损伤指数（HIC）改善效果对比

3 结论

文章基于GB/T 24550—2009和CAE计算精度，提出在避开碰撞风险区方法中，降低车型头部造型和优化机罩与翼子板的分缝位置均可以避开碰撞风险区域。在增大溃缩空间方法中，提高机罩铰链活动臂与指梁的间距可以降低此处的HIC，达到设计目标中HIC＜1 360的要求。在弱化零部件局部结构方法中，缓冲块安装支架开孔弱化和传统锁扣改成溃缩式锁扣都可以降低碰撞点的HIC，HIC最大降幅达到892。这对于汽车行人保护开发方面具有实际借鉴意义。