雨刮行人保护结构及其设计要点分析

韦富贵

摘 要：雨刮位于汽车行人保护的头型保护区域，在设计过程中需要考虑压溃吸能结构，为满足汽车对行人的碰撞保护要求，本文介绍了汽车雨刮的压溃结构及其设计要点，并对其试验方法进行简要说明，为其他车型的优化或设计提供参考。

关键词：雨刮 行人保护 压溃

1 引言

基于GTR09制定的行人保护法规《汽车对行人的碰撞保护》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式实施，而C-NCAP《管理规则中》中对行人的头部（包括成人和儿童）和腿部（上、下腿型）保护性都提出更为严格的要求[1]。雨刮行人保护旨在降低行人头部伤害，本文主要介绍雨刮的行人保护结构，并对其设计控制要点进行介绍。

2 行人保护介绍

在C-NCAP管理规则中，行人保护的评价由头部和下腿部2部分组成[2]，头部保护见图1。

在《汽车对行人的碰撞保护》（GB/T 24550—2009）中，对行人的头部伤害进行了详细分解说明，但每一款车的造型有差异，相关的头型伤害指数各不相同，但都要求车身在碰撞后都能吸能溃变，降低行人收到的伤害。

雨刮电机连杆总成位于行人保护头部碰撞区域之内，因此在设计开发过程中就需要考虑吸能结构。随着汽车工业的快速发展，驾乘人员的视野要求越来越高，越来越多的车型通过风挡装饰板的合理造型与雨刮总成的合理布置，将雨刮输出轴布置在发动机盖下方，这样头部碰撞时无法与雨刮轴直接接触，在一定程度上降低头部伤害值，降低了雨刮的设计难度。但该方式对雨刮的总布置要求较高，而且就算雨刮布置在发动机盖下方，由于空间限制，发动机盖在碰撞过程中的变形还是会接触雨刮轴，同样会对行人头部造成伤害。所以可以根据要求设定合理的雨刮压溃力，在碰撞过程中，雨刮受力达到极限值时整体压溃下沉，增加碰撞吸能空间，从而降低行人头部伤害[2]仍然是必要的。

3 雨刮行人保护结构介绍

雨刮的行人保护结构通过被压溃实现，压溃结构主要分溃缩结构和溃断结构。

3.1 溃缩结构

溃缩结构中（参见图2），雨刮在无外力条件下，挡圈装配到摆轴卡槽里面，确保摆轴不会下沉。行人头部撞击后，雨刮挡圈受力后开口尺寸增大后从摆轴卡槽中退出，止动失效，摆轴吸能后溃缩下沉，减小行人收到的伤害。

3.2 溃断结构

溃断结构中（参见图3），支座设计时设计应力集中点，行人头部撞击时，支座吸能后溃断，整体下沉，减小行人收到的伤害。

4 雨刮行人保护结构设计要点

受整车造型及相关结构设计影响，各主车厂对碰撞力的要求不一，不过绝大多数主车厂要求在1000N～2000N范围内，即摆轴受到1000N的正压力，行人保护结构不能压溃（确保正常的功能要求），摆轴受到2000N的正压力，行人保护结构必须要压溃（确保行人保护结构有效）。在雨刮设计时，需要对行人保护结构进行校核分析及设计验证，以满足主车厂要求。

4.1 溃缩结构

根据溃缩结构的受力分析（参见图4），图示水平方向有：

F弹力+μ*F正压力*sinα=F正压力*cosα ①

图示竖直方向有：

F压脱力=μ*F正压力*sinα+F正压力*μ*cosα ②

整理①、②得到：

F压脱力=F弹力*（sinα+μ*cosα）/（cosα-μ*sinα） ③

通过③式可知，挡圈的弹力、摆轴环槽斜面角度α以及摆轴环槽斜面摩擦系数μ决定了其压脱力，其中基本上雨刮生产商的挡圈结构尺寸及材料均已固定（内部标准件）。在应对不同客户要求是（压溃力不同），需要不同的环槽斜面角度及环槽斜面摩擦系數，环槽斜面摩擦系数由其表面粗糙度决定。

摆轴溃缩的行人保护结构中，要重点控制摆轴环槽的斜面角度及其表面粗糙度，该结构对摆轴加工工艺性和一致性要求较高，但压溃后可以恢复。

4.2 溃断结构

因为溃缩结构对摆轴加工的共一箱和一致性要求较高，很多主车厂和供应商均选择了溃断结构，下面以图3所示的常用结构进行应力分析。

在模拟装配固定零件后，支座的最大应力点应与设计相符，满足设计要求，针对不同应力的下的溃断要求，对应力集中点强度进行优化。

关于溃断结构的行人保护中，主要通过溃断位置的零件料厚及折弯倒角来控制，参见图6～图8。

结构1、结构2中料厚主要控制零件强度，应力集中点折弯半径对压溃力的贡献量会比较突出，结构3中料厚影响较大，该结构不利于控制零件强度，市场运用中较少。

另外，溃断结构中，还需要确认溃断后零件下沉空间是否满足（参见图9），如下沉空间不能满足，则溃断失效。

5 雨刮行人保护试验

雨刮设计生产后，需要通过实车碰撞模拟试验或模拟安装后压溃试验来进行验证，保证行人保护结构是否满足要求。

（1）实车碰撞模拟试验中，试验头型以规定的角度、冲击速度对试验区域进行碰撞，要求试验区域的HIC（头部伤害指数）满足相关要求，首先检测雨刮轴是否会被接触，若接触且受力要求触发行人保护条件，则需检查雨刮是否被压溃。若雨刮摆轴受到的冲击不足以触发，应尽量保证雨刮强度，保证在雨刮在正常的物流转运，装配及正常的使用寿命及强度要求。

（2）模拟安装后压溃试验需要整车模拟计算分析，给出对应的压溃力要求，通常会给出压溃力的上下限，下限及保证雨刮自身的强度，上限即为压溃结构的承载极限。该试验中需要根据车身安装点制作雨刮安装台架，模拟实车安装将雨刮固定在台架上，按照规定的加力速度对雨刮摆轴进行压溃试验，检查压溃力是否满足要求。

6 结语

雨刮的行人保护结构主要有摆轴溃缩及支座溃断两种，不同的结构其压溃原理不同，在生产制造过程中，支座溃断结构在汽车生产中使用较多，但由于摆轴溃缩结构的可恢复性（维修成本低），仍有少量汽车生产制造厂采用该结构。本文结合生产制造经验对摆轴溃缩及支座溃断两种主流的雨刮行人保护结构进行介绍，对行人保护的试验方法进行描述。可通过优化设计来提高行人头部碰撞的得分，从而达到满足行人保护法规要求，为整车安全提供理论依据。

参考文献：

[1]谭冰花，赵正，李博.C-NCAP （2018） 行人保护对汽车设计开发的影响（J）计算机辅助工程.2017（05）.

[2]《C-NCAP管理规则》（2021版）.

[3]肖育林.雨刮行人保护设计在汽车研发中的应用（J）上海汽车.2015（05）.