基于行人保护的发动机罩铰链研究进展

周超军，段勋兴，刘志翔，胡龙军

（1.重庆化工职业学院，重庆 401220；2.爱德夏汽车零部件（重庆）有限公司，重庆 401254）

随着各国行人保护法规的推进，行人保护逐渐受到各汽车厂商的重视，成为汽车安全领域的前沿和热点问题[1-2]。汽车发动机罩作为头部撞击的集中区域，其区域内的发动机罩铰链作为发动机罩内部硬点，发动机罩铰链故障会对驾乘人员和行人造成危险[3]。基于行人保护，各大整车生产厂商、零部件企业、高校、科研机构对发动机罩铰链进行了研究，各种发动机罩铰链技术和产品得以发展和应用。

本文在对行人保护发展进行综述的基础上，从发动机罩铰链的仿真分析及试验、结构设计两个方面详细介绍了基于行人保护的发动机罩铰链的研究，最后展望了发动机罩铰链的发展方向。

1 行人保护的发展现状

1.1 汽车安全技术面临机遇和挑战

近年来，随着我国经济社会的快速发展，汽车进入千家万户，已成为非常普遍的交通出行工具。汽车在广泛应用的同时，不可避免地会发生各种交通事故[4]。根据《中华人民共和国道路交通事故统计年报（2016—2020年）》中指出，我国道路交通事故伤亡人数、死亡人数以及直接经济损失一直处于高位运行，如表1所示。

表1 我国道路交通事故统计

在汽车产业发展新能源化、智能化、网联化的大方向下，汽车安全技术将面临更多的挑战与机遇[5]。

1.技术更新，纵深发展

从保护人的根本原则出发，汽车安全技术研究向保护策略更精准、更接近实际道路交通工况的方向继续深入。

2.广泛融合，横向拓展

从安全技术与新技术融合多领域交叉的角度，提出新的安全需要应对的风险、场景，拓展出安全技术新的需求与方向，更大范围地为人提供保护。

1.2 行人保护矛盾日益凸显

在车内安全气囊、安全带、坚硬的车身结构等安全技术的保护下，车内乘员的人身安全保护已逐步完善，然而行人在交通体系中却又一直处于最弱势的地位，相比于其他道路使用者，行人通常会面临更大的伤亡风险[6]。

在世界各国的交通事故所导致的行人死亡率统计数据中，中国所占比例最高，达38.89%。在行人与汽车发生碰撞时，行人的各个身体部位都有可能受到不同程度的损伤，其中行人的头部、胸部和下肢面临严重伤害的概率最大。在人车碰撞事故中，行人保护矛盾日益凸显[7]。

1.3 汽车主被动安全技术逐渐融合

行人安全保护方法分为主动安全保护和被动安全保护[8]。主动安全保护方法是在汽车碰撞到行人之前采用一些主动的应急措施来避免事故的发生；被动安全保护方法则是通过对车身结构的优化或者设置添加一些有针对性的防护设备来减轻在人车碰撞过程中行人产生的损伤。

1.行人安全的主动防护方法

1）加强交通管理，加强交通安全素质教育，建立健全相关交通立法；

2）采用电子行人发射/接收器，通过行人随身携带的发生器和安装在汽车上的接收器相互感应来防止人车碰撞事故的发生；

3）采用辅助装置，当驾驶员踩制动踏板力的大小及变化梯度符合紧急制动的条件时，就会迅速增加制动管路的压力，避免或降低汽车与行人碰撞的损伤。

2.行人安全的被动防护方法

1）车身前端各部件的改型，包括保险杠的改进、改进结构降低保险杠的刚性或者提高保险杠部分结构的吸能特性；

2）发动机罩的改型，将发动机罩支撑结构改为更容易压溃的结构、降低发动机罩前缘的刚度或者增加头部碰撞区域下部空间提供缓冲；

3）行人安全气囊，在保险杠和前风窗的位置安装安全气囊，利用传感器检测行人的位置，在碰撞之前将安全气囊弹出[9]；

4）自动弹起式发动机罩，利用发动机罩弹起系统，当安装在车身前端的行人检测传感器检测到行人以及碰撞时，传输信号将发动机罩弹起一段距离，为行人头部碰撞提供缓冲距离。

汽车主被动安全技术逐渐融合是主动安全系统中智能感知模块对于被动安全决策逻辑提供支持[5]。

2 发动机罩铰链的仿真分析及试验现状

目前，发动机罩铰链的仿真分析及试验主要从仿真分析研究和试验验证两个方面开展，以仿真结合试验的方法开展研究，以仿真分析研究为主。

2.1 仿真分析

乔维高等利用数学动态模型（Mathematical Dynamic Model, MADYMO）软件，采用有限元仿真研究了发动机罩参数的变化对行人头部伤害的影响[10]。葛如海等应用LS-DYNA程序，对发动机罩铰链的行人保护性能进行仿真分析，得出压溃式发动机罩铰链科研有效降低行人的头部伤害值（Head Injury Criteria, HIC），可以有效保护行人的头部[11]。杜广智等利用HyperMesh作为前处理软件，以HyperView作为后处理软件，利用LS- DYNA970求解，约束车身六个自由度，行人保护假人部件采用ARUP公司的3.5 kg儿童头部模型，分析发动机罩铰链处的伤害值，并以此为依据改进设计具有压溃台阶的发动机罩铰链[12]。王菊等用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）优化发动机前罩板铰链机构的设计，以行人保护法规（Globally Technical Regulations, GTR）头部碰撞试验要求为基准，提出两种发动机罩铰链及铰链加强板的优化方案，结果表明，结构优化可以有效降低头部伤害值，但结构优化需要考虑布置和结构实际情况[13]。陈立娜等以发动机罩多个结构参数为设计变量，利用有限元计算程序LS-DYNA及OptiStruct进行仿真计算，通过过目标优化设计，发动机罩内板经结果拓扑优化改进后，再安全性、防振性、轻量化等方面都有一定提升[14]。莫富灏建立Ford Taurus的多刚体模型，分析主动式发动机罩弹出高度对行人保护的效果[15]。都雪静等应用结构自动网络生成（ Automatic Net-generation for Structural, ANS）分析软件建立发动机罩和行人头部冲击器的有限元模型，应用LS-DYNA有限元分析软件，研究复合材料发动机罩的行人头部保护，发现发动机罩铰链处的HIC值偏高，通过挖空弱化，铰链减薄，从而减少了铰链对头部的损伤值[16]。权利利用多刚体动力学软件MADYMO与有限元软件LS-DYNA，建立行人多刚体模型与车辆前部有限元模型，通过仿真分析确定主动式发动机罩的抬升高度和执行时间对行人的碰撞伤害的影响，从而确定主动式发动机罩的关键设计参数[17]。ZHANG X Y等针对碰撞实例中发动机罩的铰链断裂，进行结构改进设计，采用多刚体动力学模型进行汽车碰撞墙壁的仿真分析，仿真结果表明，新设计可以大大提高车辆的耐撞性[18]。

综合上述研究，针对发动机罩铰链的仿真分析研究，是利用虚拟的行人或头部模型和车辆模型，模拟仿真各种碰撞事故，获取虚拟行人或头部的运动状态、受力情况及损伤程度，并仿真结果进行分析，从而得到碰撞时行人的损伤机理，以寻求降低行人损伤的发动机罩铰链优化方案，最终实现行人保护的目的。

2.2 试验验证

发动机罩铰链的试验验证研究主要包括局部结构冲击试验和假人碰撞试验。

局部结构冲击试验来自于新车评估规程（New Car Assessment Program, NCAP）和各个国家和地区依据NCAP所推出的地区版本，通过头部模型、腿部模型与车辆的碰撞试验，来还原行人的局部与车辆碰撞时的状态[19]。刘庭志通过试验测试发动机罩的行人保护性能，并就试验结果和有限元仿真结果进行了对比分析，表明两者结果具有一定的相似性[20]。

假人碰撞试验就是利用行人假人与实车进行模拟碰撞[21]，通过行人模型与车辆的碰撞试验，来还原行人与车辆碰撞时的状态。本田公司升级研发了具有更好仿生性能的 PolarIII假人，对头颈部、胸腹部、胫骨、股骨和膝部等部位的碰撞数据进行采集和评价[22]。日本汽车研究委员会研发出一种仿真度更高的柔性腿碰撞器FlexPLI，具有更高的仿真性[23]。Denton公司设计的立姿假人，可以更加仿真地模拟站立状态下行人与车辆碰撞时的损伤状态[20]。

3 发动机罩铰链的结构设计类型

汽车发动机罩作为头部撞击的集中区域，其区域内的发动机罩铰链作为发动机罩内部硬点，如何避免或减轻碰撞事故中行人的头部与发动机舱内部的硬点相碰触时的头部伤害值成为发动机罩铰链结构设计的关键。

基于行人保护的发动机罩铰链结构设计主要有以下几种类型：

3.1 主动式发动机罩铰链

莫富灏分析了弹出式发动机罩对行人保护的效果，弹出式发动机罩明显地降低了HIC值，并使之低于1000[15]。唐小东设计了一种主动式发动机罩铰链装置，并分析举升后的HIC值，表明主动式发动机罩铰链装置对行人能够起到极大保护作用[24]。刘庭志设计了一种双摇杆式主动式发动机罩弹起机构，并研究分析了该机构的行人保护效果，结果表明，行人保护性能良好[20]。

主动式发动机罩铰链，是在发生人-车碰撞事故时，行人头部与发动机罩接触之前把发动机罩抬升一定高度，避免行人头部与发动机罩内硬点的接触，使碰撞对行人头部造成的伤害程度减至最低的一种新技术[17-25]。

主动式发动机罩铰链具有以下优点：

1）在碰撞之前弹起，有效增大变形空间，避免二次碰撞的发生；

2）变形空间的增大可降低发动机罩刚度，有利于实现车辆轻量化设计目标；

3）弹起后发动机罩提供一定行程的弹性支撑，可以有效地缓冲头部碰撞，显著减少头部损伤值。

但是主动式发动机罩铰链存在以下缺点：

1）价格昂贵；

2）对传感器精确性要求非常高。

3.2 压溃式发动机罩铰链

李子云等以增大发动机罩结构的溃缩空间，将铰链活动臂与指梁的间距由4 mm提高至14 mm，仿真结果显示，可以在一定程度上降低头部损伤值[25]。杜广智等通过在铰链支撑件上设置压溃台阶，然后利用计算机辅助分析的方法验证该结构行人保护效果，表明该结构能够有效降低头部伤害值，且增大压溃台阶，可持续降低头部伤害值[12]。葛如海等通过剪切销的形式为发动机罩铰链提供压溃空间，用计算机辅助分析的方法验证该结构会显著降低头部伤害值，但是该结构需要较大的安装空间[11]。袁俊彪等通过设置压溃台阶和削弱槽的方式，设计压溃式发动机罩铰链，有效降低行人头部碰撞损伤值[26]。王宏雁等采用可溃式铰链销钉（直径为8 mm的聚丙烯（Polypropylene, PP）工程塑料），作为主动式发动机罩铰链结构，通过试车试验，验证了该结构保护效果明显[27]。LEE J W等将发动机罩铰链高度作为发动机罩铰链的一个设计变量，研究发现发动机罩铰链高度对行人头部伤害具有一定影响[28]。

综合上述研究，压溃式发动机罩铰链，是在撞击时使发动机罩铰链结构发生塌陷，增加了发动机罩的变形空间，从而削弱行人头部损伤。但压溃式发动机罩铰链设计存在以下缺点：

1）对发动机罩铰链的结构强度进行设计匹配使其到对行人头部保护效果与车辆相关使用要求之间难以平衡，如果易压溃则需要的变形空间较大，如果难压溃则行人保护的效能又会受到影响；

2）发动机罩弹起时会将铰链机构破坏，铰链不可重复使用；

3）由于造型的需要和发动机舱的布置等因素，发动机罩下方的自由空间达不到要求；

4）铰链侧向刚度较低。

3.3 结构优化设计发动机罩铰链

汪俊等以延长铰链支架长度的方式来规避铰链旋转中心对行人头部撞击的风险，但该种形式会加大铰链尺寸，提高发动机罩铰链布置难度[29]。王菊等通过弱化铰链和修改铰链及铰链加强件，来优化发动机罩铰链的行人保护功能，取得明显效果，但车辆前部布置和发动机罩铰链结构情况会阻碍相关结构优化的实施[13]。

通过优化可以有效降低发动机罩铰链对于头部的伤害值，但结构优化设计发动机罩铰链存在以下缺点：

1）结构优化提高了车辆前部造型的约束及铰链的布置难度；

2）通过优化可以降低铰链伤害值，但仍然给头部碰撞带来很大的潜在风险和困难；

3）弱化刚性部位对铰链的加工工艺提出较高的要求，成本增加。

3.4 可折叠变形式发动机罩铰链

王新等提出一种可折叠变形式发动机罩铰链，以铰链向内折叠的方式，提升发动机罩在纵向上的缓冲空间，从而降低或避免头部与发动机罩铰链发生碰撞时的损伤，具有可重复利用、变形可靠、成本大大降低、没有误弹起等优点[30]。但可折叠变形式发动机罩铰链存在以下缺点：

1）铰链高度过高，会造成横向刚度降低；

2）铰链折叠结构和尺寸占用汽车发动机舱内部空间，增加了布置和通用性难度。

4 发动机罩铰链研究展望

发动机罩铰链经过广大高校、企业、科研机构等研究，在仿真分析及试验、结构设计等方面均取得了丰硕成果，伴随科学技术的发展，基于行人保护的发动机罩铰链的研究将不断完善。对发动机罩铰链未来的研究如下展望：

1）主动被融合的智能化汽车安全的提挡升级。基于主动被融合的智能化安全是汽车安全技术的必然趋势，结合智能感知、主动控制等技术，发动机罩铰链做出更加合理的响应，避免或降低碰撞所带来的行人损伤；

2）开发和应用具有高生物保真度有限元模型，建立更加准确的仿真模型，在降低成本的同时提供可供试验参考的仿真结果；

3）研制高仿生性假人和局部碰撞器，高度还原真实碰撞场景的行人损伤状态，为行人保护提供更为可靠的试验验证；

4）研发代替原有的发动机罩铰链的新材料，寻求结构强度和行人保护效能平衡的新材料；

5）随着传感器技术的不断进步，主动式发动机罩铰链作为一种使碰撞对行人头部造成的伤害程度减至最低的新技术，将逐步成为发动机罩铰链的研发及应用趋势。

5 结语

在汽车安全技术面临机遇和挑战，行人保护矛盾日益凸显，汽车主被动安全技术正逐渐融合，主动式发动机罩铰链需求日益增加，汽车发动机罩作为头部撞击的集中区域，其区域内的发动机罩铰链作为发动机罩内部硬点，基于行人保护的发动机罩铰链的研究和推广势在必行。通过主动被融合的智能化汽车安全的提挡升级、开发和应用高生物保真度有限元模型，研制仿生性能更好的假人和假人局部碰撞器，研发行人保护性能更好的新材料。研发和推广应用主动式发动机罩铰链，基于行人保护的发动机罩铰链将得到极大进步，有利推动汽车发动机罩区域行人保护的性能，降低汽车交通事故的伤亡人数。