（北汽福田汽車工程研究院,北京,102206） 

摘  要：作者對M2類平頭輕型客車進行研究，通過對歐洲VAN、豐田新海獅的碰撞性能進行深入研究，歸納總結國內M2類平頭輕型客車碰撞安全性能設計方法，最后通過某型M2類平頭輕型客車碰撞CAE分析，得出一些結論供讀者和汽車設計人員參考

關鍵詞：碰撞；輕型客車

Study on M2 light bus crashworthiness

TANG Bo ，ZHAO Xiaohong

（BEIQI FOTON Motor Co,Ltd, Beijing,102206）

 

Abstract：There are many research in M2 light bus crashworthiness, some advise and analysis were advanced on management on M2 light bus crashworthiness, such as IVECO and TOYOTA HIACE .In this paper, author introduce many domestic and abroad M2 light bus crashworthiness, and discuss this study experience together.

Key words：crash；light bus

 

1. M2類平頭輕型客車在中國市場潛力巨大

M2類客車是指包括駕駛員座位在內大于9座、最大設計總質量小于等于5噸的客車。其中10座——13座是目前旅行車和商務車最實用的座位數，車型主要以歐洲的VAN和日本的豐田新海獅為代表的兩種典型車型。由于歐洲VAN采用發動機前置和前部短鼻設計（例如圖1南京依維柯和圖2福特全順），這類車型碰撞安全性能相對于平頭客車有明顯提高。但是目前中國整車碰撞法規沒有對M2類客車沒有強制性法規要求，并且長頭客車在空間利用率比平頭客車低，價格也比平頭客車高，因此以豐田新海獅（圖3所示）為標桿的M2類輕型客車在中國市場有非常大的市場。目前國內多個廠家都以豐田新海獅為技術標桿設計具有自主知識產權M2類平頭輕型客車。

              圖1  長頭結構的南京依維柯客車            圖2長頭結構的福特全順客車

     圖3平頭結構的豐田新海獅輕型客車

圖4  豐田新海獅匹配雙安全氣囊

豐田新海獅雖然是M2類平頭客車，但是其配備了預張緊限力安全帶、雙安全氣囊（圖4所示）、吸能轉向管柱、前部碰撞安全吸能機構等等先進配置，其碰撞安全性能完全可以滿足M1類的碰撞強制性法規。豐田新海獅的座位數在10座—13座，可以滿足旅行車和商務車的需求，也可以根據實際需要改裝為接送學生的校車、房車、指揮車、封閉式貨車等等。自主品牌的M2類輕型客車價格區間在9萬——13萬，比同等配置的長頭旅行車和商務車便宜4萬元以上，其市場潛力非常巨大，將成為南京依維柯和福特全順最強勁的競爭對手。

 

2. 某款M2類平頭輕型客車碰撞安全性能開發的難點

某款M2類平頭輕型客車碰撞安全性能開發的目標是中國正面碰撞安全法規GB11551-2003，雖然對M2類客車不是強制性法規，但是作為旅行車和商務車的技術賣點，碰撞安全性能必須要滿足M1類的法規要求，并且匹配預張緊限力安全帶、雙安全氣囊、吸能轉向管柱。但是由于平頭結構必然造成碰撞吸能區域過于短小，很難滿足50km/h的正面碰撞前部吸能壓縮空間要求。在碰撞當中方向盤向后和向上發生位移，必然對駕駛員造成嚴重的傷害。很多同類車型在碰撞試驗當中都無法滿足GB11551-2003的要求。

作者對某款M2類平頭輕型客車（圖5所示）進行碰撞安全性能CAE分析，對此類車型的碰撞安全性能開發難點進行詳細闡述。作者采用HYPERWORKS做前后處理，采用LS-DYNA做計算，總模型的網格數量高達154萬，網格劃分尺寸為10mm，最小網格尺寸為3mm，其中前縱梁吸能區域的網格尺寸為5mm，用LS-DYNA軟件20個CPU計算時間為20小時。圖5 某款M2類平頭輕型客車的CAE模型       圖6 某款M2類平頭輕型客車碰撞CAE分析結果          圖7 某款M2類平頭輕型客車碰撞正面視圖  圖8 某款M2類平頭輕型客車碰撞加速度

圖9 防火墻和乘員艙的碰撞變形    圖10 對乘員艙變形的評價

根據以上分析（圖6—圖10所示）發現，目前本車型的前部變形吸能空間無法滿足GB11551-2003法規的要求，車門（圖7所示）出現了擠壓變形，必然造成前排車門在碰撞試驗后無法打開，防火墻向乘員艙的侵入量過大（圖9所示），其中兩個膝蓋位置的變形量已經為POOR（圖10所示），必然造成駕駛員的大腿傷害值超標。方向盤匹配了下端壓潰吸能裝置，沒有造成嚴重的向后和向上的位移。

 

3. 對某款M2類平頭輕型客車碰撞安全性能的改進

根據以上的CAE分析結果，對于前門無法正常打開的問題，經過碰撞團隊討論認為前部的碰撞吸能空間過于小，經過計算碰撞安全吸能區域的長度要大于500mm，碰撞必須在A柱位置變形全部停止，并且防止出現過度的PITCH（尾部跳起）。具體的解決方案為：吸能端在現有的基礎上增加50mm，吸能端采用超高強度鋼，其抗拉強度大于800MPa；防止縱梁吸能端出現過度的折彎（圖11和圖12所示）。

圖11 改進后的縱梁吸能壓潰形式 

     

 圖12 改進后的加速度與變形曲線

    對于本款車型的乘員約束系統，必須匹配吸能式轉向管柱，防止因為下部轉向機構變形造成方向盤向上和向后的位移，其吸能式轉向管柱的壓潰力為2KN。經過分析發現，下部壓潰端在碰撞當中壓縮了60mm，有效防止了因為轉向機碰撞變形造成的位移（圖13和圖14所示），從而保護駕駛員的胸部。

 

圖13 碰撞前的轉向系統       

圖14 碰撞后的轉向系統

4. 對安全氣囊ECU固定位置的分析

為了保證某款M2類平頭輕型客車順利通過中國正面碰撞強制性法規GB11551-2003，并且作為本車型配置和技術上的賣點，必須要給本款車型匹配雙安全氣囊。安全氣囊的ECU通常固定在防火墻后的動力通道前端，但是本款車采用中置發動機，發動機在前排座位下方，前部沒有傳統意義上的動力通道，現有ECU位置在碰撞試驗當中會發生塑性變形（圖15所示），必然影響安全氣囊ECU的正常工作以及安全氣囊起爆時間。ECU安裝支架需要做激振試驗，要求局部第一階振動頻率大于500Hz。通過LS-DYNA的隱式算法計算發現，現有的ECU安裝支架局部第一階振動頻率僅僅為350Hz，需要增加ECU安裝支架的剛度。

經過多輪分析，將防火墻的厚度從0.8mm增加到1.2mm，安裝支架從1.0mm增加到2.0mm，并且在安裝支架上增加橫向和縱向的筋槽，將ECU安裝支架第一階振動頻率（圖16所示）從350Hz提升到682Hz，同時也減少了ECU安裝支架在碰撞當中的變形量，有效提高了安全氣囊的整體安全性能，防止因為ECU支架出現的誤爆現象。

        圖15  某款M2類平頭輕型客車ECU安裝支架 

       

       圖16  安全氣囊ECU安裝支架的模態分析

因為M2類平頭輕型客車的前部吸能端很短，安全氣囊的引爆時間必須控制在18ms以內，方向盤的傾斜角度為35度，在碰撞當中有效保護駕駛員的頭部、頸部、胸部。預張緊限力安全帶的引爆時間控制在15ms以內，必須保證預張緊限力安全帶的引爆時間比安全氣囊提前3ms，才能保證預張緊限力安全帶和安全氣囊協調工作，以更好保護駕駛員和乘員。

 

5. M2類平頭輕型客車碰撞安全性能開發的總結和建議

M2類平頭輕型客車主要用作旅行車和商務車，相對于其它低廉的中巴車，其碰撞安全性能是非常重要的賣點。雖然整車碰撞安全強制性法規對M2類客車沒有要求，但是要在前期設計當中考慮碰撞安全性能。

第一，M2類平頭輕型客車不是MPV，在C-NCAP和EURO-NCAP當中都沒有對M2類平頭輕型客車進行測試，因為其碰撞安全性能的設計目標為GB11551-2003，其它的法規不要過于考慮，否則會造成車輛的成本增加和設計資源浪費；

第二，傳統認為平頭車碰撞安全性能不如長頭車，這是片面的論證；M2類平頭輕型客車在匹配預張緊限力安全帶、雙安全氣囊、吸能式轉向管柱、前部碰撞安全吸能機構等配置之后，M2類平頭輕型客車的碰撞安全性能可與長頭車相媲美；

第三，M2類平頭輕型客車在中國有非常大的市場，在最近的三年之內將有爆發性的增長。從保護車輛內乘員安全的角度出發，M2類平頭輕型客車必須要考慮碰撞安全性能。建議：在最近修改的《汽車正面碰撞的乘員保護》法規當中，將M2類10座—13座的旅行車和商務車納入到法規考察車型范圍之內，通過強制性法規提高M2類平頭輕型客車的碰撞安全性能。

 

 

參考文獻：

[1]  唐波，基于LS-DYNA軟件利用爆炸法預測卡車車架開裂位置，《商用汽車》雜志2009年10期

[2]  歐盟理事會機動車型式認證指令，中國汽車技術研究中心，2003年。

 

作者簡介：

趙曉紅，北汽福田汽車工程研究院產品認證部，從事多年的產品認證和標桿車研究工作，擁有豐富的卡車研究經驗。聯系方式：北京市昌平區沙河鎮沙陽路，北汽福田汽車工程研究院產品認證部 。郵編：102206。唐波，北汽福田汽車工程研究院整車性能中心性能開發二部，從事多年CAE分析和卡車駕駛室強度設計，擁有豐富的卡車設計經驗。

 

文章來自第七屆中國CAE工程技術分析年會論文集