基于行人保护的发动机罩铰链研究

2014/11/28 13:08:47

1 行人碰撞保护的发展

在行人头部碰撞保护中，由于发动机罩存在铰链区域等硬点，而且发动机罩与下部发动机之间变形空间较小，因此很难满足欧洲行人碰撞保护法规的需要。

为提高发动机罩对行人头部的保护，文献提出在发动机罩板加内垫的方法，但是受到空间不足的影响使得效果有限，而且对于头部落在吸能区外的情况，撞击损伤得不到改善。文献把铰链高度作为一个设计变量进行了对比仿真，表明铰链高度对行人头部伤害也有一定影响。目前效果较好的是使用后沿自升式罩板，当汽车与行人发生碰撞时，碰撞传感器将信号传递给相应的E-CU，ECU发出指令使发动机罩后边沿升起一定高度以提供足够的吸能空间。通过试验和仿真，证明了采用后沿自升式罩板后行人头部保护效果有了明显提高。但是采用该方法对传感器精确性要求非常高，价格也较昂贵。

针对以上设计缺陷，本文通过改进普通铰链结构，设计了一种压溃式铰链。该铰链在汽车与行人头部发生撞击时使机构发生塌陷，增加了发动机罩的变形空间，从而达到提高行人头部保护效果的目的。

2 发动机罩铰链设计要求分析

在法规要求的行人保护测试区域中，发动机罩铰链区域由于铰链的高硬度对行人头部保护效果不佳，所以有必要对原始铰链进行改进，从而使这一区域达到法规要求，同时又要兼顾到与车辆相关的其他要求。

2.1 铰链应满足的车辆相关要求

a.在高速正碰中，铰链不能断裂。因为铰链断裂会导致发动机罩直接飞入驾驶室，造成人员伤亡。

b.确保发动机罩开度不会过大。

c.在低速碰撞测试中，使发动机罩在铰链处的平移、旋转和塑性变形达到最小以避免元件损坏。

d.发动机罩开启和关闭时，应确保发动机罩与周边元件（如轮罩内板）的接触力不会导致发动机罩的塑性变形或损坏。

e.由驾驶条件导致的加速力和空气阻力不能导致发动机罩明显移动。

f.发动机罩闭合时，应有压力作用在铰链点上以消除铰链处的缝隙，因为缝隙容易导致变形或噪声。

g.能够满足装配要求（合适的空间和高度）。

2.2 行人保护的要求

使铰链部分有足够的变形空间、较低的垂直刚度且能够吸收足够多的能量，以保护头部。

从上面的分析可以看到，行人保护对发动机罩铰链的要求与车辆的相关要求矛盾，这给发动机罩的改进带来很大难度。

3 基于行人头部保护的铰链改进设计

3.1 原始铰链结构

原始铰链结构可以看出，这种铰链虽然满足车辆相关要求，但由于没有足够的变形空间，而且硬点位于发动机盖内，垂直刚度较大，很难满足行人保护的要求。

3.2 原始铰链安装的改进

原始铰链的转点位于发动机罩下，由于该转点非常坚硬，对头部造成的影响很大，所以把该转点移到发动机罩之外。该方式的缺点是增加了装配难度，而且很难保证铰链的横向强度。

3.3 压溃式铰链

为了充分吸收行人碰撞能量，设计了具有压溃机制的铰链，该铰链由3部分和1个剪切销组成。当头部撞击到发动机罩铰链上方区域时，由于超过了剪切销的断裂极限而使其被压溃，从而使部件1和部件2发生塌陷，达到了充分吸收能量的目的。这种方式的优点是能够使铰链在转点位于发动机罩下的同时满足车辆和行人保护的要求，缺点是相比原始铰链需要较大的安装空间，而且由于增加了部件使机构变得复杂。

4 有限元模型的建立及试验验证

4.1 有限元模型的建立

发动机罩外板厚度为0.8mm，内板厚度为0.7mm。内、外板通过压边的方式连接在一起，内板和外板的胶接部分用刚性单元模拟；支架和内板之间通过点焊方式连接，用刚性单元模拟；内、外板之间有一些橡胶填充条，建模时不予考虑。采用hypErmEsh软件划分成壳单元网格。

行人头部模型根据EEVC/WG17所规定的头部模型试验条件，建立一个带有头皮和头骨的两层球体模型，直径为165mm。将头皮处理成均匀、各项同粘弹性材料，头骨处理为刚性材料。

4.2 仿真模型的试验验证

发动机罩采用钢质材料（DC04），试验前先按照欧洲NCAp要求将发动机罩进行碰撞区域划分。试验在跌落塔试验台上进行，采用3点简支的边界条件来固定发动机罩，在A2C区域选择冲击点进行试验。由于受试验条件限制，设置跌落塔装置发送头部模型撞击发动机罩的速度为13.9km/h，碰撞角度为65°。

将发动机罩和头部模型的有限元模型导入Ls－DyNA进行碰撞仿真分析，仿真时的条件与试验条件一致。发动机罩内板后部为左、右双铰链固定，前部中间使用锁销固定。将发动机罩有限元模型按照实车安装情况施加约束条件，即约束其后部与铰链相连的左右4个螺栓孔的全部自由度和前部锁孔除绕Ｘ轴转动以外的所有自由度。

表1为A2C碰撞区域试验结果与仿真结果的比较。A2C碰撞区内试验和仿真得到的头部撞击点加速度和时间历程曲线。可见有限元仿真值的加速度最大值及其达到最大值的时间和试验值很接近，说明所建发动机罩的有限元模型正确。

5 原始铰链和压溃式铰链的仿真比较

5.1 原始铰链和压溃式铰链横向强度的仿真比较

发动机罩铰链的改进必须满足铰链横向强度要求，这样可确保在车辆高速正碰中铰链不会发生断裂。

本文运用NAsTrAN软件对两种铰链进行了横向强度的仿真比较。在铰链与发动机罩内板的安装孔上均匀施加200N的横向载荷，约束铰链下合页螺栓孔的全部自由度，然后比较两者的应力分布。可知，在原始铰链的最大应力分布处最大应力为342mpA，而改进后的铰链应力却只有65mpA，说明铰链改进后横向强度比原来的铰链更好。

5.2 原始铰链和压溃式铰链行人头部保护性能的仿真比较

运用Ls－DyNA软件，按照欧洲的行人头部保护法规对发动机罩铰链区域进行碰撞仿真，对两种铰链的头部加速度曲线进行比较发现，铰链在改进后头部加速度的二次峰值（这一峰值主要由铰链导致）明显下降，当压溃式铰链剪切销的剪切应力极限为50mpA时，头部伤害值hIC从原来的1420下降到了940左右，可见使用压溃式铰链具有更好的行人保护性能。

6 结束语

a.采用压溃式铰链可以满足车辆的相关要求，并且与原始铰链相比横向强度更高。

b.与原始铰链相比，压溃式铰链会显著降低头部加速度二次峰值，头部伤害值hIC由原来的1420下降到940左右，具有更好的行人保护性能。

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