基于行人保護的發動機罩鉸鏈研究
2014/11/28 13:08:47
1 行人碰撞保護的發展
在行人頭部碰撞保護中，由于發動機罩存在鉸鏈區域等硬點，而且發動機罩與下部發動機之間變形空間較小，因此很難滿足歐洲行人碰撞保護法規的需要。
為提高發動機罩對行人頭部的保護，文獻提出在發動機罩板加內墊的方法，但是受到空間不足的影響使得效果有限，而且對于頭部落在吸能區外的情況，撞擊損傷得不到改善。文獻把鉸鏈高度作為一個設計變量進行了對比仿真，表明鉸鏈高度對行人頭部傷害也有一定影響。目前效果較好的是使用后沿自升式罩板，當汽車與行人發生碰撞時，碰撞傳感器將信號傳遞給相應的E-CU，ECU發出指令使發動機罩后邊沿升起一定高度以提供足夠的吸能空間。通過試驗和仿真，證明了采用后沿自升式罩板后行人頭部保護效果有了明顯提高。但是采用該方法對傳感器精確性要求非常高，價格也較昂貴。
針對以上設計缺陷，本文通過改進普通鉸鏈結構，設計了一種壓潰式鉸鏈。該鉸鏈在汽車與行人頭部發生撞擊時使機構發生塌陷，增加了發動機罩的變形空間，從而達到提高行人頭部保護效果的目的。
2 發動機罩鉸鏈設計要求分析
在法規要求的行人保護測試區域中，發動機罩鉸鏈區域由于鉸鏈的高硬度對行人頭部保護效果不佳，所以有必要對原始鉸鏈進行改進，從而使這一區域達到法規要求，同時又要兼顧到與車輛相關的其他要求。
2.1 鉸鏈應滿足的車輛相關要求
a.在高速正碰中，鉸鏈不能斷裂。因為鉸鏈斷裂會導致發動機罩直接飛入駕駛室，造成人員傷亡。
b.確保發動機罩開度不會過大。
c.在低速碰撞測試中，使發動機罩在鉸鏈處的平移、旋轉和塑性變形達到最小以避免元件損壞。
d.發動機罩開啟和關閉時，應確保發動機罩與周邊元件（如輪罩內板）的接觸力不會導致發動機罩的塑性變形或損壞。
e.由駕駛條件導致的加速力和空氣阻力不能導致發動機罩明顯移動。
f.發動機罩閉合時，應有壓力作用在鉸鏈點上以消除鉸鏈處的縫隙，因為縫隙容易導致變形或噪聲。
g.能夠滿足裝配要求（合適的空間和高度）。
2.2 行人保護的要求
使鉸鏈部分有足夠的變形空間、較低的垂直剛度且能夠吸收足夠多的能量，以保護頭部。
從上面的分析可以看到，行人保護對發動機罩鉸鏈的要求與車輛的相關要求矛盾，這給發動機罩的改進帶來很大難度。
3 基于行人頭部保護的鉸鏈改進設計
3.1 原始鉸鏈結構
原始鉸鏈結構可以看出，這種鉸鏈雖然滿足車輛相關要求，但由于沒有足夠的變形空間，而且硬點位于發動機蓋內，垂直剛度較大，很難滿足行人保護的要求。
3.2 原始鉸鏈安裝的改進
原始鉸鏈的轉點位于發動機罩下，由于該轉點非常堅硬，對頭部造成的影響很大，所以把該轉點移到發動機罩之外。該方式的缺點是增加了裝配難度，而且很難保證鉸鏈的橫向強度。
3.3 壓潰式鉸鏈
為了充分吸收行人碰撞能量，設計了具有壓潰機制的鉸鏈，該鉸鏈由3部分和1個剪切銷組成。當頭部撞擊到發動機罩鉸鏈上方區域時，由于超過了剪切銷的斷裂極限而使其被壓潰，從而使部件1和部件2發生塌陷，達到了充分吸收能量的目的。這種方式的優點是能夠使鉸鏈在轉點位于發動機罩下的同時滿足車輛和行人保護的要求，缺點是相比原始鉸鏈需要較大的安裝空間，而且由于增加了部件使機構變得復雜。
4 有限元模型的建立及試驗驗證
4.1 有限元模型的建立
發動機罩外板厚度為0.8mm，內板厚度為0.7mm。內、外板通過壓邊的方式連接在一起，內板和外板的膠接部分用剛性單元模擬；支架和內板之間通過點焊方式連接，用剛性單元模擬；內、外板之間有一些橡膠填充條，建模時不予考慮。采用hypErmEsh軟件劃分成殼單元網格。
行人頭部模型根據EEVC/WG17所規定的頭部模型試驗條件，建立一個帶有頭皮和頭骨的兩層球體模型，直徑為165mm。將頭皮處理成均勻、各項同粘彈性材料，頭骨處理為剛性材料。
4.2 仿真模型的試驗驗證
發動機罩采用鋼質材料（DC04），試驗前先按照歐洲NCAp要求將發動機罩進行碰撞區域劃分。試驗在跌落塔試驗臺上進行，采用3點簡支的邊界條件來固定發動機罩，在A2C區域選擇沖擊點進行試驗。由于受試驗條件限制，設置跌落塔裝置發送頭部模型撞擊發動機罩的速度為13.9km/h，碰撞角度為65°。
將發動機罩和頭部模型的有限元模型導入Ls－DyNA進行碰撞仿真分析，仿真時的條件與試驗條件一致。發動機罩內板后部為左、右雙鉸鏈固定，前部中間使用鎖銷固定。將發動機罩有限元模型按照實車安裝情況施加約束條件，即約束其后部與鉸鏈相連的左右4個螺栓孔的全部自由度和前部鎖孔除繞Ｘ軸轉動以外的所有自由度。
表1為A2C碰撞區域試驗結果與仿真結果的比較。A2C碰撞區內試驗和仿真得到的頭部撞擊點加速度和時間歷程曲線?？梢娪邢拊抡嬷档募铀俣茸畲笾导捌溥_到最大值的時間和試驗值很接近，說明所建發動機罩的有限元模型正確。
5 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈的仿真比較
5.1 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈橫向強度的仿真比較
發動機罩鉸鏈的改進必須滿足鉸鏈橫向強度要求，這樣可確保在車輛高速正碰中鉸鏈不會發生斷裂。
本文運用NAsTrAN軟件對兩種鉸鏈進行了橫向強度的仿真比較。在鉸鏈與發動機罩內板的安裝孔上均勻施加200N的橫向載荷，約束鉸鏈下合頁螺栓孔的全部自由度，然后比較兩者的應力分布?？芍?，在原始鉸鏈的最大應力分布處最大應力為342mpA，而改進后的鉸鏈應力卻只有65mpA，說明鉸鏈改進后橫向強度比原來的鉸鏈更好。
5.2 原始鉸鏈和壓潰式鉸鏈行人頭部保護性能的仿真比較
運用Ls－DyNA軟件，按照歐洲的行人頭部保護法規對發動機罩鉸鏈區域進行碰撞仿真，對兩種鉸鏈的頭部加速度曲線進行比較發現，鉸鏈在改進后頭部加速度的二次峰值（這一峰值主要由鉸鏈導致）明顯下降，當壓潰式鉸鏈剪切銷的剪切應力極限為50mpA時，頭部傷害值hIC從原來的1420下降到了940左右，可見使用壓潰式鉸鏈具有更好的行人保護性能。
6 結束語
a.采用壓潰式鉸鏈可以滿足車輛的相關要求，并且與原始鉸鏈相比橫向強度更高。
b.與原始鉸鏈相比，壓潰式鉸鏈會顯著降低頭部加速度二次峰值，頭部傷害值hIC由原來的1420下降到940左右，具有更好的行人保護性能。
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