孟兵凌霄鵬胡啟龍周宏鐘

（1.南京汽車集團(tuán)公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

隨著汽車普及到千家萬(wàn)戶，車輛火險(xiǎn)問(wèn)題不時(shí)發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大隱患。因此，防止車內(nèi)火災(zāi)的出現(xiàn)和及時(shí)撲滅火險(xiǎn)成為重要的研究課題，引起了汽車業(yè)界的高度關(guān)注[1]。按照客車滅火裝備配置法規(guī)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)艙作為汽車動(dòng)力總成的核心區(qū)域，是發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)部位，為了能及時(shí)撲滅火險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)必須配備自動(dòng)滅火裝置。文章根據(jù)法規(guī)要求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)滅火器在某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的布置方案。該方案符合滅火器布置原則，能夠滿足車身強(qiáng)度與模態(tài)要求。方案實(shí)施后，將會(huì)對(duì)該車型車輛安全性能提升起到重要作用。

1 滅火器的布置原則

發(fā)動(dòng)機(jī)艙是汽車的中樞區(qū)域，布局緊湊[2]，而滅火器及其附屬支架占用空間較大，并且艙內(nèi)器件依托的車身本體鐵件大多是材料較薄的鐵板，在滅火器本體3G動(dòng)載工況下零部件強(qiáng)度較難滿足安裝要求。因此滅火器在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置時(shí)，需要在滿足滅火要求的前提下，選擇強(qiáng)度高的車身部位，不降低車身模態(tài)及零部件強(qiáng)度和剛度。具體布置原則如下。

1）針對(duì)易起火點(diǎn)布置。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)易起火部位主要有發(fā)動(dòng)機(jī)本體及其管路和蓄電池及其開(kāi)關(guān)等部位，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的火患最難控制，后果最為慘烈。發(fā)動(dòng)機(jī)及其管路上易著火點(diǎn)按照危險(xiǎn)性排序，依次為增壓器、發(fā)電機(jī)、高壓燃油泵及高壓燃油管和排氣管等。

針對(duì)易著火點(diǎn)在艙內(nèi)的位置分布和法規(guī)規(guī)定的滅火劑劑量要求，最終確定在本車型上安裝左右對(duì)稱的2個(gè)滅火器，內(nèi)貯干粉質(zhì)量均為400 g。車身左側(cè)位置的滅火器主要針對(duì)高壓燃油泵及增壓器等的火情，并能兼顧蓄電池可能產(chǎn)生的險(xiǎn)情；車身右側(cè)的滅火器則主要針對(duì)排氣管及發(fā)電機(jī)等的火情。

2）選擇車身強(qiáng)度足夠高的部位作為安裝位置。由于滅火器外殼較厚，加上支架和內(nèi)貯干粉質(zhì)量，整個(gè)滅火裝置的質(zhì)量較大，因此選擇厚度大及材料屈服強(qiáng)度較高的車身位置安裝非常重要。而當(dāng)零件料厚達(dá)不到直接安裝要求時(shí)，就必須對(duì)零件貼加強(qiáng)膠片和焊接加強(qiáng)支架來(lái)保證足夠的安裝強(qiáng)度。

本車型的面罩框采用雙層鋼板結(jié)構(gòu)，骨架和外板都采用了高強(qiáng)度合金鋼，材料具有良好的強(qiáng)度和剛度性能，滅火器置于面罩框的兩側(cè)。為了滿足較高的安全系數(shù)，使面罩框不至于出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，面罩框骨架部位增加了加強(qiáng)板，滅火器支架直接安裝于增加了加強(qiáng)板的零件處。

3）滅火器拆裝方便，并且不影響艙內(nèi)其他器件維護(hù)作業(yè)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)器件數(shù)量較多，一些部件需要經(jīng)常性拆裝，滅火器布置之后不能影響其他部件后續(xù)操作。滅火器自身也需要拆裝方便，只需要簡(jiǎn)單工具就能實(shí)現(xiàn)一次拆裝操作。另外，滅火器布置位置應(yīng)盡量對(duì)稱，既美觀又對(duì)車身模態(tài)有益。

根據(jù)車身發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件布局，結(jié)合滅火器的放置原則，本車型最終確定了滅火器放置于面罩框內(nèi)側(cè)上安裝點(diǎn)處，以支架懸掛固定的布置方式。滅火器自身用圓形抱箍緊抱，并與滅火器支架連接，滅火器支架另一端用螺栓固定于面罩框上，具體位置，如圖1所示。

2 滅火器布置方案

2.1 面罩框本體加強(qiáng)方案

面罩框本體是由內(nèi)外2層鋼板點(diǎn)焊而成，內(nèi)部為焊接骨架，外部為一體化沖壓成型的鋼板，其上安裝外飾件。面罩框骨架總成為幾塊高強(qiáng)度板材焊接而成，內(nèi)外板之間除搭接邊處，均有內(nèi)部空腔，由于滅火器質(zhì)量較重，內(nèi)部需要增加加強(qiáng)板作為補(bǔ)充。加強(qiáng)板上需要焊接凸焊螺母，安裝螺栓可以直接與凸焊螺母配合，安裝便捷，具體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 滅火器支架設(shè)計(jì)方案

滅火器的安裝在滿足良好的布置位置基礎(chǔ)上，選擇安裝與固定方式也極其重要。目前主流的滅火器外殼為全鋁合金沖壓而成，無(wú)法用焊接的方式實(shí)現(xiàn)固定。而滅火器本體為了保證外形尺寸與密封性，不能在外殼壁隨意開(kāi)孔。因此，滅火器本體需要用夾持的方式實(shí)現(xiàn)固定。

滅火器與面罩框之間為了安裝與安全需要，必須保持一定的安全距離。因此，兩者之間須用剛性支架進(jìn)行連接，如圖3所示。支架自身既要滿足滅火器本體的重力場(chǎng)動(dòng)載所需的材料屈服強(qiáng)度，也要滿足與面罩框連接在一起時(shí)的模態(tài)特性。支架制作必須使用高強(qiáng)度合金鋼板，并且要增加加強(qiáng)筋和鈑金件翻邊來(lái)增大其抗彎模量[3]。

2.3 滅火器連接支架方案對(duì)比

滅火器連接支架在不同材料和不同料厚情況下，對(duì)滅火器安裝狀態(tài)影響很大。增大連接支架的鈑金厚度，會(huì)增加滅火器的連接強(qiáng)度，但同時(shí)自身質(zhì)量也會(huì)增加，對(duì)面罩框連接點(diǎn)處的局部應(yīng)力沖擊會(huì)更大，面罩框整體模態(tài)可能會(huì)降低。因此，文章針對(duì)連接支架在不同料厚下的應(yīng)力影響進(jìn)行了分析比較。

滅火器本體和抱箍等為供應(yīng)商合成供貨，并提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。滅火器連接支架的料厚為設(shè)計(jì)變量，從幾種車身鈑金件主流料厚中選擇合適的厚度。文章設(shè)計(jì)了2種滅火器連接支架方案，具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 滅火器連接支架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3 滅火器布置方案有限元分析

在確定滅火器布置方案后，需要分別進(jìn)行應(yīng)力分析，以驗(yàn)證面罩框和連接支架的整體強(qiáng)度及模態(tài)等是否滿足設(shè)計(jì)要求[4]。針對(duì)2種方案的數(shù)據(jù)，前處理采用Hypermesh軟件，求解器采用ABAQUS軟件。

有限元分析目的：1）計(jì)算支架的約束模態(tài)，驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足要求[5]；2）計(jì)算3G動(dòng)載工況，驗(yàn)證滅火器支架及相關(guān)零部件的強(qiáng)度。

在前處理過(guò)程中，輸入邊界條件，約束面罩框總成與車身的安裝孔全部自由度，計(jì)算模態(tài)。目標(biāo)值要求滅火器支架總成1階模態(tài)值≥33 Hz。

2種方案的滅火器支架總成1階與2階模態(tài)，如圖4和圖5所示；3G動(dòng)載工況驗(yàn)證面罩框骨架上加強(qiáng)板應(yīng)力結(jié)果，如圖6所示。其有限元分析結(jié)果對(duì)比，如表2所示。

表2 滅火器連接支架方案有限元分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)有限元分析可知，方案1中1.5 mm料厚的支架在3G動(dòng)載工況下的應(yīng)力滿足要求，但是1階模態(tài)僅為28.40 Hz，低于合格標(biāo)準(zhǔn)（33 Hz）。滅火器連接支架可能在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，需要通過(guò)增加厚度及加強(qiáng)筋等增大1階模態(tài)。

方案2中2.0 mm料厚的支架在模態(tài)分析和3G動(dòng)載工況下，均滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。1階模態(tài)（37.5 Hz）超過(guò)面罩框1階模態(tài)最低標(biāo)準(zhǔn)（33 Hz）；3G動(dòng)載工況下，面罩框骨架上加強(qiáng)板應(yīng)力（68.9 MPa）比方案1略有上升，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于面罩框骨架上加強(qiáng)板的應(yīng)力極限（120 MPa）。

方案2中滅火器連接支架能夠滿足設(shè)計(jì)要求，2.0 mm厚度鋼板也是車身最常用板材，設(shè)計(jì)該料厚是可行的。面罩框加強(qiáng)板和滅火器抱箍等也均能滿足要求，因此方案2為本車型所采納。

4 結(jié)論

根據(jù)滅火器的布置原則，選擇面罩框部位作為安裝位置，該部位車身強(qiáng)度足夠高且便于拆裝。滅火器采用左右對(duì)稱布置，左右各懸置1個(gè)。為了滿足較高的安全系數(shù)，使面罩框不至于出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，面罩框骨架部位增加了加強(qiáng)板，滅火器通過(guò)連接支架安裝于此處位置。

由于布置方案對(duì)滅火器連接支架要求最高，本車型對(duì)連接支架進(jìn)行了差異化方案設(shè)計(jì)。選擇了2組方案，以滅火器連接支架的鈑金厚度為變量，分別驗(yàn)證能否滿足面罩框模態(tài)特性和滅火器重力場(chǎng)動(dòng)載要求。經(jīng)過(guò)有限元分析，連接支架設(shè)計(jì)厚度為2.0 mm能夠滿足安裝要求，最終采用了方案2作為布置方案。

本車自動(dòng)滅火器布置方案既保證了及時(shí)撲滅火情的需要，也滿足了車身自身的強(qiáng)度和模態(tài)特性，且在艙內(nèi)安裝簡(jiǎn)單可靠，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)即可以進(jìn)行大批量產(chǎn)品車驗(yàn)證。如果本方案最終被采納，對(duì)于車輛安全性與車身性能的提升均會(huì)起到較大作用。