宋和平，劉廣喜，徐偉濤，周翔

(1.長興吉利汽車部件有限公司，浙江湖州 313100；2.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江湖州 313100；3.長城汽車保定技術(shù)研發(fā)分公司，河北保定 071000；4.寶能(西安)汽車研究院有限公司，陜西西安 712000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及生活水平的提高，汽車消費(fèi)逐漸從原來的奢侈品消費(fèi)，變成普通民眾負(fù)擔(dān)得起的居家消費(fèi)[1]。隨著消費(fèi)者對汽車的實(shí)用性的追求，擁有行李箱、能夠裝載居家物品的車型受到青睞。

因?yàn)樾欣钕湟话闩c后排座椅相通或相鄰，汽車行李箱的設(shè)計(jì)在提供了便利性的同時(shí)，還要考慮對后排乘員的安全性。車輛座椅作為重要的汽車被動(dòng)安全組成部分，不僅負(fù)責(zé)承載乘員，還要負(fù)責(zé)承受車輛起步、制動(dòng)、加速以及碰撞的沖擊[2]。車輛在發(fā)生碰撞或緊急剎車等情況時(shí)，行李箱(后備廂)中的物品因?yàn)閼T性會(huì)對后排座椅形成沖擊，物品的質(zhì)量越大、慣性加速度越大，對后排乘員的沖擊就越大，乘員受傷情況也就越嚴(yán)重[3]。

基于以上原因，各國都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來保護(hù)乘員，避免行李箱沖擊導(dǎo)致的乘員傷害。中國發(fā)布GB 15083強(qiáng)制性法規(guī)來對乘員進(jìn)行保護(hù)，汽車企業(yè)為了保證車輛上市要求必須滿足此法規(guī)，因此研究行李箱沖擊，滿足GB 15083就顯得很有意義。

1 優(yōu)化行李箱結(jié)構(gòu)的需求和背景

GB 15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》針對汽車座椅及頭枕等方面進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定和要求，因GB 15083—2019于2019-10-14發(fā)布，且在2020-7-1實(shí)施，因此2020年下半年及以后上市的車輛必須滿足此法規(guī)才允許銷售。同時(shí)，解決行李箱沖擊的問題，還能解決新能源汽車電池放置在行李箱的碰撞安全性問題[4-5]。所以研究行李箱沖擊，滿足GB 15083—2019的要求顯得意義重大。

試驗(yàn)按照GB 15083—2019附錄B中的方法進(jìn)行[6]，因所涉及的車型僅座椅靠背構(gòu)成行李箱，按照試驗(yàn)要求，需要按照圖1所示放置兩個(gè)質(zhì)量為18 kg的沖擊塊，沖擊塊的尺寸是300 mm×300 mm×300 mm。

圖1 行李箱沖擊試驗(yàn)示意

按照GB 15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》對于防止移動(dòng)行李對乘員傷害的特殊要求：在試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后，若座椅靠背及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足國標(biāo)。但是允許在試驗(yàn)期間，頭枕變形向前移動(dòng)時(shí)，不能超過座椅R點(diǎn)前方150 mm處的平面；座椅靠背變形后，不能超過距離R點(diǎn)前方100 mm處所在的平面。

基于以上需求和背景，結(jié)合GB 15083—2019中的法規(guī)要求，文中提出一種優(yōu)化行李箱結(jié)構(gòu)的方法，為行業(yè)其他車企提供一種參考方案。

2 行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對上一版GB 15083—2006，國內(nèi)已經(jīng)有了一定數(shù)量的研究，其中文獻(xiàn)[7]開發(fā)了一種對撞型臺車試驗(yàn)設(shè)備，文獻(xiàn)[8]提出對后排座椅支撐梁左右各額外增加一塊加強(qiáng)板的方式進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)[9]提出在沖擊彎折處增加一根橫管的方案，雖然文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]滿足了國標(biāo)要求，但是增加了整車質(zhì)量和額外的成本(開模費(fèi)用等)，文獻(xiàn)[10]提出對后排座椅調(diào)角器上臂板厚度和下臂板厚度進(jìn)行加厚等方法，文獻(xiàn)[11]提出采用碳纖維復(fù)合材料制造座椅骨架的方式，造價(jià)相對較高，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]對于當(dāng)前汽車研發(fā)重點(diǎn)考慮的減重降本方向來說，借鑒意義有限。

因?yàn)榉ㄒ?guī)試驗(yàn)要求的沖擊塊的擺放位置是固定的，且沖擊塊撞擊座椅靠背的位置也相對固定，所以設(shè)計(jì)方向初步確定為加強(qiáng)座椅靠背受沖擊塊影響部位的強(qiáng)度。同時(shí)，法規(guī)還允許一定程度的塑性變形，所以座椅骨架強(qiáng)度不需要設(shè)計(jì)過高[12]。

文中以某在研車型進(jìn)行方法的實(shí)現(xiàn)與分析，基本信息如下：A0級三廂型轎車，傳統(tǒng)燃油車，質(zhì)量1 215 kg，預(yù)計(jì)2021年下半年上市。

初步的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其中座椅骨架中部主體采用縱向三根加粗空心管和一根橫向加粗空心管組成，空心管參數(shù)如下：外徑12.7 mm，內(nèi)徑10.9 mm，料厚1.8 mm，用于主要承受沖擊結(jié)構(gòu)，輔助用若干鋼絲作為座椅輔助支撐，鋼絲半徑2.5 mm，實(shí)心結(jié)構(gòu)。

圖2 座椅骨架初步設(shè)計(jì)方案

另外，座椅骨架與車身的連接處采用卡接式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，即在圖2的輔助鋼絲上焊接金屬鉤式結(jié)構(gòu)，卡接在圖3的卡接式結(jié)構(gòu)中，如圖4所示。

圖3 座椅骨架與車身的連接處結(jié)構(gòu)

圖4 卡接式結(jié)構(gòu)

針對設(shè)計(jì)的初步方案，采用LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，按照法規(guī)要求的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)沖擊前的效果圖如圖5所示，試驗(yàn)沖擊后的效果圖如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)沖擊前的效果

圖6 試驗(yàn)沖擊后的效果

從沖擊后的圖6中可以看到，座椅骨架上沿脫離車身結(jié)構(gòu)，證明圖4中的卡接式結(jié)構(gòu)失效，且頭枕和座椅靠背均超過了法規(guī)中定義的R點(diǎn)前方150 mm處的平面，證明未滿足法規(guī)要求，試驗(yàn)失敗。因此初步的設(shè)計(jì)方案需要進(jìn)一步優(yōu)化來滿足法規(guī)的要求。

3 優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

通過對沖擊后的座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)行李箱沖擊試驗(yàn)后，座椅骨架未出現(xiàn)嚴(yán)重變形，證明座椅骨架當(dāng)前初步設(shè)計(jì)基本可以滿足法規(guī)試驗(yàn)，而法規(guī)試驗(yàn)失敗的主要原因在于圖4中所示的卡接式結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭窃阡摻z上焊接的金屬鉤式結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到較強(qiáng)烈的行李沖擊時(shí)，鉤式結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致座椅骨架與車身脫離，造成試驗(yàn)失敗。

所以優(yōu)化的方向是加強(qiáng)座椅骨架與車身連接處的結(jié)構(gòu)。另外，因?yàn)殚_發(fā)的是A0級緊湊型轎車，存在降本和減重的需求，因此對座椅骨架結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行一定的優(yōu)化。通過分析圖2中的初步設(shè)計(jì)圖，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量主要集中在加粗的空心管結(jié)構(gòu)上，如果直接用鋼絲取代空心管，將極大實(shí)現(xiàn)降本減重的目的，經(jīng)過多輪的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化后的座椅骨架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的座椅骨架結(jié)構(gòu)

從優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)中可以看出，主要有如下變化點(diǎn)：

(1)原來焊接在輔助鋼絲上的金屬鉤式結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，不僅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整(變成了鷹爪式結(jié)構(gòu))，而且料厚也增加，焊接位置也變成直接焊接在座椅骨架上邊沿加粗結(jié)構(gòu)上；

(2)座椅骨架取消了原來的加粗空心管結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一變成了半徑2.5 mm的實(shí)心鋼絲，并且位置也進(jìn)行了對稱式結(jié)構(gòu)調(diào)整，旨在承受行李的強(qiáng)烈沖擊；

(3)座椅骨架下沿的3個(gè)與車身的輔助連接結(jié)構(gòu)從原來的同向，變成了一個(gè)正向掛接，兩個(gè)反向掛接，旨在輔助承受沖擊。

同時(shí)，座椅骨架與車身的連接處的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖8所示。也就是圖7中的鷹爪式結(jié)構(gòu)掛接在圖8中，如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的座椅骨架與車身的連接處結(jié)構(gòu)

圖9 掛鉤式結(jié)構(gòu)

對于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，繼續(xù)用LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，按照法規(guī)要求的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)沖擊后的效果圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的試驗(yàn)沖擊后效果

從沖擊后的圖10中可以看到，行李箱沖擊座椅骨架之后，座椅骨架未與車身脫離，且頭枕和座椅靠背均未超過法規(guī)中定義的R點(diǎn)前方100 mm處的平面，證明滿足法規(guī)要求，優(yōu)化方案有效。

為了進(jìn)一步地驗(yàn)證仿真方案的有效性，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。首先采用GB 15083—2019法規(guī)要求的方法進(jìn)行布置試驗(yàn)環(huán)境，采用的沖擊塊如圖11所示，碰撞前和碰撞后座椅結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖12和圖13所示，觀察整個(gè)碰撞過程，座椅靠背及其鎖止裝置仍保持在原位置，證明此方案可以滿足法規(guī)，達(dá)到優(yōu)化的目的。

圖11 實(shí)車驗(yàn)證采用的沖擊塊

圖12 試驗(yàn)沖擊前實(shí)物圖

圖13 試驗(yàn)沖擊后實(shí)物圖

同時(shí)，經(jīng)過進(jìn)一步的分析對比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)相比，質(zhì)量降低1.8 kg，降本22.63元，實(shí)現(xiàn)了降本減重的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

文中針對GB 15083—2019中關(guān)于行李箱沖擊的試驗(yàn)要求進(jìn)行了介紹，并對某款A(yù)0級轎車設(shè)計(jì)的座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足國標(biāo)要求，同時(shí)還完成了一定的降本減重目標(biāo)，降本實(shí)現(xiàn)了22.63元，減重1.8 kg。

文中提出的優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，為汽車行業(yè)其他研發(fā)人員提供一種可參考的車身設(shè)計(jì)方案。