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最后一部分

汽车前端的碰撞保护设计

针对行人碰撞

三部分

一部分下肢

我们从相对比较复杂的

下肢开始说

头部还有髋部

下肢它是用这么一个

下肢模块来评价

那它就三个指标

一个是在比如说这个位置

上腿的某一个位置

放一个加速度传感器

加速度计小于多少

就是它表征一个骨折的事儿

再一个就是上腿和下腿之间

围绕膝关节剪切位移

和弯曲角度小于多少

是表征韧带损伤

那我们作为汽车工程师

能设计的什么

你控制车的前端

就是碰撞的时候接触到什么

这就是你要设计的什么东西 对吧

接触到什么呢

保险杆前端的区域 对吧

那所以你看现在的车

越来越多的多了这个东西

叫做Lower Stiffener

有各种各样的名字

有的叫副保险杆

有的叫Lower Stiffener

有的叫什么下翼子板

总而言之

就是在主保险杆下边的那个

小一点的那个支撑结构

那个支撑结构呢

实际上主要是针对行人碰撞的

你看二十年 三十年（前）的车

没有这个东西

以前的车没有这个东西

它为什么要有这么一个

Lower Stiffener

或者副保险杆呢

就是因为弯曲角度

和剪切位移的差别

你想我们人车碰撞的时候

基本上膝关节这个位置呢

大约是主保险杆的位置

看你人的高矮和车的高矮了 对吧

大约是这个位置

那小腿基本上就悬空了

所以我下边放一个

小腿的地方放一个

所谓的副保险杆

我可以撑住小腿

主保险杆撑住膝关节

副保险杆或者是Lower Stiffener

撑住小腿

这样的话就能够减少弯曲角

和剪切位移

但是有可能会增加冲击加速度 对吧

因为你托住了

但这三个指标呢

就是你作为工程师

要平衡的一个事情

那设计参数其实也不复杂

就是保险杆

你这是主保险杆

你接触到

他的接触刚度

你那里边放的泡沫啦塑料啦

甚至有的人用金属啦

我们管它叫接触刚度

还有它的几何

另外一个比较重要的就是

主保险杆和副保险杆

它的相对位置

这个相对位置

实际上就两点

一点是x方向的相对位置

一点是z方向的相对位置

z方向相对位置好说

就是主保险杆在这

你的副保险杆是偏低一点

还是偏高一点儿

实际上就是你支撑的

这个位置的问题

x方向就是主保险杆在这儿

这是车的行驶方向是x方向

就是副保险杆是更往外一点

还是更往里一点 对吧

你想想我们两种车都做过

更往外一点会发生什么情况

小腿先接触上

然后人 你就会

这个地方铲出去以下

你会加大了人向车倒的趋势

更往里一点呢

你是让主保险杆先接触上

如果你的主保险杆足够软

再过那么几个毫秒

接触到副保险杆

这个不同的这个参数

根据你的

你要匹配刚度和位置

所以基本上下肢呢

做了这些年以后

也越来越成熟了

就是这么几个参数

你去做优化设计就完了

完了你还得做它

不同的保险杆的不同的位置

我们就做了这么一个

参数化的模型

就把这几个参数

可能比我说的要复杂点

七八个参数

有刚度 有位置

然后去做它的调试

我这儿列了我们参考的

几个博士论文

我们课题组自己的博士论文

就是这下肢

我不去说细节了

因为我们这做了十年

有很多都在博士论文

或者在我们的发表论文里边

我就把这个设计的要点

这边去提一下

头碰撞

头碰撞是比较致命的

我们也是做了大概十年

若干个博士论文的研究

那头碰撞的伤害评价呢

比较简单

就是所谓的这个HIC值

我们在这个损伤评价里讲了

它是基于头部的那个

放一个加速度传感器

那个加速度传感器

测量到三向加速度

合成加速度

通过那个加速度对时间的函数

计算出所谓的这个HIC值

我这儿还列了一个

车辆的保护评价

其实就是HIC

那为什么列了一个车辆的呢

实际上是这样

你这个撞到一点

HIC来评价

跟你撞在车上很多点它不一样

因为这个头部评价

你去看Euro NCAP

基本上在车上五六十个点

这个整个发动机罩盖都放满了

再加上风挡玻璃

也就是说在所有的点上

你一点一点去撞

都要满足HIC小于多少

这样的话有个麻烦在哪儿

你这个点和这个点

你有个平衡的关系

对吧

你有个平衡的关系

所以这个我管它的叫

车辆的保护评价

就是你这个罩盖和风挡的

玻璃的大部分位置

都进入了被评价的区域

你光在一点上满足

说我这个HIC是370

那不行

你得在很多很多点上都满足

那看这个设计挑战

因为设计挑战呢

最大的一个挑战就是碰撞吸能

发动机罩盖下方的空间

你没有无穷多的空间

对吧

我们反复的讲汽车碰撞设计

就是有一个初始动能

然后你要设计一个力

你要有一定的吸能空间

力乘上这个距离

要把这个碰撞动能给消耗掉

无论是行人碰撞

还是乘员的碰撞

都是这么一个道理

所以现在就是你这个罩盖

下方的空间有限

撞完了以后

你去打开发动机罩盖看看

大概下边呢

很多小的车就是

小的地方三四十毫米

大一点的四五十毫米

很少有到一百毫米的地方

个别的地方可能有一百毫米

这是一个很大的问题

这个初始动能很简单

二分之一mv方

m就是4.5公斤

v就是那个40公里/小时

或者将来降成35公里/小时

这个动能打到发动机罩盖上

你罩盖要提供一个

往下走的空间

然后同时提供一个阻力

这个阻力对的时间形成历程呢

就形成了这个加速度

记录的这个波形

这个波形就生产出HIC

所以整个关系就是这么一个关系

同时这个发动机罩盖的设计

还涉及到很多

应该比这个还要多一点

成本的要求 重量的约束

造型制造等等很多很多这种

设计的约束性

那设计要点

实际上就是这个波形

这个波形就是在头部的

加速度计测到的波形

我加速度对时间的函数

就是我这个碰撞波形

碰撞波形就比较复杂

如果是乘员的头撞到A柱上

基本上就上去下来

然后上去下来

这件事用一个HIC

如果是行人的头部

撞到发动机罩盖上

它可能出现好几个波

第一个波就是我给它

分成好多阶段

有的可能是五个阶段

有的四个阶段

有的两个阶段

看你这个罩盖的软硬

和撞的位置

看你撞到角点上

还是撞到罩盖的正中间

所以第一个点呢

第一个峰很简单

你撞上去以后

它把这罩盖

它初始速度是零

你要把局部的一个质量

甭管是一公斤也好

还是九公斤也好

你要把这个质量在瞬间

几个毫秒之内

达到40公里/小时

或者是32公里每小时 对吧

它人家那个罩盖

原来的速度是零

你这个头模块以40公里/小时撞过去

带动罩盖运动

这个罩盖总有个质量

我们管它叫随动质量

就是被带动的这个质量不知道

它是在一个区域

可能是一公斤

可能是八公斤

这个质量乘上速度差

它达到了一个32公里每小时

减去它的初始速度是零

除以4个毫秒

是一个很大的加速度

这个加速度叫惯性力

它这个随动质量的惯性力

会提供在这个头部上

所以这个很可能就是

第一个波峰之所在

然后你可能还被罩盖压打了个坑

它那个阻力强度也提供

可能都在第一峰

或者第二个峰里边

然后罩盖开始往下运动

随着这个运动呢

这个整个罩盖是个板的

一个结构对吧

它的膜力会进来

因为你大变形了嘛

你看它往下走50毫米

这个罩盖一米多看

往下走50毫米

大概计算

你那个板子不可能把它拉长这么多

所以它这个作为一个板壳结构

它的膜力会进来

膜力是什么呢

就是你整个这罩盖

你中间打一下

它这个张力

这个力进来的时候蛮大的

它比那个直接打的那个阻力要大

这个张力进来以后呢

会反应在这个阻力上

那接着往下再打

撞到了发动机

那没什么好说的了

最后一个峰就上来了

对吧

所以就看整个这个过程

你有时候看到这个峰高

有时候看到那个峰高

你想想你这个罩盖如果很软

肯定是最后一个峰高

你一打就打下去了

那最后一个峰

所有的能量都消耗在

最后一个峰了

你的HIC值也上去了

如果你的罩盖比较硬

肯定是第一峰高 对吧

所以这就是我们的设计要点

就是要控制碰撞波形

优化各个碰撞的波峰

甭管是一个峰还是两个峰

还是三个峰

它每个后边的力学机理都

我都讲了

然后最后得到一个HIC值

来优化这个

那还有一个要点呢

别忘了 我整个一个罩盖

你总不能说

Euro NCAP上面打了四十个点

我用四十个结构来去应对它

如果你用四十个结构应对它

你就各自设计各自的就完了

别忘了你是用同一个罩盖

来应对这四十个点

或者六十个点

所以你就要同一个结构

至少差不多结构

你可以这个地方跟那个地方

稍微有点差别

但是基本上大致是同一个结构

来去平衡不同位置的碰撞响应

你想你要打在罩盖的中间

它就比较软

打在边上就比较硬嘛 对吧

它一个板子支撑结构

所以这是另外一个难点

头部碰撞我们做的比较多

所以我这边讲一个我们的

我刚才叫专利设计

我这边列出了我们所有的

美国的专利号有四个专利

还有若干博士论文

我们就大概 可能

怎么也是大概十年前开始的

做了差不多十年了

就是我们提出叫夹层板结构

夹层罩盖

就是你要看传统的罩盖

一个外罩板

底下支撑

下面支撑上Stiffner

内罩盖

就是大概几根梁支撑住

那几根梁支撑住的目的

是为了加强

整个罩板的刚度

目的不是为了行人碰撞

目的是为了你这个罩盖

要有一定的刚度

光是一层薄板的话

它不就呼扇起来了吗 对吧

所以这是传统的罩盖

那传统罩盖造成的问题是什么呢

它底下几根支撑梁

你如果打在这几根梁的中间

那地方就比较软

很容易就打下去撞到

撞到发动机上

你如果打在那个梁上

那个地方就比较硬 对吧

所以这是传统的罩盖

那我们就把它做成均匀化了

咱们不是要底下支撑住吗

我整个把它做成一个

三明治的一个结构

有外罩板

底下还有个内罩板

中间我把它做成这种

英文叫Ripple

或者叫这种波浪板

所以整个构成一个夹层板

中间这个波浪和外罩板之间

可以用减震胶把它粘起来

所以减震胶的设计

减震胶的排布

这个Ripple板的波形

材料 厚度

这有很多参数了

你具体这个支撑板的情况

所以一下就给了我

很多很多设计参数去来平衡

我可以这儿来掏个洞

哪儿掏个洞 对吧

来平衡这件事儿

这样的话我的手里的武器就多了

我就能去play这些game

比如说第一个峰罩盖产生的

第二峰是怎么着产生的

带来的负面的问题是什么呢

罩盖比原来重了

这是带来的负面的问题

也比原来难加工了

比原来难加工倒不是太大的问题

但是比原来重了是一个问题

大家知道我几个星期前讲

汽车轻量化

现在在车上

你要想增加点重量

你得跟你的总工要得去

要争取资源 对吧

增加五公斤重量

或者增加两公斤重量

你得说我的Benefit是什么 对吧

你要不你的那个油耗啊

什么各种上去了

所以有一个缺点

就是我们这个设计

确实是重量会增加

罩盖重量增加

那你看比较一下

传统的罩盖产生的波形

头碰撞波形一般是这样

就是说前面比较软

最后撞到发动机了

这个比较高一点

这个HIC值很可能就这一个波形

就是什么一千 八百

比较超标

那我们这么设计成均匀的

这个波形就比较均匀

第一个峰比较高

因为我罩盖硬了

第一个峰比较高

我就等于在平衡这件事情

髋部

我为什么把髋部放后面讲呢

是因为我设计下肢

是保险杆系统或者下

这个Lower Stiffener

设计头部的碰撞保护是罩盖系统

但髋部的保护

最大的麻烦是它处于

罩盖跟保险杆之间

是在这个区域

这个区域是下肢碰撞防护结构

和头部碰撞防护结构的交界的地方

很可能是互相覆盖的地方

就是当你设计

这个罩盖的前沿

罩盖往下走的这个区域里边

你光去设计这个区域

管这个髋部结构还不行

往下走一走

同一个结构就要管到下肢碰撞

往上走一走

就要管到头部碰撞

所以它是一个不像那两个

你可以各自管各自的

它互相不干涉

这个麻烦是

它是在交界的区域

它简单的地方在哪儿呢

它是个一维碰撞

因为法规的要求是

它有一个轨道

碰撞甭管我

我说这是我的考核点

我要撞到这个点

它一定是有一个轨道

这个模块撞上去的

它这个模块永远在轨道里走

它不像头碰撞

打过去就是自由的

撞到哪儿 你那个什么形状

它头就滚起来

那个腿模块也是

最后是自由的

你会弯起来

好处是永远是一维运动

它是一个Guided Motion

简单了 对吧

一维运动总比二维运动

三维运动简单

所以一维运动

好 我输入能量二分之一mv方

撞上去一个碰撞力

底下有什么吸能空间

我放什么吸能结构

这个也有两个问题

一个是你被撞结构的强度 对吧

吸能

第二个随动质量

随动质量这个概念

可能我相信很多

我们在企业工作的工程师没有

这就是一个简单的力学的概念

但是还不好理解

就是F等于ma

就是原来你评价的时候

原来这车是不动的

原来这个被撞的结构

它的速度是零

你瞬间要把它加速到38公里/小时

这个加速度及带动的质量

它是阻力的一部分

这叫随动质量

所以这个也会

你看撞一个坑

它有一个随动质量 刚度

还有一个问题就是

这一部分的下方的结构比较复杂

可能某一个位置

有比较多的空间

也可能是个门锁

也可能是个水箱的上横梁

这个蛮硬的

所以它的吸能空间不够均衡

下方的部件比较复杂

这都是你要克服的挑战

我就把每一个设计的难易

给大家理一下

具体的设计

你们有很多试验

优化软件就可以去做了

好 我们结束之前

看一下这个

我们讲的是行人碰撞

也有法规要求

但是实际的事故中

有很多自行车对这个汽车的碰撞

尤其在中国在北京这样的环境下

有很多自行车

它跟行人碰撞是类似的

那有什么区别

我们今天没有时间讲

我们也花了很多精力

去研究这个事儿

明显的区别大家能看到

他位置比较高一点

他很可能撞到风挡玻璃上

相对来讲

这个相对来讲

比行人要安全一点

而且它下肢的损伤会少一点

因为它下肢约束少嘛

主要是头部损伤

所以相对会安全一点

但是也是很麻烦的事儿

好 那谢谢大家