相比于ECE R29-02,ECE R29-03正面摆锤撞击试验(见图1)对于总质量大于7.5 t的车辆,摆锤撞击驾驶室的能量由原来的44.1 kJ增大到55 kJ。并且试验要求:①驾驶室乘员生存空间保持完整;②悬置等连接结构保持完好。该试验可以模拟商用车的正面碰撞工况,评价其正面结构抗撞性。图1中,H(R)表示驾驶室座椅R点与摆锤之间的垂直距离。

图1

Fig.1

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	图1 正面摆锤撞击试验Fig.1 Front pendulum impact test

由于平头商用车驾驶室前端缺少足够的缓冲吸能空间,使得当车辆发生严重正面碰撞时,前围板等覆盖件对驾驶室产生较大的侵入,对乘员造成严重伤害。一般来说,当摆锤以一定速度撞击商用车驾驶室时(见图2),载荷沿撞击方向传递到纵梁和地板,沿横向传递到车体前围和地板边梁,沿垂直方向传递到驾驶室前悬置和车架。新法规正面摆锤撞击试验中碰撞能量的增加,必然导致驾驶室结构变形量增加以及前悬置结构受力增大,而这二者正是试验中所要考查的重要指标。为了同时保证乘员生存空间及前悬置结构的完整,需要合理匹配驾驶室及前悬置结构的强度及刚度,而这种匹配关系正是平头商用车结构设计的难点:既要求降低前悬置受力,又要求减小驾驶室变形。

图2

Fig.2

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	图2 摆锤撞击过程中载荷主要传递路径Fig.2 Main load transmission path during pendulum impact process

为了研究已满足ECE R29-02正面摆锤撞击试验的某国产重型商用车正面结构抗撞性,对该商用车进行ECE R29-03正面摆锤撞击虚拟试验,如图3所示。试验中发现该车左右前悬置均发生了断裂,

图3

Fig.3

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	图3 某国产重型商用车有限元模型Fig.3 Finite element model of the domesticheavy commercial vehicle

说明摆锤的撞击能量没有被充分吸收,使传递到悬置上的载荷超过了其断裂极限。为了满足ECE R29-03正面摆锤撞击试验的要求,可以采用增加变形较大部位处板料厚度或采用高强度材料,增设结构加强件等方式提高相应部位的强度及刚度。同时,要尽量减少传递到驾驶室上的能量。通过综合考虑实际生产成本、生产工艺等诸多因素,本文设计了两种吸能装置:新型前悬置支架和吸能器结构,两者分别布置在驾驶室底部与车架连接处及前纵梁之前的前围前部(见图4)。

图4

Fig.4

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	图4 前悬置支架及吸能器位置Fig.4 Positions of front suspension bracket and the energy absorber

在新型前悬置和吸能器结构方案设计的基础上,对两者进行综合参数设计,以实现新型前悬置及吸能器结构的良好匹配,其中需要设计的参数有:楔形通孔大端夹角α(如图7所示)、楔形通孔个数n及吸能器厚度t。其中:楔形通孔大端夹角α影响孔中螺栓的运动,由于螺栓尺寸一定,α过小则螺栓移动困难,易导致螺栓因受力过大而折断,失去原有的摩擦吸能特性;α过大则螺栓移动过于容易,易导致摩擦作用过小,同时使得螺栓行程过大,驾驶室后悬置变形过大。为了保证旋转过程中受力均匀并考虑布置空间的约束,楔形通孔个数n应取偶数且均匀分布在转轴周围。而吸能器厚度t可变,但需要综合考虑压溃失稳及布置空间限制。综上分析,α的取值为:74°、76°、78°;n的取值为:2、4、6、8;t的取值为:2 mm、3 mm。对全部组合进行全因子试验,结果如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 参数设计全因子试验 Table 1 The full factorials of parametric design 试验号 因素 试验号 因素 α/(°) n t/mm α/(°) n t/mm 1 74 2 2 13 76 6 2 2 74 2 3 14 76 6 3 3 74 4 2 15 76 8 2 4 74 4 3 16 76 8 3 5 74 6 2 17 78 2 2 6 74 6 3 18 78 2 3 7 74 8 2 19 78 4 2 8 74 8 3 20 78 4 3 9 76 2 2 21 78 6 2 10 76 2 3 22 78 6 3 11 76 4 2 23 78 8 2 12 76 4 3 24 78 8 3

表1 参数设计全因子试验 Table 1 The full factorials of parametric design

通过试验结果发现,只有 n=8, t=3 mm时的3组试验(试验号8、16、24)同时保证了乘员生存空间及前悬置结构的完整,而其余各组均不符合要求。根据α的选择原则取中间值76°作为设计数据,最终的设计参数为楔形通孔大端夹角 α=76°,楔形通孔个数 n=8,吸能器厚度 t=3 mm。

对应最终的设计参数,正面摆锤撞击虚拟试验中新型吸能器结构吸收的能量为23.2 kJ,占摆锤能量的42%,充分起到了缓冲吸能作用,并且商用车驾驶室在58 ms时达到最大变形,同时前悬置达到最大转动位移。此时驾驶室仪表板、方向盘及假人的位置关系如图14所示,从图中可以发现:仪表板和方向盘与假人模型未发生接触,表明驾驶室乘员生存空间保持完整。前悬置的变形情况如图15所示,从图中可以发现:前悬置未发生断裂,表明前悬置结构保持完好。

图14

Fig.14

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	图14 驾驶室最大变形时刻乘员生存空间Fig.14 Occupant survival space on the moment of maximum deformation of the cab

图15

Fig.15

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	图15 最大转动位移时刻前悬置的变形Fig.15 Deformation of front suspension on the moment of maximum rotational displacement

通过对平头商用车驾驶室的结构进行研究,得到重型平头商用车在ECE R29-03法规正面摆锤撞击工况下载荷的传递路径。经分析发现,需要合理匹配驾驶室及前悬置结构的强度及刚度来保证乘员生存空间及前悬置结构的完整。结合控制碰撞过程中力传递路径的方法,提出较小改动商用车驾驶室碰撞关键部件的方法,即设计新型的前悬置支架及吸能器结构,来满足ECE R29-03法规正面摆锤撞击试验的要求,并应用在已满足ECE R29-02法规的某国产重型商用车上,验证了该方法和新型结构的有效性。