轻卡车气囊设计

轻卡车气囊设计

本文深入研究了实际交通事故、碰撞速度和碰撞模型的选择。根据实际情况，总结了我国小型客车安装的设计方法。轻卡式钢卡的开发应用某款高端轻卡车型的定位是海外市场和国内城市物流高端市场,海外市场包括巴西、阿尔及利亚、南非等国家。巴西国家交通委员会在2009年第311号决议,强制性要求M1类和N1类车型匹配安全气囊,并且已经给出了“路线图”计划,对于已经生产的车型,在2014年必须全部匹配安全气囊,否则必须退出巴西市场;阿尔及利亚、南非等国家的经销商也提出了安全气囊的配置要求。国内城市物流高端市场在购买轻卡车型时更加注重安全性能,因此也有部分国内物流企业提出了安全气囊的配置要求。本文对某款高端轻卡开展了大量的技术研究工作,并且制订安全气囊开发策划并且实施。通过对国外多款轻卡的安全气囊进行研究,以日本五十铃、尼桑为代表的日系轻卡都匹配双气囊,部分高端车型还匹配了膝部气囊,安全带采用预紧限力式安全带,碰撞安全相关的配置非常高。日本轻卡以城市物流配送为主,驾驶室相对狭小,副驾驶座位的使用率非常高,因此匹配双安全气囊;另外,以沃尔沃为代表的欧系轻型卡车匹配驾驶员气囊,因为整个驾驶室的空间非常大,副驾驶在安全带的作用下就能够得到很好的保护效果,并且欧洲轻卡的副驾驶座位使用率很低,因此匹配驾驶员气囊就能够满足安全性能要求。开发的某款高端轻卡则匹配双气囊,现车型驾驶室有三个座位,因为中间座位无法设计安全气囊,则要求撤销中间座位,改进后的轻卡驾驶室能乘坐两人,中间位置设计为储物箱。cu2004结论对于都市物流的N1类卡车,其GVM总质量大约在3～3.5t,根据碰撞相容性研究,轻卡与乘用车发生正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞当中,轻卡由于质量大、驾驶室的位置高、底盘刚硬等因素,通常卡车上的驾驶员没有严重伤害,这种情况下要求安全气囊可以不起爆。但是轻卡最危险的工况就是与前方等质量甚至高质量的卡车发生追尾事故。由于卡车货箱非常刚硬,而轻卡的平头驾驶室没有任何吸能区,在碰撞当中轻卡驾驶室必然挤压变形造成驾驶员和乘员的严重伤害。经过调研多起轻卡碰撞交通事故,例如一辆轻卡以40km/h的速度撞击一辆轿车的侧面,其轻卡下部的底盘变形非常小,底盘的纵梁没有发生任何变形吸能,轻卡驾驶室车门可以正常打开,其碰撞能量全部由轿车所吸收。根据平头卡车实际交通事故的形式可推导出平头卡车的碰撞试验模式,必须要撞击一个模拟卡车尾部的凸型障碍物,而不是乘用车试验的平面刚性墙。因此,平头卡车气囊匹配碰撞试验借鉴乘用车采用平面刚性壁障.是完全错误的,这会导致所测试的加速度偏大,而在实际交通事故当中造成安全气囊不打开。平头卡车气囊匹配的壁障为凸形壁障,壁障宽度3m,高度1.2m、离地高度1.4m,轻卡碰撞可以适度调低离地高度。在卡车碰撞试验当中车身与突起壁障接触,而车架没有发生接触,这与交通事故当中的追尾事故基本符合。但是目前国内的碰撞实验室都没有这样的凸形壁障,因此在本项目当中只采用了平面刚性壁障。因为某款高端轻卡在设计当初没有考虑安全气囊的开发,则没有给安全气囊预留安装空间,但是在成本的限制下又不能重新开发仪表板和转向盘等部件。另外,ECU的布置位置、ECU支架的安装方式都是需要解决的问题。在零部件开发方面受着成本和安装空间的双重限制,成为本项目的一个难点。经过和卡车企业、安全气囊厂家、气囊标定公司的技术人员广泛交流,目前卡车安全气囊匹配最大的难点就是没有强制性碰撞法规要求,无法去评价安全气囊的性能。相比而言,乘用车已经建立了完整的安全气囊开发流程和新车评价体系。但是在卡车领域,欧洲的ECE-R29-02只能考核驾驶室的强度,没有评价整车碰撞当中对乘员的伤害。因此本款高端轻卡的安全气囊评价标准已经成为核心问题。单车式变桨型缓冲器可选用发挥明显误作用通常汽车的结构耐撞性能是乘员约束系统开发的基础,则首先要检验本款高端轻卡的驾驶室强度,按照欧洲的《商用车驾驶室防护》ECE-R29-02标准进行测试:第一项是采用摆锤拍击,其打击能量是29.4KJ(图1);第二项是顶部压溃(图3),采用刚性平板水平加载,其最大加载力为1.8t。经过测试,前部拍击试验后驾驶室车门可以正常打开,驾驶室内生存空间满足法规要求(图2);顶部压溃试验的加载力达到1.8t后,驾驶室车门可以正常打开,驾驶室顶部只下压了43mm的变形量,乘员生存空间满足法规要求(图4)。根据以上判断论证该驾驶室达到了安全气囊开发的要求。卡车安全气囊匹配试验包括实车碰撞试验和行驶误作用试验两大部分,先做采集试验,将所有的数据进行汇总和分析,由专业技术人员进行起爆标定并刷入安全气囊ECU;之后再做验证试验,验证气囊在各种碰撞当中对乘员的保护作用、气囊起爆程序是否正常等,并且对碰撞当中的乘员伤害进行优化。具体的整车碰撞试验见表1。安全气囊匹配试验的一个重要部分是误作用试验,即在非碰撞事故的状况下不能让安全气囊起爆。安全气囊的误作用比高速碰撞更加重要,安全气囊误爆会伤害乘员和增加维修费用,客户投诉将严重影响企业的声誉,车辆发生误作用的机率远远高于碰撞事故,所以主机厂必须重视安全气囊匹配和标定工作。相比乘用车而言,轻卡驾驶室和车架采用柔性弹簧悬置连接,误作用的冲击经过柔性弹簧悬置或者空气弹簧悬置过滤后达到车身的加速度很小,相对乘用车而言卡车的误作用容易一些(见表2)。对于安全气囊的评价,在乘用车领域通常评价假人的头部伤害、颈部伤害、胸部伤害。转向盘与安全气囊对乘员最佳保护的转向盘管柱倾角为25～30°,但是平头卡车的转向盘管柱倾角已经超过了50°,安全气囊无法有效保护胸部;另外,驾驶员的坐姿相对乘用车比较端正,安全气囊无法有效保护颈部。经过大量的调研和与国外专家探讨,认为评价平头卡车安全气囊的设计目标为假人头部伤害小于700。轻卡开发中的问题某款高端轻卡安全气囊开发的实施阶段,需要开发转向盘、驾驶员气囊模块、时钟弹簧、转向管柱、ECU支架、乘员侧气囊模块等部件。由于受到成本的限制,不能重新开发仪表板和转向盘等部件,因此在整个项目开发过程当中,必须借用其它项目的部件,这也是卡车安全气囊开发模块化的雏形。第一,在驾驶员气囊方面,借用了某款MPV的转向盘和驾驶员气囊,以节约开发费用和开发周期。通常轻卡的转向盘直径为420mm,骨架材质采用钢材;而某款MPV的转向盘直径为380mm,骨架材质采用镁合金。项目组安排人机工程部门进行视野和转向力的确认,由于本款高端轻卡是N1类卡车,总质量小于3.5t,虽然转向盘直径缩小40mm,但是转向力可以满足人机工程的要求,仪表板视野可以满足5%～80%的人体要求。由于方向管的安装花键发生了变化,因此需要更改转向管柱的安装花键,经过确认可以满足转向力矩的要求。时钟弹簧需要全新开发,样件开发周期在三个月。第二,在安全气囊ECU布置方面,需要将ECU布置在驾驶室前围中间位置根部,能够最快时间感应到碰撞事故的发生,并且ECU支架的共振频率必须大于500Hz。由于本款轻卡驾驶室在前期设计没有预留安全气囊ECU的安装,只能在仪表板暖风机下方选择一块250mm长、150mm宽的区域,焊接一个3mm的ECU支架,并且ECU的上表面与仪表板暖风机预留20mm的安装空间(图5)。经过激振测试,则ECU支架的共振频率达到852Hz,能够满足设计要求。第三,在乘员侧气囊方面,不能重新开发仪表板,只能在现有的仪表板上通过激光切割工艺开出长400mm、宽300mm、深350mm的空间。由于气囊展开时冲击力非常巨大,因此乘员侧气囊模块需要通过支架固定在仪表板横梁上;仪表板上再安装乘员侧气囊的盖板。由于这个盖板在长度和宽度方面比乘用车要大很多,因此这个零部件模具加工和样件注塑成型的难度都急剧增加,样件的开发成本占整个安全气囊开发成本的40%。样件开发完毕之后,先进行气囊误作用试验,按照表2的要求进行了各种路况的测试,以确保安全气囊不起爆;然后按照表1的要求进行整车碰撞试验,试验采用空载整备质量,配两个50%正面碰撞假人,经过碰撞试验验证,22km/h时气囊精准起爆,车门可以正常打开,安全气囊开发达到了预期的设计要求。论证正面碰撞和前部拍击两种试验工况,轻卡驾驶室的变形模式基本相同,今后类似车型的安全气囊开发当中,可以采用前部摆锤拍击试验来替代整车碰撞试验,达到节约开发成本的要求。单车结构形式的改变第一,前部摆锤拍击试验来替代整车碰撞试验,这样同样可以有效模拟实际当中的平头卡车追尾事故,可以节约大量的开发成本。如果平头卡车的驾驶室无法满足欧洲的《商用车驾驶室防护》ECE-R29-02标准,则不能进行安全气囊开发;第二,对于碰撞速度,建议中重型卡车最大速度为30km/h,轻型卡车为35km/h。由于平头卡车前端没有专用的碰撞能量吸收装置,其碰撞能量必然被驾驶室所吸收,一旦卡车驾驶室被严重挤压变形,则安全气囊即使起爆也无法发挥对乘员的保护作用。安全气囊只是在有限碰撞速度下的保护,不能误认为是所有碰撞事故当中的保护;第三,对于车型的选取,采用一款车型全系列车型当中最轻的一款4×2车型,兼顾考虑最重和满载的工况,组成一个整车碰撞安全的试验矩阵。其评