基于三点式安全带要求的车身结构优化

文 / 李直腾 连 理 胡桂金 汪德强 摘要:文章对某车型的三点式安全带固定点强度进行分析和试验验证,并根据试验结果进行结构的优化。经过对各关键区域进行两次结构优化之后,顺利通过安全带试验,满足法规要求。 关键词:三点式安全带;结构强度;车身结构 文章编号:2
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文 / 李直腾 连 理 胡桂金 汪德强

摘要:文章对某车型的三点式安全带固定点强度进行分析和试验验证,并根据试验结果进行结构的优化。经过对各关键区域进行两次结构优化之后,顺利通过安全带试验,满足法规要求。

关键词:三点式安全带;结构强度;车身结构

文章编号:2096-4137(2017)01-058-03  DOI:10.13535/j.cnki.10-1507/n.2017.01.13

汽车安全带是保护汽车乘员的基础,安全带固定点的强度是汽车被动安全的一个重要指标,也是国家汽车安全法规中的重要内容,是国家公告强检项目之一。对于汽车结构设计而言,如何满足越来越严格的安全带固定点强度要求成为各个汽车企业需要考虑的内容。

1 实车试验结果及分析

在某MPV车型的设计开发中,其中一种座椅配置要求为第二排三人座四六分形式,根据《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》(GB 14167-2013)的要求,该座椅上所有的安全带固定点均要求为三点式,同时,为了操作方便,除了靠近两边侧围的安全带固定点外,将其他所有的安全带固定点均布置在座椅上,其中中间位置的安全带上固定点布置在座椅的靠背上方,如图1所示。如此一来,中间位置的安全带固定点的拉力全部作用于座椅上,并通过座椅安装脚作用于车身地板上,所以该结构形式对于车身地板的强度要求很高,在结构设计过程中应重点考虑其影响。

在《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》(GB 14167-2013)中,对安全带固定点强度要求如下:沿水平斜向上10°±5°,每一个乘员座位的上人体模块和下人体模块均施加13500±200N的拉力,如有安全带固定点布置在座椅上,则需要在座椅上施加相当于座椅重力20倍的拉力;试验后,安全带安装点、座椅安装点不能失效,同时座椅靠背上的安全带固定点不能超过R点和C点所处的横向平面。

设计过程中,通过CAE仿真模拟分析,各个安全带固定点和座椅固定点均未失效,且座椅靠背上的安全带上固定点未超过R点和C点所处的横向平面(如图2所示),判断其结构强度满足法规要求。

设计完成后进行零件制造,并进行安全带强度试验。

试验结果表明,当各个人体模块的拉力施加至约12000N的时候,座椅安装点被拉脱,未能满足法规中要求的施加13500N并保持2秒不失效的要求,试验失败,如图3所示。

由实车的试验结果来看,失败的根本原因在于六分座椅右侧的翻转锁钩被拉断,从而将左侧的座椅安装锁杆拉脱,所以解决该问题的首要方法便是加强座椅上翻转锁钩的强度。

同时,对车身上的座椅安装点进行分析,发现座椅安装锁杆与地板上的焊接区域已经出现开裂(如图4所示),如果拉力继续增加,很可能将车身安装点直接拉脱,故此区域也需要进行加强。

2 结构优化及验证

2.1 结构优化一

通过对第一次试验结果的分析,进行结构的优化。

一是解决座椅放在锁钩被拉断的问题。加强座椅翻转锁钩的强度,使用抗拉强度更高的材料进行制造。

二是解决座椅安装锁杆焊接处开裂的问题。座椅安装锁杆与地板是通过二保焊进行连接的,在试验过程中,锁杆受到斜向上的拉力,使得此处二保焊处于撕裂的状态,而且并不是整体受力,而是只有前端受力。

为了改善座椅安装锁杆前端被撕裂的风险,在其中部增加一个U型的加强杆,加强杆的前端与地板使用二保焊进行焊接(如图5所示)。增加此加强杆后,座椅安装锁杆前端的受力由两点变为三点,且中间的点在受力时不是撕裂的状态,大大增加了该结构的可靠性。

三是试验结果与分析。进行以上两项更改后,重新制造样车并进行第二次安全带试验。

试验结果表明,各个座椅安装点均未失效,座椅安装锁杆也未发生开裂,但中间座位靠背的上固定点的位移超出了法规要求(如图6所示),试验仍然失败。

检查试验车发现,座椅后脚虽未发生开裂,但六分座椅右侧后脚处的地板变形严重(如图7所示),而由于该处下方为后地板横梁二的区域,故判断后地板横梁二的刚度不足。同时,六分座椅右侧前脚处下陷严重,该区域附近的焊点严重开裂(如图8所示),而由于该处下方为后地板横梁一的区域,故判断后地板横梁一的刚度

不足。

以上两根横梁的刚度不足,导致座椅后脚被拉起过高,而座椅后脚下沉过低,使得座椅旋转了一定的角度,最终导致座椅靠背上的安全带上固定点的位移过大,并超出法规区域。

2.2 结构优化二

通过对第二次试验结果的分析,再次进行结构的优化。

一是解决后地板横梁二刚度不足的问题。在后地板横梁二内部增加一个加强板,经CAE分析,增加该加强板后,六分座椅右侧后脚处的位移量有所降低。

二是解决后地板横梁一刚度不足的问题。在后地板横梁一内部增加一个加强板,经CAE分析,增加该加强板后,六分座椅右侧后脚处的位移量有所降低。同时,开裂焊点的应变由0.304降低至0.130,已低于0.20的开裂风险值如图10所示。

三是试验结果。进行以上两项更改后,再次制造样车,并进行第三次安全带试验。

试验结果表明,座椅安装点未发生失效,且中间座位靠背的上固定点的位移为超过R点所在的平面,满足法规要求,如图11所示。

3 结语

三点式安全带固定点的强度要求确实是对该种座椅形式的挑战。通过CAE分析以及实车试验,特别是对实车试验结果的详细分析,找出试验失败的原因,并制定解决方案,最终能够使该车型满足安全带法规要求,成功通过安全带强度公告强检试验。在后续的车型开发中,该结构方案能为车身地板的结构设计提供参考,同时该分析方法也能应用于其他领域的设计研究中。

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