某型M2类平头轻型客车碰撞安全性能研究
（北汽福田汽车工程研究院,北京,102206）
摘 要：作者对M2类平头轻型客车进行研究，通过对欧洲VAN、丰田新海狮的碰撞性能进行深入研究，归纳总结国内M2类平头轻型客车碰撞安全性能设计方法，最后通过某型M2类平头轻型客车碰撞CAE分析，得出一些结论供读者和汽车设计人员参考
关键词：碰撞；轻型客车
Study on M2 light bus crashworthiness
TANG Bo ，ZHAO Xiaohong
（BEIQI FOTON Motor Co,Ltd, Beijing,102206）
Abstract：There are many research in M2 light bus crashworthiness, some advise and analysis were advanced on management on M2 light bus crashworthiness, such as IVECO and TOYOTA HIACE .In this paper, author introduce many domestic and abroad M2 light bus crashworthiness, and discuss this study experience together.
Key words：crash；light bus
1. M2类平头轻型客车在中国市场潜力巨大
M2类客车是指包括驾驶员座位在内大于9座、最大设计总质量小于等于5吨的客车。其中10座——13座是目前旅行车和商务车最实用的座位数，车型主要以欧洲的VAN和日本的丰田新海狮为代表的两种典型车型。由于欧洲VAN采用发动机前置和前部短鼻设计（例如图1南京依维柯和图2福特全顺），这类车型碰撞安全性能相对于平头客车有明显提高。但是目前中国整车碰撞法规没有对M2类客车没有强制性法规要求，并且长头客车在空间利用率比平头客车低，价格也比平头客车高，因此以丰田新海狮（图3所示）为标杆的M2类轻型客车在中国市场有非常大的市场。目前国内多个厂家都以丰田新海狮为技术标杆设计具有自主知识产权M2类平头轻型客车。
丰田新海狮虽然是M2类平头客车，但是其配备了预张紧限力安全带、双安全气囊（图4所示）、吸能转向管柱、前部碰撞安全吸能机构等等先进配置，其碰撞安全性能完全可以满足M1类的碰撞强制性法规。丰田新海狮的座位数在10座—13座，可以满足旅行车和商务车的需求，也可以根据实际需要改装为接送学生的校车、房车、指挥车、封闭式货车等等。自主品牌的M2类轻型客车价格区间在9万——13万，比同等配置的长头旅行车和商务车便宜4万元以上，其市场潜力非常巨大，将成为南京依维柯和福特全顺最强劲的竞争对手。
2. 某款M2类平头轻型客车碰撞安全性能开发的难点
某款M2类平头轻型客车碰撞安全性能开发的目标是中国正面碰撞安全法规GB11551-2003，虽然对M2类客车不是强制性法规，但是作为旅行车和商务车的技术卖点，碰撞安全性能必须要满足M1类的法规要求，并且匹配预张紧限力安全带、双安全气囊、吸能转向管柱。但是由于平头结构必然造成碰撞吸能区域过于短小，很难满足50km/h的正面碰撞前部吸能压缩空间要求。在碰撞当中方向盘向后和向上发生位移，必然对驾驶员造成严重的伤害。很多同类车型在碰撞试验当中都无法满足GB11551-2003的要求。
作者对某款M2类平头轻型客车（图5所示）进行碰撞安全性能CAE分析，对此类车型的碰撞安全性能开发难点进行详细阐述。作者采用HYPERWORKS做前后处理，采用LS-DYNA做计算，总模型的网格数量高达154万，网格划分尺寸为10mm，最小网格尺寸为3mm，其中前纵梁吸能区域的网格尺寸为5mm，用LS-DYNA软件20个CPU计算时间为20小时。
根据以上分析（图6—图10所示）发现，目前本车型的前部变形吸能空间无法满足GB11551-2003法规的要求，车门（图7所示）出现了挤压变形，必然造成前排车门在碰撞试验后无法打开，防火墙向乘员舱的侵入量过大（图9所示），其中两个膝盖位置的变形量已经为POOR（图10所示），必然造成驾驶员的大腿伤害值超标。方向盘匹配了下端压溃吸能装置，没有造成严重的向后和向上的位移。
3. 对某款M2类平头轻型客车碰撞安全性能的改进
根据以上的CAE分析结果，对于前门无法正常打开的问题，经过碰撞团队讨论认为前部的碰撞吸能空间过于小，经过计算碰撞安全吸能区域的长度要大于500mm，碰撞必须在A柱位置变形全部停止，并且防止出现过度的PITCH（尾部跳起）。具体的解决方案为：吸能端在现有的基础上增加50mm，吸能端采用超高强度钢，其抗拉强度大于800MPa；防止纵梁吸能端出现过度的折弯（图11和图12所示）。
图12 改进后的加速度与变形曲线
对于本款车型的乘员约束系统，必须匹配吸能式转向管柱，防止因为下部转向机构变形造成方向盘向上和向后的位移，其吸能式转向管柱的压溃力为2KN。经过分析发现，下部压溃端在碰撞当中压缩了60mm，有效防止了因为转向机碰撞变形造成的位移（图13和图14所示），从而保护驾驶员的胸部。
图14 碰撞后的转向系统
4. 对安全气囊ECU固定位置的分析
为了保证某款M2类平头轻型客车顺利通过中国正面碰撞强制性法规GB11551-2003，并且作为本车型配置和技术上的卖点，必须要给本款车型匹配双安全气囊。安全气囊的ECU通常固定在防火墙后的动力通道前端，但是本款车采用中置发动机，发动机在前排座位下方，前部没有传统意义上的动力通道，现有ECU位置在碰撞试验当中会发生塑性变形（图15所示），必然影响安全气囊ECU的正常工作以及安全气囊起爆时间。ECU安装支架需要做激振试验，要求局部第一阶振动频率大于500Hz。通过LS-DYNA的隐式算法计算发现，现有的ECU安装支架局部第一阶振动频率仅仅为350Hz，需要增加ECU安装支架的刚度。
经过多轮分析，将防火墙的厚度从0.8mm增加到1.2mm，安装支架从1.0mm增加到2.0mm，并且在安装支架上增加横向和纵向的筋槽，将ECU安装支架第一阶振动频率（图16所示）从350Hz提升到682Hz，同时也减少了ECU安装支架在碰撞当中的变形量，有效提高了安全气囊的整体安全性能，防止因为ECU支架出现的误爆现象。
图16 安全气囊ECU安装支架的模态分析
因为M2类平头轻型客车的前部吸能端很短，安全气囊的引爆时间必须控制在18ms以内，方向盘的倾斜角度为35度，在碰撞当中有效保护驾驶员的头部、颈部、胸部。预张紧限力安全带的引爆时间控制在15ms以内，必须保证预张紧限力安全带的引爆时间比安全气囊提前3ms，才能保证预张紧限力安全带和安全气囊协调工作，以更好保护驾驶员和乘员。
5. M2类平头轻型客车碰撞安全性能开发的总结和建议
M2类平头轻型客车主要用作旅行车和商务车，相对于其它低廉的中巴车，其碰撞安全性能是非常重要的卖点。虽然整车碰撞安全强制性法规对M2类客车没有要求，但是要在前期设计当中考虑碰撞安全性能。
第一，M2类平头轻型客车不是MPV，在C-NCAP和EURO-NCAP当中都没有对M2类平头轻型客车进行测试，因为其碰撞安全性能的设计目标为GB11551-2003，其它的法规不要过于考虑，否则会造成车辆的成本增加和设计资源浪费；
第二，传统认为平头车碰撞安全性能不如长头车，这是片面的论证；M2类平头轻型客车在匹配预张紧限力安全带、双安全气囊、吸能式转向管柱、前部碰撞安全吸能机构等配置之后，M2类平头轻型客车的碰撞安全性能可与长头车相媲美；
第三，M2类平头轻型客车在中国有非常大的市场，在最近的三年之内将有爆发性的增长。从保护车辆内乘员安全的角度出发，M2类平头轻型客车必须要考虑碰撞安全性能。建议：在最近修改的《汽车正面碰撞的乘员保护》法规当中，将M2类10座—13座的旅行车和商务车纳入到法规考察车型范围之内，通过强制性法规提高M2类平头轻型客车的碰撞安全性能。
参考文献：
[1] 唐波，基于LS-DYNA软件利用爆炸法预测卡车车架开裂位置，《商用汽车》杂志2009年10期
[2] 欧盟理事会机动车型式认证指令，中国汽车技术研究中心，2003年。
作者简介：
赵晓红，北汽福田汽车工程研究院产品认证部，从事多年的产品认证和标杆车研究工作，拥有丰富的卡车研究经验。联系方式：北京市昌平区沙河镇沙阳路，北汽福田汽车工程研究院产品认证部 。邮编：102206。唐波，北汽福田汽车工程研究院整车性能中心性能开发二部，从事多年CAE分析和卡车驾驶室强度设计，拥有丰富的卡车设计经验。
文章来自第七届中国CAE工程技术分析年会论文集
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