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主動式發(fā)動機(jī)罩開發(fā)要點(diǎn)簡介

2021-12-09 19:26:49·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
前言關(guān)注我們微信公眾號的小伙伴們應(yīng)該注意到了，在前面有一期我們介紹了主動發(fā)動機(jī)罩的一些基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)以及應(yīng)用前景等。那么主動式發(fā)動機(jī)罩在整車
前言
關(guān)注我們微信公眾號的小伙伴們應(yīng)該注意到了，在前面有一期我們介紹了主動發(fā)動機(jī)罩的一些基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)以及應(yīng)用前景等。那么主動式發(fā)動機(jī)罩在整車開發(fā)過程中，究竟是如何開發(fā)的呢？本期我們將對主動式發(fā)動機(jī)罩的開發(fā)要點(diǎn)做一個簡單的介紹。
在歐洲主動式發(fā)動機(jī)罩已經(jīng)是屬于一個比較普遍的配置，近幾年國內(nèi)開發(fā)主動式發(fā)動機(jī)罩的廠商也越來越多，C-NCAP也對主動式發(fā)動機(jī)罩的開發(fā)提出了一些要求，主要包含了對行人的偵測、頭部碰撞時間（HIT）、發(fā)動機(jī)罩負(fù)荷變形（Human body deflection）以及閉合狀態(tài)下（低門檻速度）對行人的保護(hù)。
圖1 主動式發(fā)動機(jī)罩開發(fā)要點(diǎn)
2、開發(fā)要點(diǎn)簡介
2.1
行人的偵測
對于主動式發(fā)動機(jī)罩來說，首先要保證的是車上配備的主動式發(fā)動機(jī)罩系統(tǒng)能夠在撞到行人后偵測到撞到的行人并做出反應(yīng)。
首先，在開發(fā)主動式發(fā)動機(jī)罩的時候會定義一個低門檻速度，即在此速度下汽車撞到行人之后會展開發(fā)動機(jī)罩對行人進(jìn)行保護(hù)。一般這個低門檻速度會根據(jù)每家廠商的需求來定義，會有所不同，大部分低門檻速度都處于20-30kph之間。


由于路上行人身高、體重以及年齡都有著較大的不同，C-NCAP要求主動式發(fā)動機(jī)罩系統(tǒng)必須能夠偵測到所有可能撞到的行人，因此，C-NCAP官方給出了一個腿型碰撞器PDI2定義為最難偵測的假人（HTD: Hardest To Detect）。若感知系統(tǒng)能夠在門檻速度下感知到PDI2并且展開發(fā)動機(jī)罩，則C-NCAP便認(rèn)為此系統(tǒng)是有效的。同時車廠如果認(rèn)為用PDI2不適合，則可以選擇自己用不同大小的行人保護(hù)假人來做此項(xiàng)工作，但是需要提供額外的仿真和文件，較為繁瑣。


圖2 PDI2（質(zhì)量約6.7kg，質(zhì)心離地約650mm）

圖3 可用于HTD的THUMS假人
目前主流的行人感知傳感器分為兩種，一種為壓力傳感器，另一種為加速度傳感器。由于壓力傳感器的覆蓋范圍可以均勻布置到整個前保范圍，同時根據(jù)壓力信號的不同可以相對來說比較容易去區(qū)分行人和其他撞擊物的區(qū)別。目前大部分車廠會選用壓力傳感器，用加速度傳感器在壓力信號不足的情況下作為補(bǔ)充。
壓力傳感器實(shí)為一條壓力管加兩個壓力傳感器，在壓力管兩端布置著兩個壓力傳感器，在車輛撞擊到行人之后，行人腿部在碰撞的過程中會壓縮壓力管造成壓力管中的壓力變化，壓力傳感器在感知到壓力管中的壓力變化后給出信號。

圖4 壓力傳感器
加速度傳感器一般都是貼在前保內(nèi)側(cè)，在撞擊到行人之后，通過傳感器上反饋的加速度來給出信號。
圖5 加速度傳感器安裝示意
由于PDI2的重量僅為6.7kg，因此在低門檻速度的情況下撞擊到汽車前保，撞擊力給前保的壓縮量較為有限，為了將這些壓縮量要盡可能的傳遞給壓力管，壓力管布置的區(qū)域需要為前保最突出的位置。同時由于PDI2的質(zhì)心離地約650mm，壓力管需要布置的位置高度盡可能與PDI2質(zhì)心高度保持一致。
因此，在項(xiàng)目開發(fā)的早期造型階段，采用壓力管傳感器的方式的車型需要對造型提出約束：
① 布置壓力管的區(qū)域前保造型需要在X向最凸出，從而保證與PDI2第一時間接觸；
② 壓力管布置的高度在Z向需要盡可能的靠近PDI2的質(zhì)心高度；
當(dāng)然，控制造型僅僅是第一步，在整車數(shù)據(jù)完善之后，需要對壓力信號進(jìn)行仿真分析，得知當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)下的信號強(qiáng)度狀態(tài)，若信號強(qiáng)度過弱或者過強(qiáng)，需要對前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證信號的強(qiáng)度。
為了降低主動發(fā)動機(jī)罩在日常使用中的誤報頻率，需要在開發(fā)過程中，去分析其他非行人類的障礙物的信號，比如小動物，垃圾箱等等。因此在開發(fā)過程中，也需要分析當(dāng)前狀態(tài)對不同障礙物的信號差異。
最終，這些碰撞信號需要通過樣車的實(shí)驗(yàn)來獲得，然后根據(jù)這些信號需要通過寫進(jìn)ECU里面，告訴ECU在什么情況下需要點(diǎn)爆發(fā)動機(jī)罩，在什么情況下不點(diǎn)爆發(fā)動機(jī)罩。
2.2頭部碰撞時間（HIT：Head Impact Time）
C-NCAP為了保證頭部碰撞實(shí)驗(yàn)盡可能的還原交通事故中的真實(shí)情況，對主動式發(fā)動機(jī)罩的實(shí)驗(yàn)提出了兩種實(shí)驗(yàn)方法：靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)。區(qū)別這兩種實(shí)驗(yàn)方法的方式為利用CAE仿真的方法，計(jì)算出車型從接觸到假人的軀干到頭部接觸到發(fā)動機(jī)罩的時間差，看主動式發(fā)動機(jī)罩系統(tǒng)能否在這個時間段內(nèi)將發(fā)動機(jī)罩頂升到展開位置。如果能夠在能撞擊到發(fā)動機(jī)罩的最小假人頭部接觸發(fā)動機(jī)罩之前展開發(fā)動機(jī)罩，則所有實(shí)驗(yàn)可以采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)展。如果不能滿足此要求，則不能滿足靜態(tài)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的點(diǎn)需要進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn)從而還原更真實(shí)的道路情況。
如何計(jì)算HIT？
HIT的計(jì)算方法都是采用THUMS假人去計(jì)算，主要包含了6歲兒童假人（6YO）、5%分位女性假人（AF05）、50%分位男性假人（AM50）和95%分位男性假人（AM95），目前豐田汽車公司已經(jīng)免費(fèi)將其THUMS假人開放供使用。
圖6 用于計(jì)算HIT的THUMS假人
計(jì)算HIT時，首先要確定的是哪個假人是頭部可以碰撞到發(fā)動機(jī)罩的最小假人，由于汽車由于車型的差異，最小假人可能是不同的。對于一般轎車，最小假人一般為6歲兒童。對于較高SUV，最小假人為5%分位女性假人。不過這個可以在整車模型建好后，以45kph的速度去撞擊假人右側(cè)便可以知道，假人擺放的位置需要是頭部質(zhì)心處于整車坐標(biāo)系Y0位置，且腳跟需要盡可能的貼近地面。需要注意的是，在計(jì)算HIT時，發(fā)動機(jī)罩位置需要是在閉合狀態(tài)。
如果HIT不能滿足靜態(tài)實(shí)驗(yàn)要求，則需要繪制一張HIT與WAD的關(guān)系圖，處于滿足發(fā)動機(jī)罩展開時間WAD以后的點(diǎn)可以采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，而不滿足的需要做動態(tài)實(shí)驗(yàn)。例如：圖7所示，如果機(jī)罩展開時間（TRT）一共為60ms，據(jù)此圖可以知道在60ms位置所對應(yīng)的WAD為1390，則WAD1390以前的碰撞點(diǎn)需要做動態(tài)實(shí)驗(yàn)，而WAD1390以后的點(diǎn)可以采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行。
圖7 HIT vs WAD圖示例
2.3發(fā)動機(jī)罩負(fù)荷變形(Human body deflection)
為了保證發(fā)動機(jī)罩的展開對行人頭部的保護(hù)是有效的，即展開的發(fā)動機(jī)罩在頭部撞擊到發(fā)動機(jī)罩的時候，發(fā)動機(jī)罩不會因?yàn)樾腥松眢w壓在上面的原因而被壓回到閉合狀態(tài)或者發(fā)生大的變形，C-NCAP對發(fā)動機(jī)罩負(fù)荷變形提出了要求。具體要求如圖8和圖9所示。
1.未展開仿真：40kph，中心線，行走姿態(tài)，50%分位假人（如果發(fā)動機(jī)罩沒有接觸5%分位假人）。所有尺寸在頭部第一接觸時刻頭部撞擊點(diǎn)垂直測量。
輸出：
（1）頭部接觸點(diǎn)Z向位移：z1
（2）頭部第一接觸時刻

圖8.1 發(fā)動機(jī)罩展開和未展開變形比較
2.展開仿真：40kph，中心線，行走姿態(tài)，50%分位假人（如果發(fā)動機(jī)罩沒有接觸5%分位假人）。
輸出：
（1）Z向位移：z2
（2） 展開高度：h2
圖8.2 發(fā)動機(jī)罩展開和未展開變形比較
3.要求：z2-z1<75%*h2
例如：
75mm – 50mm<75%*100mm
25mm<75mm (=OK)
4.仿真：40kph，中心線，行走姿態(tài)，50%分位假人（如果發(fā)動機(jī)罩沒有接觸到5%分位假人）。
z2：作用在發(fā)動機(jī)罩的垂直位移
h2：頭部撞擊點(diǎn)展開的高度
h3：在頭部撞擊點(diǎn)未展開發(fā)動機(jī)罩到發(fā)動機(jī)罩下面硬點(diǎn)的間距
要求：（h2+h3）- z2>0
圖9 發(fā)動機(jī)罩變形要求
為了滿足此要求，機(jī)罩展開后在開發(fā)過程中必須開發(fā)一個鎖止機(jī)構(gòu)保證發(fā)動機(jī)罩的展開位置。當(dāng)前鎖止機(jī)構(gòu)分為兩種：鉸鏈鎖止和點(diǎn)爆器鎖止。鉸鏈鎖止顧名思義就是在鉸鏈上設(shè)置一個鎖止機(jī)構(gòu)，在展開之后鎖止。點(diǎn)爆器鎖止是指點(diǎn)爆器在頂開發(fā)動機(jī)罩后，維持在展開鎖止位置阻止發(fā)動機(jī)罩回落。而點(diǎn)爆器鎖止為在點(diǎn)爆器點(diǎn)爆之后可以撐在展開位置保持發(fā)動機(jī)罩在展開位置不會回落。同時也要保證發(fā)動機(jī)罩本身的強(qiáng)度，不能太弱。
2.4閉合狀態(tài)下對行人的保護(hù)
由于主動式發(fā)動機(jī)罩需要在一定速度下才能展開，而在不展開的情況下也需要對行人有著保護(hù)作用，因此，C-NCAP需要提供在低門檻速度下，頭部的傷害值滿足一定要求：
1. 展開情況下預(yù)測為綠色、黃色和橙色的點(diǎn)，在閉合狀態(tài)下的傷害值不能超過1350;
2. 發(fā)動機(jī)罩考核區(qū)域在閉合狀態(tài)下，有不少于2/3的網(wǎng)格點(diǎn)傷害值不超過1000;
雖然主動式發(fā)動機(jī)罩能夠提供額外的空間保護(hù)頭部，但是為了滿足閉合狀態(tài)下的要求，在前期檢查空間布置的時候，還是需要預(yù)留一些空間能夠滿足閉合狀態(tài)下的傷害值要求。
2.5假人的認(rèn)證
目前Euro NCAP官方對開發(fā)主動式發(fā)動機(jī)罩的假人有認(rèn)證要求，具體要求可以參照文件TB024來進(jìn)行認(rèn)證，只有滿足了TB024認(rèn)證之后的假人才被Euro NCAP認(rèn)可。
而C-NCAP目前對假人認(rèn)證沒有做出要求，但是開發(fā)過程中，建議參照Euro NCAP的TB024文件對假人進(jìn)行認(rèn)證。
3總結(jié)與展望
行人保護(hù)五星得分要求越來越嚴(yán)格，同時造型對發(fā)動機(jī)艙布置的空間的要求越來越苛刻，國內(nèi)各大主機(jī)廠都紛紛開始嘗試開發(fā)主動式發(fā)動機(jī)罩，但是當(dāng)前主動式發(fā)動機(jī)罩仍然有著很多的弊端，比如開發(fā)成本高昂，誤報率高等。在以后的開發(fā)中，需要引進(jìn)一些更先進(jìn)且更廉價的方法來改進(jìn)此系統(tǒng)。
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