CN109808771B - 一种车辆、副车架安装结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆、副车架安装结构及其设计方法，其中，副车架安装结构包括车身安装支架和连接螺栓，车身安装支架连接于副车架和地板第一横梁之间，连接螺栓用于连接车身安装支架、副车架的上连接板和下连接板，车身安装支架还固设有加强支撑，螺栓安装孔设有朝向加强支撑的缺口；碰撞过程中，连接螺栓挤压缺口使其发生撕裂变形并向加强支撑延伸，连接螺栓随撕裂变形移动至加强支撑处直至断裂。该副车架安装结构可在前悬尺寸一定的条件下，通过控制副车架与车身安装支架的变形以及螺栓失效增加整车动态碰撞空间，提高动态碰撞空间的承载能力，从而提高汽车整体的吸能效率，降低汽车动力总成对前围的侵入，减小对乘员舱的直接冲击。

Description

一种车辆、副车架安装结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体涉及一种车辆、副车架安装结构及其设计方法。

背景技术

目前，随着汽车行业的蓬勃发展，汽车各项法规也越来越完善，汽车碰撞安全性能要求也越来越高。实际上，对碰撞性能的要求很大程度上反应了对碰撞空间的要求，无论在传统车或是电动车型中，动力总成与前围结构的有效碰撞空间有限，在绝大部分车型中，前围的侵入都是动力总成撞击前围结构而导致，造成乘员舱结构变形，影响乘员安全。

为了提高成员的安全性，可增大汽车的前悬尺寸以提升前舱的吸能空间，但是前舱的尺寸有限，不能一味的增大，或者，通过减小动力总成的体积，以增大碰撞空间，此种方式目前从成本方面考虑可行性较低。

同时，对于传统车型及电动车，普通的副车架后安装点设计在碰撞过程中有两种基本表现形式：失效与不失效。对于目前前悬较短，前舱碰撞空间有限，副车架不失效设计必然会导致整车前舱变形表现刚硬，整车加速度过大，对乘员伤害较大，若通过约束系统及气囊配置来解决，整车设计周期及成本将大幅增加；若设计副车架安装点失效，虽然增加了动态碰撞空间，对碰撞有利，但动力总成不断向前围侵入，导致乘员舱变形过大，危害乘员生存空间。

因此，在前悬尺寸一定的情况下，如何降低汽车动力总成对前围的侵入，减小对乘员舱的直接冲击，提升其碰撞性能，对本领域的技术人员来说是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种车辆、副车架安装结构及其设计方法，可在前悬尺寸一定的条件下，通过控制副车架与车身安装支架的变形以及螺栓失效增加整车动态碰撞空间，提高动态碰撞空间的承载能力，从而提高汽车整体的吸能效率，降低汽车动力总成对前围的侵入，减小对乘员舱的直接冲击。

为解决上述技术问题，本发明提供一种副车架安装结构，包括车身安装支架和连接螺栓，所述车身安装支架连接于所述副车架和地板第一横梁之间，所述连接螺栓用于连接所述车身安装支架、所述副车架的上连接板和下连接板，所述车身安装支架还固设有加强支撑，所述加强支撑位于所述车身安装支架的螺栓安装孔和所述地板第一横梁之间，所述螺栓安装孔设有朝向所述加强支撑的缺口；碰撞过程中，所述连接螺栓挤压所述缺口使其发生撕裂变形并向所述加强支撑延伸，所述连接螺栓随所述撕裂变形移动至所述加强支撑处直至断裂。

汽车在发生碰撞过程中，汽车前舱的碰撞力传递至副车架(主要是动力总成对副车架的撞击)，当碰撞力达到一定程度时，车身安装支架开始发生塑性变形，此时，连接螺栓并未断裂，副车架并未从车身脱落，上连接板和下连接板将向后推动连接螺栓，连接螺栓将向后挤压车身安装支架使得螺栓安装孔处的缺口发生撕裂变形，并向后延伸至加强支撑，连接螺栓随撕裂变形移动至加强支撑处后，由于加强支撑的强度较大，撕裂变形停止，连接螺栓将夹持于上连接板、下连接板和加强支撑之间，上连接板和下连接板向加强支撑侧推动连接螺栓，此时，连接螺栓抵靠加强支撑，且其所受剪切力逐渐增大直至失效断裂，副车架从车身脱落。

相较于连接螺栓直接受力断裂失效，此种设计方案在连接螺栓断裂失效前，由于车身安装支架发生变形，其后端的支撑力并未完全消失，待撕裂变形至加强支撑处后连接螺栓受力持续增加直至断裂，增加了整车的动态碰撞空间，并且由于车身安装支架的变形也弱化了碰撞力，即能提高动态碰撞空间的承载能力。

因此，在汽车前悬较短、前舱吸能空间相对有限的情况下，此种结构设计方案能够增加整车动态碰撞空间，并能提高动态碰撞空间的承载能力，从而提高汽车整体的吸能效率，减小前舱整体变形距离，进而减小动力总成对前围结构的冲击，降低前围物理侵入量，保持乘员舱结构完整性，减轻对乘员的伤害。

可选地，还包括设于所述缺口和所述加强支撑之间的引导区，所述引导区设有用于导向所述撕裂变形的导向孔。

可选地，所述导向孔为平行四边形孔，且所述平行四边形孔的角度较小的两个角分别一一对应地朝向所述缺口和所述加强支撑。

可选地，所述引导区包括至少一排沿所述缺口和所述加强支撑之间的延伸方向设置的所述导向孔，且各排所述导向孔的数量至少为两个。

可选地，各排所述导向孔的总长度为33-37mm，且相邻两个所述导向孔之间的间隔为4-6mm。

可选地，所述加强支撑固设于所述车身安装支架的腔体内。

本发明还提供了一种具有上述副车架安装结构的车辆，具有与上述副车架安装结构相近的技术效果，为节约篇幅，在此不再赘述。

本发明还提供了一种如上所述的副车架安装结构的设计方法，在所述车身安装支架固设所述加强支撑，在所述螺栓安装孔加工出朝向所述加强支撑的缺口；并将所述缺口设计为：在所述连接螺栓的剪切力达到预设力值时发生撕裂变形，其中，所述预设力值小于所述连接螺栓的剪切极限。

当连接螺栓所受到的剪切力达到预设力值时，缺口开始发生撕裂变形，即该缺口是根据连接螺栓的预设力值进行设定的，以保证缺口在发生撕裂变形时连接螺栓是完整的，进而保证车辆在发生碰撞的过程中，在连接螺栓断裂前，能够通过车身安装支架发生塑性变形增加整车动态碰撞空间，并提高动态碰撞空间的承载能力。

可选地，所述预设力值＝所述连接螺栓的剪切极限值×综合系数×安全系数。

可选地，所述综合系数为0.9，所述安全系数为0.85。

附图说明

图1是本发明实施例的副车架与车身连接结构的俯视图；

图2是图1的仰视图；

图3是图1中副车架、衬板及车身安装支架的连接结构图；

图4是图1中车身安装支架的结构示意图；

图5是本发明实施例和现有技术中的连接螺栓在碰撞过程中所受剪切力对比图。

附图1-5中，附图标记说明如下：

11-上连接板，12-下连接板；

2-地板第一横梁；

3-车身安装支架，31-螺栓安装孔，32-缺口，33-加强支撑，34-导向孔；

4-连接螺栓；

5-衬板。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-5，图1是本发明实施例的副车架与车身连接结构的俯视图；图2是图1的仰视图；图3是图1中副车架、衬板及车身安装支架的连接结构图；图4是图1中车身安装支架的结构示意图；图5是本发明实施例和现有技术中的连接螺栓在碰撞过程中所受剪切力对比图。

本发明实施例提供了一种车辆、副车架安装结构及其设计方法，其中，如图1和图2所示，该副车架安装结构包括车身安装支架3和连接螺栓4，其中，车身安装支架3连接于副车架和地板第一横梁2之间，连接螺栓4用于连接车身安装支架3、副车架的上连接板11和下连接板12。如图4所示，车身安装支架3还固设有加强支撑33，该加强支撑33位于车身安装支架3的螺栓安装孔31和地板第一横梁2之间，即位于螺栓安装孔31的后方，并且螺栓安装孔31还设有朝向加强支撑33的缺口32。

汽车在发生碰撞过程中，汽车前舱的碰撞力传递至副车架(主要是动力总成对副车架的撞击)，当碰撞力达到一定程度时，车身安装支架3开始发生塑性变形，此时，连接螺栓4并未断裂，副车架并未从车身脱落，上连接板11和下连接板12将向后推动连接螺栓4，连接螺栓4将向后挤压车身安装支架3使得螺栓安装孔31处的缺口32发生撕裂变形，并向后延伸至加强支撑33，连接螺栓4随撕裂变形移动至加强支撑33处后，由于加强支撑33的强度较大，撕裂变形停止，连接螺栓4将夹持于上连接板11、下连接板12和加强支撑33之间，上连接板11和下连接板12向加强支撑33侧推动连接螺栓4，此时，连接螺栓4抵靠加强支撑33，且其所受剪切力逐渐增大直至失效断裂，副车架从车身脱落。

在连接螺栓4断裂失效前，由于车身安装支架3发生变形，其后端的支撑力并未完全消失，待撕裂变形延伸至加强支撑33处后连接螺栓4受力持续增加直至断裂，相较于连接螺栓4直接受力断裂失效，此种设计方案增加了整车的动态碰撞空间，并且由于车身安装支架3的变形也弱化了碰撞力，即能提高动态碰撞空间的承载能力。

另外，由图3可以看出，连接螺栓4连接车身安装支架3、上连接板11和下连接板12的同时，还连接有衬板5，该衬板5的设置是为解决底盘的异响而增加的，在本发明实施例中，缺口32发生撕裂变形，连接螺栓4推动撕裂变形移动时，该衬板5也发生弯折变形，该弯折变形进一步地弱化了碰撞力，即提高动态碰撞空间的承载能力。

因此，在汽车前悬较短、前舱吸能空间相对有限的情况下，此种设计方案能够增加整车动态碰撞空间、提高动态碰撞空间的承载能力，从而提高汽车整体的吸能效率，减小前舱整体变形距离，进而减小动力总成对前围结构的冲击，降低前围物理侵入量，保持乘员舱结构完整性，减轻对乘员的伤害。

在车身安装支架3发生塑性变形(即缺口32开始撕裂变形)时，连接螺栓4不能断裂，以保证能够通过车身安装支架3发生塑性变形增加整车动态碰撞空间，并提高动态碰撞空间的承载能力。因此，基于如上所述的车辆及其副车架安装结构，本发明实施例所提供的副车架安装结构的设计方法为在车身安装支架3固设加强支撑33，并在螺栓安装孔31加工出朝向加强支撑33的缺口32。该缺口32的设计为：在连接螺栓4的剪切力达到预设力值时发生撕裂变形，其中，预设力值小于所述连接螺栓4的剪切极限。

当连接螺栓4的剪切力未达到该预设力值时，可保证连接螺栓4不断，该缺口32是根据连接螺栓4的预设力值进行设定的，以保证缺口32在发生撕裂变形时连接螺栓4是完整的，进而保证车辆在发生碰撞的过程中，在连接螺栓4断裂前，能够通过车身安装支架3发生塑性变形增加整车动态碰撞空间，并提高动态碰撞空间的承载能力。

在本实施例中，该预设力值可根据以下公式进行计算：

预设力值＝连接螺栓4的剪切极限值×综合系数×安全系数。

其中，连接螺栓4的剪切极限值是指该连接螺栓4在纯受剪切力的情况下的极限值，而在实际碰撞过程中，在碰撞初期，连接螺栓4所受到的碰撞力相对单一，主要受剪切力的作用，但在碰撞后期该连接螺栓4同时还受到拉力的作用，并且失效往往是剪切力和拉力二者结合作用所导致的，因此，在此处设有综合系数，将连接螺栓4的剪切极限值×综合系数所得到的新的极限值为连接螺栓4在实际碰撞过程中(同时受剪切力和拉力的作用)所能承受的最大剪切力。其中，根据多次连接螺栓4综合受力测试确定该综合系数的取值为0.9。最大剪切力再乘以安全系数即可得到上述预设力值，在本实施例中，将安全系数取值为0.85。通过上述公式获得的预设力值可充分保证缺口32在发生撕裂变形时，连接螺栓4保持完整，并留有一定的余量，避免发生连接螺栓4所受到的剪切力在未达到剪切极限值时，因其所受拉力足够大所导致的连接螺栓4断裂的情况，可靠性高。

当然，在本实施例中，对综合系数和安全系数的取值并不做限定，具体可根据实际情况设置。

为确保车身安装支架3在发生塑性变形时，从缺口32处发生的撕裂变形能够延伸至加强支撑33处，在本实施例中，如图4所示，还设有引导区，该引导区位于缺口32和加强支撑33之间，在该引导区内设有用于导向撕裂变形的导向孔34。也就是说，缺口32处的撕裂变形仅是一个开始，该撕裂变形在引导区导向孔34的导向作用下，可保证其延伸至加强支撑33处，避在延伸过程中免发生偏移，避免偏移所导致的连接螺栓4受力增加，出现撕裂变形在延伸至加强支撑33处之前连接螺栓4已经断裂失效的情况。

同时，在相同条件下，撕裂变形从缺口32经引导区延伸至加强支撑33处的方案相较于撕裂变形从缺口32直接延伸至加强支撑33处的方案来说，其延伸路径的长度可设置较大，即车身安装支架3发生撕裂变形的部分长度较长，用于弱化碰撞力的塑性变形量较大，对动态碰撞空间的承载能力提高幅度较大。

另外，将导向孔34设置为截面为平行四边形的孔，且该平行四边形孔中角度较小的两个角分别一一对应地朝向缺口32和加强支撑33，通过该平行四边形孔中的两个尖角对撕裂变形起引导作用，相较于圆角、钝角等，尖角的引导效果更好。当然，在本实施例中，对导向孔34的具体形状并不作限制，如还可将其设置为圆形孔或各内角均为锐角的多边形孔，并在朝向缺口32的一侧和朝向加强支撑33的一侧分别开设有尖角或缺口32等，只要该导向孔34能够将撕裂变形从缺口32处引导至加强支撑33处，避免撕裂变形的延伸路径发生偏移即可。

对引导区内的导向孔34的排列、尺寸等均不作要求，具体的可根据所用车辆的车型进行设计，以满足不同车型的需要，只要其能够起到引导撕裂变形从缺口32延伸至加强支撑33处，并保证连接螺栓4随该撕裂变形移动至加强支撑33处断裂即可，适用性好。

在本实施例中，导向孔34设置在缺口32和加强支撑33之间的延伸方向上，引导区包括至少一排沿此方向设置的导向孔34，即可以设置一排、两排甚至在空间允许的情况下设置多排导向孔34均可。同时，各排导向孔34的数量至少为两个，可以设置为两个、三个或更多个，也就是说，撕裂变形在经过引导区时，需至少经过两个导向孔34的导向作用使其延伸至加强支撑33处，相较于只设置一个导向孔34的方案来说，导向孔34的孔径可设置较小，其对车身安装支架3的强度影响较小，并且多个导向孔34的设置使得给引导区的力学性能较好，相邻两个导向孔34之间的间隔对撕裂变形起到一定的阻碍作用，即弱化撞击力，有利于提高此段的动态碰撞空间的承载能力。

将各排导向孔34的总长度设置为33-37mm，若总长度设置过长，可能影响车身安装支架3的强度，若总长度设置过短，则可能导致引导性能不明显，连接螺栓4受力增加的时间较短，不能最大限度的提升车辆动态碰撞空间。在本实施例中，如图4所示，将其设置为35mm，可在保证最大限度的提升车辆动态碰撞空间的同时保证车身安装支架3强度。

将相邻两个导向孔34之间的间隔设置为4-6mm。若该间隔设置太小，则该间隔对连接螺栓4的作用力较小，引导区趋近于一个较大的孔，使其力学性能较差，但若间隔设置太大，可能出现该位置没有完全撕裂螺栓已经断裂的情况。在本实施例中，将相邻两个导向孔之间的距离设置为5mm，可在保证引导区力学性能的同时确保连接螺栓4能顺利沿撕裂变形移动至加强支撑33处。

如图4所示，在本实施例中，将其设置于车身安装支架3的腔体内，相较于将其设置于车身安装支架3的外表面，设于腔体内使得该加强支撑33的增设不影响原有的结构。两者的固定方式选为焊接，保证其结合强度。另外，加强支撑33位于螺栓安装孔31和地板第一横梁2之间，对其具体大小、位置均不做限制，只要其能够阻挡撕裂变形的沿伸，并且抵挡住连接螺栓4直至其受力增加失效断裂即可。

在上述实施例中，对连接螺栓4的规格不做限制，其具体规格可根据车型的不同，车身安装支架3的强度等条件进行选择，如针对SUV车辆，选用规格为M12×10.9的连接螺栓4，其拉伸极限为87KN，剪切极限为45KN。根据如上所述的设计要求，在车身安装支架3开始塑性变形(即缺口32发生撕裂变形)时，连接螺栓4需保持完整，考虑综合系数和安全系数，该连接螺栓4的预设力值为45×0.9×0.85＝34.4KN。即当连接螺栓4所受到的剪切力达到34.4KN时车身安装支架3的缺口32开始发生撕裂变形。

具体的，图5所示为本发明实施例(优化后，实线)和现有技术(优化前，虚线)中的连接螺栓在碰撞过程中所受剪切力对比图，其中：

在t1时：连接螺栓4受到的剪切力达到34.4KN，车身安装支架3开始变形，即缺口32处开始发生撕裂变形；

t1-t2时间段内：连接螺栓4随撕裂变形向加强支撑33移动，所受剪切力减小，当连接螺栓4随撕裂变形经过引导区时，连接螺栓4所受剪切力继续减小，直至t2时，该连接螺栓4随撕裂变形移动至加强支撑33处；

t2-t3时间段内：连接螺栓4抵靠加强支撑33不再移动，受力持续增加直至在t3时刻断裂。

从图5中可以看出，车辆在发生碰撞过程中，在t1前，车身安装支架3和连接螺栓4全程共同受碰撞力的作用，在t1时，连接螺栓4所受到的剪切力达到34.4KN，此时，优化前的方案中连接螺栓4受到的剪切力曲线曲率较大，即剪切力持续增加直至断裂，而优化后的方案中，由于在t1后，车身安装支架3的缺口开始发生撕裂变形，连接螺栓4随撕裂变形移动，其所受剪切力减小，直至移动至加强支撑33处，剪切曲线曲率变大，连接螺栓4受力持续增加直至断裂。

优化后的本方案相对于优化前的方案来说，增加了承载时间T，并在此段时间内通过车身安装支架3通过撕裂变形弱化碰撞力，减小整个前舱的变形量，进而减小对乘员舱结构的直接冲击，保证成员的安全。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种副车架安装结构，包括车身安装支架(3)和连接螺栓(4)，所述车身安装支架(3)连接于所述副车架和地板第一横梁(2)之间，所述连接螺栓(4)用于连接所述车身安装支架(3)、所述副车架的上连接板(11)和下连接板(12)，其特征在于，

所述车身安装支架(3)还固设有加强支撑(33)，所述加强支撑(33)位于所述车身安装支架(3)的螺栓安装孔(31)和所述地板第一横梁(2)之间，所述螺栓安装孔(31)设有朝向所述加强支撑(33)的缺口(32)；

碰撞过程中，所述连接螺栓(4)挤压所述缺口(32)使其发生撕裂变形并向所述加强支撑(33)延伸，所述连接螺栓(4)随所述撕裂变形移动至所述加强支撑(33)处直至断裂。

2.根据权利要求1所述的副车架安装结构，其特征在于，还包括设于所述缺口(32)和所述加强支撑(33)之间的引导区，所述引导区设有用于导向所述撕裂变形的导向孔(34)。

3.根据权利要求2所述的副车架安装结构，其特征在于，所述导向孔(34)为平行四边形孔，且所述平行四边形孔的角度较小的两个角分别一一对应地朝向所述缺口(32)和所述加强支撑(33)。

4.根据权利要求2或3所述的副车架安装结构，其特征在于，所述引导区包括至少一排沿所述缺口(32)和所述加强支撑(33)之间的延伸方向设置的所述导向孔(34)，且各排所述导向孔(34)的数量至少为两个。

5.根据权利要求4所述的副车架安装结构，其特征在于，各排所述导向孔(34)的总长度为33-37mm，且相邻两个所述导向孔(34)之间的间隔为4-6mm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的副车架安装结构，其特征在于，所述加强支撑(33)固设于所述车身安装支架(3)的腔体内。

7.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的副车架安装结构。

8.一种如权利要求1-6任一项所述的副车架安装结构的设计方法，其特征在于，在所述车身安装支架(3)固设所述加强支撑(33)，在所述螺栓安装孔(31)加工出朝向所述加强支撑(33)的缺口(32)；

并将所述缺口(32)设计为：

在所述连接螺栓(4)的剪切力达到预设力值时发生撕裂变形，其中，所述预设力值小于所述连接螺栓(4)的剪切极限。

9.根据权利要求8所述的副车架安装结构的设计方法，其特征在于，所述预设力值＝所述连接螺栓(4)的剪切极限值×综合系数×安全系数。

10.根据权利要求9所述的副车架安装结构的设计方法，其特征在于，所述综合系数为0.9，所述安全系数为0.85。

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