本文通过分析发动机舱纵梁结构碰撞过程受力变形的机理，详细阐述了纵梁前端吸能区、结构截面形状与尺寸及碰撞力传递方面对整车碰撞性能方面的影响，表明发动机舱纵梁结构设计对整车碰撞性能的重要性。

随着国内外市场对汽车安全性能越来越多的关注，以及国内、欧美地区对于乘用车碰撞法规的要求越来越严格，乘用车白车身结构设计需要满足更高的要求。对于全承载式车身来说，发动机舱纵梁结构作为重要的框架结构件，其设计的合理性对于整车前碰、前偏置碰性能具有重大影响，因此了解纵梁结构设计对碰撞性能的影响对整车性能、品质提升具有重要的意义。

发动机舱纵梁结构碰撞受力变形的机理

从国内外碰撞法规中的碰撞星级评分规则可知，车身A柱及前围入侵量过大将直接或间接影响整车碰撞星级得分；而根据头部性能指标规定，头部合成加速度超过80 g的时间累计不能超过3ms；根据颈部伤害指标等内容知，在几十毫秒的碰撞过程中，车内碰撞加速度值不应过大，需要稳定在一个适当低的水平。

从整车碰撞性能及驾乘人员被动安全方面进行分析，发动机舱纵梁结构应设计为前端容易变形，以便充分吸收碰撞能量；与A柱、前围连接的后部结构强度较高，以支撑前部变形吸能，减少碰撞过程中A柱及前围板的入侵量，从而有效减少对驾乘人员的伤害。纵梁后部可能产生的折弯变形、前端的变形模式和变形特性也要满足特定要求，在纵梁溃缩吸能过程中使车内（一般设定为车体内侧B柱下方）的碰撞加速度峰值不应过高，且不应产生剧烈的变化，把乘员头颈能承受的惯性力控制在合理范围内。图1为车内碰撞加速度曲线，应尽量使加速度变化控制在虚线框范围内，实线表示的加速度曲线具有较大的波动，并且加速度峰值在局部碰撞时区表现过大，不利于驾乘人员的安全。

此外，合理设计发动机舱纵梁碰撞力的传递路径也非常重要，发生碰撞时，发动机舱纵梁除了前端溃缩变形、后部局部屈服变形所吸收的能量，剩余能量需要有效传递到白车身整体框架结构。为减小A柱和前围区域的变形，发动机舱纵梁所受的碰撞力需要尽量传递到下车体框架结构。

发动机舱纵梁结构设计对碰撞性能的影响

1. 发动机舱纵梁前端自由吸能区设计对碰撞性能的影响

研究表明，合理的纵梁结构可吸收整个碰撞能量的30%～50%。根据前面纵梁碰撞变形分析，在前碰、前偏置碰过程中，发动机舱纵梁前端需要充分的变形吸收能量，为此，车身通常的设计方法是在纵梁前端设计一些诱导槽特征，如凹槽、菱形凹口、球状压痕、塑性压痕和孔洞等，其中，诱导槽为圆形凹槽特征时结构的可压缩性最好。发动机舱纵梁诱导槽特征的位置设计较为复杂，它决定了纵梁结构的平均碰撞压溃力及整体的变形形态，若纵梁整体变形吸能不合理，将存在A柱、前围变形入侵量过大，车内加速度曲线波动峰值较大的风险，影响整车碰撞性能。

发动机舱纵梁前端自由吸能区的设计长度与整车前舱布置有关，由于发动机、变速器和电池等发动机舱内的部件均为缸体，本身不参与变形吸能，因此，在汽车设计的总体布置阶段，需要考虑整个前舱（车身前围与前保之间的区域）的自由碰撞距离。该自由碰撞距离在整车设计前期可分析估算，如公式（1）所示：

v22 - v12 = 2αS （1）

αp = 2α

其中v2设定为初始碰撞速度50km/h，v1为0（碰撞停止），α设定为碰撞过程平均加速度，可根据整车碰撞性能设定选取合理的峰值加速度值αp得出，最终设定合理的自由碰撞距离S。整车碰撞前端溃缩距离（包括前保压溃距离、吸能盒溃缩距离及发动机舱纵梁前端变形溃缩区）的设计应小于自由碰撞距离S，这样可避免碰撞时刚性物体直接挤压前围，使前围结构过度变形入侵。

2. 发动机舱纵梁结构形状及尺寸对碰撞性能的影响

发动机舱纵梁除了需要设计前端的溃缩变形区外，还要保证纵梁本身一定的抗平均碰撞力及抗弯性能，如果纵梁强度不足，受力过早弯曲失稳，影响前部能量吸收不足，就会导致后部车体结构承受较大冲击力，A柱、前围区将产生较大变形；同时纵梁过早弯曲失稳也不利于乘员舱内加速度变化量控制，纵梁弯曲屈服的瞬间会使车内加速度迅速降低，但由于剩余的碰撞能量较多，将可能引起后续加速度峰值的过高，影响碰撞性能。

在设计前期，需要对发动机舱纵梁后部，尤其是与A柱、前围连接区域的结构强度进行分析。该区域结构强度可通过公式（2）进行分析计算：

E = 1/2 Mv2

F = E/S （2）

其中E为碰撞吸收能，M为汽车碰撞时的整车重量，v为初始碰撞速度50km/h，S为公式（1）中估算的自由碰撞距离，最终可估算出纵梁所需承受的平均碰撞载荷力F。

从公式（2）可以看出，不同重量的汽车，对于白车身前舱框架结构的强度要求是不同的，车身越重，结构强度要求越高。框架梁的结构强度与梁的截面形状、截面尺寸以及材料有很大的关系。

（1）发动机舱纵梁截面形状对结构抗碰撞力的影响

大量研究表明，纵梁框架截面的高宽比对梁的抗平均静态碰撞力有较大的影响，不同形状、高宽比及纵梁截面可以得到不同强度性能的纵梁结构。下面用相同重量、厚度及周长的材料组成不同截面，以1:1高宽比纵梁截面为基准，进行平均静态碰撞力的对比（见图2）。

从图2可以看出，截面形状为正八边形的纵梁抗平均静态碰撞力最好，其次是圆形、正六边形，再其次是矩形。矩形截面的性能对比显示，高宽比越接近1，其抗平均静态碰撞力的性能越好。抗平均静态碰撞力性能好的纵梁，在碰撞过程中，压溃变形小，能够吸收更多的轴向能量。

全承载式白车身由于受到冲压、焊接工艺及结构布置方面的限制，发动机舱纵梁结构一般设计为矩形截面。发动机舱纵梁一般由两块钣金拼焊而成，不同的搭接方式设计也会导致不同的纵梁结构强度，对相同重量、厚度及周长组成的截面进行平均碰撞力计算对比可知，不同纵梁总成的搭接方式设计，可以得到不同抗平均静态碰撞力性能的纵梁（见图3）。同时可看出，纵梁截面形状设计的拐角越多，就越能够减小压溃变形量，吸收越多的轴向能量，有利于白车身碰撞性能的提升。

图5  前碰过程碰撞力的传递路径

（2）发动机舱纵梁截面尺寸对结构抗碰撞弯曲性能的影响

发动机舱纵梁设计由于受到相邻部件，如发动机、变速器及前轮胎等部件布置的影响，发动机舱纵梁往往会在局部区域设计一些凹陷的避让特征，以满足其它零部件的布置与功能实现需求，而这些特征往往引起纵梁碰撞时折弯或溃缩变形，从而对整车碰撞性能产生较大影响。

对发动机舱纵梁的结构碰撞时的抗弯强度的分析，通常可通过截面系数的分析对比来进行，理论上截面系数可通过公式（3）求得：

Wz = Iz/ymax （3）

Wy = Iy/zmax

式中，Iz、Iy表示截面形心坐标轴的惯性矩，ymax、zmax表示截面外端到形心坐标轴的最大距离；Wz 、Wy表示两个轴向的弯曲截面系数。截面系数也可通过专用CAE软件HYPERMESH求得。某个轴向的截面系数越大，说明纵梁在该轴向的抗弯强度越大。发动机舱纵梁的截面尺寸的变化对截面系数的变化较大，从而对整体抗弯强度具有很大的影响。

结合某款SUV发动机舱纵梁设计为例，对发动机舱纵梁原有截面进行Y向变窄5mm截面、Y向变窄10mm截面以及局部设计避让特征的最小处截面进行截面系数的计算。原有纵梁截面宽高比约为1.4，根据尺寸变化情况及碰撞受力变形分析，只对截面Z轴的截面系数WZ进行计算分析，截面系数计算对比（见图4）。

从图4可以看出，发动机舱纵梁的截面尺寸的变化对截面系数的变化较大，尤其对于上述的最小截面，截面系数减小了约33.5%，相当于该处体抗弯强度比正常纵梁截面减弱33.5%。由此分析可知，发动机舱纵梁结构在设计避让特征以及从布置方面减小纵梁截面尺寸时，需要考虑其对纵梁抗弯强度以及整车碰撞性能的变化，来进行分析计算。

3. 发动机舱纵梁结构碰撞受力传递分析

除了上述的影响因素外，发动机舱纵梁的设计还需要充分考虑碰撞力的传递路径。为减小碰撞对A柱、前围的变形，发动机舱纵梁上受到的碰撞力应尽量传递到下车体框架结构。为了满足发动机舱纵梁与A柱、前围搭接处的结构强度，同时合理引导碰撞力的传递，发动机舱纵梁设计一般需要考虑往后贯通到地板框架结构上，同时整个纵梁的前后方向应尽量设计平直。此外纵梁在A柱、前围搭接区域需要设计扭矩盒及连接梁结构与地板门槛、地板纵梁进行有效连接，便于将碰撞力分散传递到整个地板框架结构上。因此，可以设计合适的白车身下车体框架前碰的碰撞力传递路径（见图5）。

结语

综上所述，发动机舱结构设计对整车碰撞性能具有重大影响，在设计前期应先进行分析计算，合理计算前舱自由变形区长度及纵梁结构应受碰撞强度，据此设定纵梁前端溃缩区、纵梁的截面形状及尺寸、材料及碰撞力传递路径等。同时，在整车布置设计时，应充分了解发动机舱纵梁结构对碰撞性能的影响，不能随意对其尺寸、形状进行变更或者随意增加避让特征、加强筋特征。

发动机舱纵梁设计必须与整个白车身框架结构一起进行分析计算，该过程比较复杂，必须借助CAE软件进行碰撞模拟计算。通过对白车身结构特征进行不断地优化设计，才能最终得到满足碰撞性能需求的白车身结构。