2020年06月11日 | 低速碰撞中的汽车雷达抗冲击性及性能保护研究

由于汽车造型和布置限制，汽车雷达若无法避开低速碰撞摆锤的直接冲击，很容易碰撞损坏。

本文基于等效静态载荷理论，采用静压试验方法，建立了汽车雷达受损评价标准，通过对雷达周边零件的材料和结构优化设计，有效的实现了对某项目汽车后端雷达受低速碰撞冲击的性能保护。本文创建的汽车雷达在低速碰撞性能评价方法及方案优化过程，对汽车设计具有一定的指导作用。

随着汽车智能化的发展，越来越多的电子功能件应用于汽车前后端。ADAS 是利用安装于车上的各式各样的传感器，如雷达、激光和超声波等，可以探测光、热、压力或其它用于监测汽车状态的变量。ADAS 通常位于车辆的前后保险杠、侧视镜、驾驶室内部或者挡风玻璃上，可以实现辅助泊车、碰撞预警、自动巡航驾驶、偏道报警等功能。

1.  汽车后端雷达受低速碰撞冲击的性能保护

现有低速碰撞国家标准 GB17354-1998 实施于 1999 年，没有定义在 4km/h 以下低速碰撞时对 ADAS 中雷达等的保护。泛亚汽车技术中心有限公司对低速碰撞中电子功能件的保护进行了多年的研究，考虑降低售后维修成本和提升行车安全性，创建了对电子功能件低速碰撞保护的企业标准，并提出了避让式的解决方法。

目前，行业中并没有比较成熟的判断电子功能件受冲击是否失效的方法和评价标准。中国汽车标准委员会已开始启动低速碰撞国标修订工作，很可能将对电子功能件保护作为修订考虑内容 。

本文介绍了某车型开发中由于造型和布置限制，汽车雷达无法避开低速碰撞摆锤的直接冲击，很容易碰撞损坏。本文基于等效静态载荷理论，采用准静压试验方法，建立了汽车雷达受损评价标准，通过对雷达周边零件的材料和结构优化设计，有效的实现了对该项目汽车后端雷达受低速碰撞冲击的性能保护。对于雷达抗冲击性研究及低速碰撞性能保护开发具有指导意义。

2.  汽车雷达布置及低速碰撞性能介绍

中国低速碰撞保护法规采用基准高度为 445mm 的摆锤配整车整备质量，对车辆前 / 后端进行 4km/h 纵向碰撞和 2.5km/h“车角” 碰撞，如图 1 所示，要求：（1）照明和信号装置应能继续正常工作并清晰可见。如果出厂时安装好的照明装置失调，允许进行调整以符合规定要求 ，但只限于采用常规的调整方法。如果灯丝折断，应允许更换灯泡。（2）发动机罩、行李箱盖和车门应能正常开闭。车辆的侧门在碰撞的作用下不得自行开启。（3）车辆的燃料和冷却系统应无泄漏，不发生油、水路堵塞，其密封装置与油、水箱盖亦应能正常工作。（4）车辆的排气系统不应有妨碍其正常工作的损坏或错位。（5）车辆的传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向和制动系统应保持良好的调整状态并能正常工作。

由于低速碰撞速度较低，一般发生在泊车过程或溜车时的轻微碰撞。雷达在低速碰撞中损坏，需要较高的维修费用。有时损坏不易被察觉，在使用智能驾驶模式时会出现误报，甚至会影响行车安全，造成二次事故。

因此，考虑在低速碰撞中对雷达的保护是非常有必要的。然而，由于 ADAS 系统电子功能件较多，而保险杠前后端布置的空间有限，一旦布置在防撞梁前端或摆锤直接碰撞区域，很容易被撞坏。如何有效的保护雷达等电子功能件在低速碰撞中不损坏是开发的难点。

本项目中由于造型特点，保险杠蒙皮采用上下分片结构，由于雷达的布置高度范围限制，只能布置在电镀饰条和后雾灯之前的区域。刚好位于后防撞梁区域（硬点）且高度上受摆锤（硬点）直接冲击。如图 2 所示， CAE 分析表明，采用传统 30g/l 密度吸能块，雷达将在低速碰撞中被挤压失效。

3.  低速碰撞中对雷达保护性能评价标准的建立

现有低速碰撞性能评估方法及局限性目前，汽车开发中一般采用避让式低速碰撞评估方法，如图 3 所示，雷达位于防撞梁上 / 下端的安全区域，或者位于防撞梁正面，但留出足够的避让空间，且造型采用弧面特征，避免摆锤头直接冲击雷达。然而，本项目由于造型风格的限制，无法采用这两种避让形式，需创建新的评价标准来支持设计优化及性能判定。

电子功能件试验标准 GMW3172[5] 无对雷达的直接碰撞失效相关试验标准及试验。CAE 分析缺乏对雷达低速碰撞损坏的对标研究，CAE 分析与实际碰撞的一致性需验证。

等效静态载荷理论及雷达抗冲击性评价标准韩国汉阳大学 GJ.Park 博士提出等效静态载荷理论（ELSM），部件承受动态载荷时，在某一时刻，部件发生变形从而形成一个位移场。

如果在一个静态载荷作用下部件能够产生相同的位移场，则该静态载荷为这一动态载荷在某一时刻的等效静态载荷。黄武龙基于等效静态载荷方法实现了对大型复杂结构的轻量化设计 。

冲击载荷与动荷系数推理如图 4 所示，在突加载荷情况下，构件所受的应力和应变为静载时的 2 倍，即在动荷冲击下，零件更容易损坏。

本文基于静压试验研究雷达受力破坏情况，如图 5 所示，雷达置于试验台，缓慢加载挤压雷达，使雷达受压至开裂。进行了三组试验，平均受力峰值约 2.1KN，挤压变形量约 2mm。本文 CAE 分析采用冲击形式模拟实际低速碰撞，冲击力为静压时的 1/2，考虑一定安全系数（90%），因此，CAE 分析采用冲击力为 0.94KN 做为雷达是否开裂的评价标准。

雷达壳体采用的材料为 GMW3029P-PA6-GF30H[6]，通过分析失效应变和 90% 屈服应力情况，确定最大应变 <1.5%，最大应力 < 102Mpa 也做为雷达是否开裂的评价参考标准。

4.  低速碰撞对雷达性能保护的优化方案

从雷达布置及低速碰撞时摆锤冲击情况看，摆锤直接冲击雷达，挤压雷达和周边零件至能量被吸收。增强雷达周边零件结构，避免雷达受冲击运动过程不接触防撞梁和吸能块等零件是优化的方向。

吸能块常用材料为 EPP，GMW16214 定义了系列密度的材料。本文分布选用 60kg/m3、90kg/m3、180kg/m3。

3 种密度材料进行 CAE 分析，研究对雷达低速碰撞防护的可行性。吸能块密度变化对雷达保护性能分析结果如图 6 所示，增强吸能块可减小变形量，提升吸能效率。同时也表明，此项目的布置条件有机会实现低速碰撞中对雷达的保护性能。

考虑到采用 180kg/m3EPP 材料价格非常高，且无量产经验，需进行等效开发。采用 TPO GMW16826[8] 注塑吸能块，实现对雷达周边结构局部增强，经过多轮的结构优化，如图 7 所示，注塑吸能块可实现对雷达的低速碰撞保护。最大冲击力、最大应变和最大应力都满足评价标准，从碰撞前后雷达位置看，雷达在碰撞过程随摆锤运动，没有接触周边的零件。

5.  低速碰撞对雷达性能保护的优化方案

本文对于汽车雷达无法避开低速碰撞摆锤的直接冲击开发环境，基于等效静态载荷理论，采用静压试验方法，建立了汽车雷达受损评价标准，通过对雷达周边零件的材料和结构优化设计，有效的实现了对某项目汽车后端雷达受低速碰撞冲击的性能保护。

本文首次实现了低速碰撞中对电子功能件接触式性能评估，相比于以往避让式设计和评价标准，有利于实现更具挑战性的造型风格和布置。由于时间和设备的限制，本项目采用零件受静压损坏情况来模拟受冲击的损坏，具有创新性。后续将进一步研究电子功能件受直接冲击和挤压的受损情况，实现低速碰撞中对电子功能件保护的更精准的分析和更具挑战的布置。