Design of a new high energy rear underrun protective device

F. Cappello, T. Ingrassia amp; V. Nigrelli

University of Palermo, Dipartimento di Meccanica, Palermo, Italy

Abstract

In recent years the vehicle design field has followed a progressive evolution by focusing its main interest on passive and active safety levels. One of the most injurious cases for the safety of passengers is the crash between a car and a heavy vehicle (truck).

Generally, in fact, when such an occurrence happens, the greatest damage is suffered by the passengers of the car. This is because of the considerable structural difference between the two vehicles and the lack of devices to reduce the injuries of the car passengers. In this work, as a consequence of the previous considerations, we deal with the design of a new protective system for heavy vehicles over 3.5 tons. The new rear underrun protective device presented here, compared to the traditional one, can dissipate a greater amount of energy; this reduces the damage suffered by the passengers of a car involved in an impact with a truck. To simulate the behaviour of the new protective device during different kinds of crashes, dynamic finite element method (FEM) analyses have been carried out. The comparison between the new protective system and the standard one has shown that the new designed protective system has better performances in terms of energy absorption and peaks of decelerations.

Keywords: RUPD, FEM, crash analyses.

Introduction

Usually when a road accident between a car and a heavy vehicle happens, all the protection features for the occupants built into the car, such as seatbelts and airbags, have a reduced effectiveness. This because of the very big differences in geometry and stiffness between the two vehicles. The very large height of the truck, especially when the heavy vehicle is not equipped with a suitable

WIT Transactions on The Built Environment, Vol 97, copy; 2008 WIT Press www.witpress.com, ISSN 1743-3509 (on-line) doi:10.2495/HPSM080341

Figure 1: Underride of a car.

rear underrun protective device (RUPD), in fact, can allow the underride of the car (figure 1).

For this reason many studies and regulations have been developed during recent years. The Directive Council 70/221/EEC [1], based on ECE Regulation no. 58 [2], has defined all the requirements for the rear underrun protection systems for trucks and trailers with a total mass of more than 3.5 tons.

A study of 58 car/truck collisions [3] has shown that, generally, the rear underrun protection systems are ineffective because of the large ground clearance.

First estimates of this study have in fact shown that by limiting the RUPDs height to 400 mm it may be possible to considerably reduce the damage suffered by the passengers of a car involved in a rear side impact.

In addition, it was found that the social costs for fatalities and severe injuries could be reduced from 78 million to 69 million of euros.

An effective rear underrun protective device therefore must be able to contain the intrusion and to dissipate high energy with tolerable decelerations in the passengersrsquo; compartment of a striking car.

Following the previous guidelines in the study presented here, a new RUPD has been designed, called HED-SafeBar (High Energy Dissipation Safe Bar), which able to increase the level of crashworthiness between a truck and a passengersrsquo; car; this goal has been reached by introducing some specific components, called crashboxes, which are able to absorb a great amount of energy thanks to their large deformations.

The comparison with a standard rear underrun protective system has shown very remarkable improvements in terms of absorbed energy, peaks of deceleration and underride of the car, with a very considerable increase in the safety level of the passengers.

The rear underrun protective devices (RUPDs)

As already mentioned, in most cases when a car crashes into a truck, the car suffers the most remarkable damage. This is essentially due to the existing notable differences of mass and geometry between the two vehicles. Particularly, the ground clearance of the industrial vehicle floor, being comparable to the height of a car, can cause the underride of the car.

Likewise, in many instances, because of the excessive stiffness of some components of the standard RUPDs (the stirrups), all (or almost all) the kinetic energy before the impact is wasted from the car and this can have dramatic repercussions on the passengers, because of the very high values of deceleration.

So the main requirements of an optimal rear underrun protective system are essentially two: avoiding the underride of the car and absorbing the greatest amount of energy so as to reduce the deceleration peaks and, consequently, the injuries suffered by the passengers.

In any designing or redesigning process of a new device it is also necessary to respect the regulations governing its use. In Europe the ECE R 58 [2] regulates the design of RUPDs for all the industrial vehicles with mass greater than 3500 kg. These regulations impose that (fig. 2):

• the RUPD width, compared to the rear axle length, must not be longer or shorter by more than 100 mm on every side;
• the height of the RUPD profile must not be less than 100 mm;
• the RUPD must be put on the back end of the vehicle;
• the ground clearance must not be higher than 550 mm.

Figure 2: Dimensional limits of a RUPD.

Some examples of rear underrun protective devices

The more common (standard) rear underrun protective system is essentially constituted of two stirrups and a crossbar (fig. 3).

The stirrups are used to rigidly connect the RUPD to the longitudinal beams

一种新型高能后防钻保护装置的设计

F. Cappello，T。Ingrassia和V. Nigrelli

巴勒莫大学，Dipartimento di Meccanica，巴勒莫，意大利

摘要

近年来，车辆设计领域通过将其主要兴趣集中在被动和主动安全水平上而逐步发展。对乘客安全最有害的案例之一是汽车和重型车辆（卡车）之间的碰撞。

实际上，事实上，当发生这种情况时，汽车的乘客会遭受最大的损害。这是因为两辆车之间存在相当大的结构差异，并且缺乏减少汽车乘客受伤的装置。在这项工作中，作为先前考虑的结果，我们处理了超过3.5吨重型车辆的新保护系统的设计。与传统的后保护装置相比，这里提出的新型后防钻保护装置可以消耗更多的能量;这减少了涉及卡车撞击的汽车乘客所遭受的损害。为了模拟新型保护装置在不同类型的碰撞中的行为，已经进行了动态有限元法（FEM）分析。新型保护系统与标准保护系统的比较表明，新设计的保护系统在能量吸收和减速峰值方面具有更好的性能。

关键词：后防钻撞保护装置，动态有限元法，碰撞分析。

介绍

通常，当汽车和重型车辆之间发生交通事故时，内置于汽车中的乘客的所有保护功能（例如安全带和安全气囊）的效果都会降低。这是因为两辆车之间在几何形状和刚度方面存在很大差异。事实上，卡车的高度非常大，特别是当重型车辆没有配备合适的后防钻撞保护装置(RUPD)的时候，会使汽车钻入货车底部。

图1：一辆汽车的钻撞

因此，近年来已经开发了许多研究和法规。指令委员会70/221 / EEC [1]，基于法规ECE no.58 [2]，已经确定了总质量超过3.5吨的卡车和拖车后部防钻撞系统的所有要求。

对58辆汽车/卡车碰撞的研究[3]表明，由于离地间隙较大，后防钻撞保护系统通常无效。

事实上，这项研究的初步估计表明，通过将后防钻撞保护装置高度限制在400毫米，可以大大减少后方撞击中涉及的汽车乘客所遭受的损害。

此外，还发现死亡和重伤的社会成本可以从7800万欧元减少到6900万欧元。

因此，有效的后防钻撞保护装置必须能够容纳入侵并且能够在撞击车的乘客舱中以可容忍的减速度耗散高能量。

按照此处提供的研究中的先前指导原则，设计了一种新的后防钻撞保护装置，称为HED-SafeBar（高耗能安全杆），它能够提高卡车和乘客车辆之间的耐撞性水平;通过引入一些称为碰撞箱的特定部件已经实现了这一目标，这些部件由于其大的变形而能够吸收大量的能量。

与标准后部防钻撞保护系统的比较在吸收能量，减速峰值和汽车底部方面表现出非常显着的改善，乘客的安全水平显着提高。

后防钻撞保护装置（RUPD）

如前所述，在大多数情况下，当汽车撞向卡车时，汽车遭受的损失最大。这主要是由于两辆车之间存在明显的质量和几何差异。特别地，工业车辆地板的离地间隙与汽车的高度相当，可能导致汽车的底层。

同样，在许多情况下，由于标准后防钻撞保护装置的某些部件过于僵硬，撞击前的所有（或几乎所有）动能都会从汽车中浪费掉，这会对乘客产生巨大的影响，因为减速度非常高。

因此，最佳后部防钻撞保护系统的主要要求基本上是两个：避免汽车的底部和吸收最大量的能量，以减少减速峰值，从而减少乘客受到的伤害。

在新设备的任何设计或重新设计过程中，还必须遵守管理其使用的规定。在欧洲，ECE R 58 [2]规定了质量大于3500千克的所有工业车辆的RUPD设计。这些规定强加了（图2）：

• RUPD宽度与后轴长度相比，每侧的长度不得超过或缩短100毫米;
• RUPD型材的高度不得小于100毫米;
• RUPD必须放在车辆的后端;
• 离地间隙不得高于550 mm。

图2： RUPD的尺寸限制。

后防钻撞装置的一些例子

更常见的（标准）后防钻撞保护系统基本上由两个马镫和一个横杆组成（图3）。

箍筋用于通过螺栓或焊接将后防钻撞保护装置刚性地连接到转向架框架的纵梁。

图3： 标准RUPD的方案。

通常，这种后防钻撞保护装置的横杆部分具有类似梯形的形状（图3）;此外，横杆通常是卡车后灯固定的地方。

然而，即使这种装置现在被广泛使用，近年来已经开发了许多不同的原型[4-6]，以便改善标准后防钻撞保护装置的性能，从而减少乘客所遭受的减速并避免在崩溃的情况下汽车的底层。

在先前的论文[7,8]中，已经提出了一种合适的系统，通过使用一组能量吸收器来减少对撞击车的乘客舱的侵入。

两个最具创新性的保护系统如图4和图5所示。

图4： Plier 后防钻撞保护装置的工作方案。

图5： 后防钻撞保护装置由Nagaike开发。

第一个（图4），即所谓的“Plier 后防钻撞保护装置”，由Unicamp州立大学（巴西）[4]开发，基于简单钳子工具的机械原理。如果发生碰撞，汽车的前保险杠会撞击钢丝网，拉伸电缆，从而倾向于抬起下部钢筋（图4）。汽车的前部被卡车的下杆和底盘“咬”，就好像用钳子一样;汽车前端的压缩避免了楔形效应，从而避免了汽车底盘。

第二个由日本运输部卡车和客车开发部的Nagaike开发[9]。

该装置由连接到卡车后侧的八个管状能量吸收器和一个矩形板组成（图5）。

在撞击过程中，大部分动能通过管状元件的变形被吸收。

然而，对该系统的使用的限制由过度的纵向总体尺寸表示，这使得它不适合装备标准重型车辆。

1. HED-SafeBar的设计

本文介绍的新型后防钻撞保护装置由不同的部件组成;其中主要的是（图6）：

图6： HED-SafeBar的方案。

• 主表面;它代表接触面，用于使碰撞盒坍塌并防止汽车的底部。主表面采用内部钢梁加固，以便对碰撞箱进行良好的破碎;
• 一套三个急救箱;它们代表系统的能量吸收器。每个碰撞盒由一个铝管6061 T6组成，填充有闭孔金属泡沫（Cymat A35620SC 030SS）。

此外，为了减小屈曲载荷峰值并因此使结构坍塌的开始更容易，已经在管的表面上引入了四个塌陷启动器（纽扣孔）。

碰撞盒通过两个球形接头连接到主表面和空心杆（连接到卡车底盘）。多亏了这个每个碰撞箱的连接解决方案仅沿其纵向轴线受到应力，从而以这种方式避免对结构的任何不稳定性影响。此外，为确保碰撞盒不受任何弯曲影响，除了球形接头外，还在管内插入了一个伸缩式导向装置（图7）。

图7： 崩溃箱内部的概述。

碰撞盒的管具有圆形截面。选择这种截面是因为如[10]所示，它允许与其他类型的截面相比浪费更多的能量。

HED-SafeBar的工作原理如下：当一辆汽车撞向卡车的后侧时，它推动围绕枢轴旋转的主表面（图6）放置在主表面的最高端;结果，能量吸收器（碰撞盒）被压碎并且可以通过它们的塑性变形分散大量能量。而且，主表面可以防止汽车的不足。

碰撞数值模拟

为了模拟新HED-SafeBar的工作性能并将其与标准后防钻撞保护装置进行比较，使用了显式有限元法（FEM）代码。通过这种方式，通过使用Ansys-LsDyna软件的动态数值分析来模拟汽车和重型车辆之间碰撞期间的真实条件。由于数值碰撞模拟的特点，塑性范围内的部件变形很大，因此有必要进行非线性分析。

为了建立这种分析，已经进行了卡车和汽车的FEM模型。卡车的动态有限元模型，HED-SafeBar和标准后防钻撞保护装置已在巴勒莫大学进行。该车的动态有限元模型由乔治华盛顿大学的NCAC（国家碰撞分析中心）[11]提供。

该车是1998年的Geo Metro，由200多个不同的部件组成，模型采用壳体和实体元素以及20种不同的材料类型（图8）。

至于卡车有限元模型，为了减少分析运行时间，只使用了后侧（涉及碰撞）并且它配备了HED-SafeBar（图9（a））和标准后防钻撞保护装置模型（图9（b））。此外，出于同样的原因，已经实现了仅由底盘，地板，车轴和轮胎组成的卡车的简化模型。

图8： 汽车的FEM模型。

(a)

(b)

图9： 配备HED-SafeBar（a）和标准后防钻撞保护装置（b）的卡车后侧的动态有限元模型。

(a)

(b)

图10： 100％重叠（a）和40％重叠（b）崩溃。

为了避免沙漏现象，并因此确保测试结果的可靠性，已经对汽车前侧的所有元件使用了完整的配方。

为了测量和绘制碰撞期间的减速度，已经在汽车上放置了六个加速度计元件，对应于发动机顶部，左后槛，右后槛，底板以及前左和右制动器。为了评估新系统在不同工作条件下的行为，模拟了两种测试（图10）;在这两种情况下，汽车以56公里/小时的速度冲击重型车辆的后侧，但在第一种碰撞（称为100％重叠）时，汽车的所有前表面都参与撞击，而在第二种情况下（称为40％重叠）仅占汽车前表面的40％撞到卡车的后部。

5.1优化崩溃箱

在研究HED-SafeBar的工作性能之前，已经进行了一系列动态有限元分析，以确定碰撞盒的最佳形状。

从图7中所示的碰撞盒的吃水方案开始，已经进行了一些初步模拟以理解所有几何参数对吸收能量值和减速峰值的影响。作为这些初步分析的结果，选择通过改变以下参数来运行优化过程（图11）：

- 钮孔的方向（纵向或横向）;

- 距管子末端的距离（Z）;

- 尺寸（H和L）;

- 管道的厚度（S）。

获得的结果总结在表1中。

图11： 左边是崩溃箱的一些优化参数;右边是碰撞盒的FEM模型。

表格1： 碰撞盒几何参数的最佳值。

变量	S	Z	H	L
值	1毫米	60毫米	10毫米	10毫米

关于扣眼的方向，纵向已经证明是最好的解决方案，不仅在碰撞过程中的整体吸收能量方面，而且最重要的是，对于较小的屈曲载荷，因此，较小的减速峰值。

结果

所有动态有限元法仿真都显示了新的提出的设备，在100％重叠碰撞的情况下（图12）和40％的重叠碰撞，与标准后防钻撞保护装置相比具有更好的性能。

获得的结果表明，新系统在任何情况下都不允许汽车的底层;此外，测量的减速度总体上低于用标准装置获得的值，因此减少了乘客遭受严重伤害的可能性。

(a)

(b)

图12： HED-SafeBar在（a）之前和之后（b）正面碰撞。

表2： 100％重叠有限元分析模拟的结果。

	在100％重叠碰撞试验中使用新的RUPD减少减速度
	离开RS	对吧RS	底盘上	引擎	l. 制动器	r. 制动器
绝对（g）	-14.98	-16.33	-12.54	-8.12	-26.96	-37.45
知觉的	33.75%	32.91%	27.18%	11.48%	37.81%	51.45%

表3： 40％重叠有限元分析模拟的结果。

	在40％重叠碰撞试验中使用新的RUPD减少减速度
	离开RS	对吧RS	底盘上	引擎	l. 制动器	r. 制动器
绝对（g）	8.36	2.44	-2.38	24.08	-44.47	4.30

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