发动机舱自动灭火器布置方案设计

孟兵凌霄鹏胡启龙周宏钟

（1.南京汽车集团公司汽车工程研究院；2.南京依维柯汽车有限公司）

随着汽车普及到千家万户，车辆火险问题不时发生，给人们的生命和财产安全带来重大隐患。因此，防止车内火灾的出现和及时扑灭火险成为重要的研究课题，引起了汽车业界的高度关注[1]。按照客车灭火装备配置法规要求，发动机舱作为汽车动力总成的核心区域，是发生火灾的重点部位，为了能及时扑灭火险，发动机舱内必须配备自动灭火装置。文章根据法规要求，设计了自动灭火器在某商用车发动机舱内的布置方案。该方案符合灭火器布置原则，能够满足车身强度与模态要求。方案实施后，将会对该车型车辆安全性能提升起到重要作用。

1 灭火器的布置原则

发动机舱是汽车的中枢区域，布局紧凑[2]，而灭火器及其附属支架占用空间较大，并且舱内器件依托的车身本体铁件大多是材料较薄的铁板，在灭火器本体3G动载工况下零部件强度较难满足安装要求。因此灭火器在发动机舱内布置时，需要在满足灭火要求的前提下，选择强度高的车身部位，不降低车身模态及零部件强度和刚度。具体布置原则如下。

1）针对易起火点布置。汽车发动机舱内易起火部位主要有发动机本体及其管路和蓄电池及其开关等部位，其中，发动机引起的火患最难控制，后果最为惨烈。发动机及其管路上易着火点按照危险性排序，依次为增压器、发电机、高压燃油泵及高压燃油管和排气管等。

针对易着火点在舱内的位置分布和法规规定的灭火剂剂量要求，最终确定在本车型上安装左右对称的2个灭火器，内贮干粉质量均为400 g。车身左侧位置的灭火器主要针对高压燃油泵及增压器等的火情，并能兼顾蓄电池可能产生的险情；车身右侧的灭火器则主要针对排气管及发电机等的火情。

2）选择车身强度足够高的部位作为安装位置。由于灭火器外壳较厚，加上支架和内贮干粉质量，整个灭火装置的质量较大，因此选择厚度大及材料屈服强度较高的车身位置安装非常重要。而当零件料厚达不到直接安装要求时，就必须对零件贴加强胶片和焊接加强支架来保证足够的安装强度。

本车型的面罩框采用双层钢板结构，骨架和外板都采用了高强度合金钢，材料具有良好的强度和刚度性能，灭火器置于面罩框的两侧。为了满足较高的安全系数，使面罩框不至于出现开裂等问题，面罩框骨架部位增加了加强板，灭火器支架直接安装于增加了加强板的零件处。

3）灭火器拆装方便，并且不影响舱内其他器件维护作业。由于发动机舱内器件数量较多，一些部件需要经常性拆装，灭火器布置之后不能影响其他部件后续操作。灭火器自身也需要拆装方便，只需要简单工具就能实现一次拆装操作。另外，灭火器布置位置应尽量对称，既美观又对车身模态有益。

根据车身发动机舱内零部件布局，结合灭火器的放置原则，本车型最终确定了灭火器放置于面罩框内侧上安装点处，以支架悬挂固定的布置方式。灭火器自身用圆形抱箍紧抱，并与灭火器支架连接，灭火器支架另一端用螺栓固定于面罩框上，具体位置，如图1所示。

2 灭火器布置方案

2.1 面罩框本体加强方案

面罩框本体是由内外2层钢板点焊而成，内部为焊接骨架，外部为一体化冲压成型的钢板，其上安装外饰件。面罩框骨架总成为几块高强度板材焊接而成，内外板之间除搭接边处，均有内部空腔，由于灭火器质量较重，内部需要增加加强板作为补充。加强板上需要焊接凸焊螺母，安装螺栓可以直接与凸焊螺母配合，安装便捷，具体结构，如图2所示。

2.2 灭火器支架设计方案

灭火器的安装在满足良好的布置位置基础上，选择安装与固定方式也极其重要。目前主流的灭火器外壳为全铝合金冲压而成，无法用焊接的方式实现固定。而灭火器本体为了保证外形尺寸与密封性，不能在外壳壁随意开孔。因此，灭火器本体需要用夹持的方式实现固定。

灭火器与面罩框之间为了安装与安全需要，必须保持一定的安全距离。因此，两者之间须用刚性支架进行连接，如图3所示。支架自身既要满足灭火器本体的重力场动载所需的材料屈服强度，也要满足与面罩框连接在一起时的模态特性。支架制作必须使用高强度合金钢板，并且要增加加强筋和钣金件翻边来增大其抗弯模量[3]。

2.3 灭火器连接支架方案对比

灭火器连接支架在不同材料和不同料厚情况下，对灭火器安装状态影响很大。增大连接支架的钣金厚度，会增加灭火器的连接强度，但同时自身质量也会增加，对面罩框连接点处的局部应力冲击会更大，面罩框整体模态可能会降低。因此，文章针对连接支架在不同料厚下的应力影响进行了分析比较。

灭火器本体和抱箍等为供应商合成供货，并提供了详细的设计数据。灭火器连接支架的料厚为设计变量，从几种车身钣金件主流料厚中选择合适的厚度。文章设计了2种灭火器连接支架方案，具体设计数据，如表1所示。

表1 灭火器连接支架设计数据

3 灭火器布置方案有限元分析

在确定灭火器布置方案后，需要分别进行应力分析，以验证面罩框和连接支架的整体强度及模态等是否满足设计要求[4]。针对2种方案的数据，前处理采用Hypermesh软件，求解器采用ABAQUS软件。

有限元分析目的：1）计算支架的约束模态，验证其强度是否满足要求[5]；2）计算3G动载工况，验证灭火器支架及相关零部件的强度。

在前处理过程中，输入边界条件，约束面罩框总成与车身的安装孔全部自由度，计算模态。目标值要求灭火器支架总成1阶模态值≥33 Hz。

2种方案的灭火器支架总成1阶与2阶模态，如图4和图5所示；3G动载工况验证面罩框骨架上加强板应力结果，如图6所示。其有限元分析结果对比，如表2所示。

表2 灭火器连接支架方案有限元分析结果对比

通过有限元分析可知，方案1中1.5 mm料厚的支架在3G动载工况下的应力满足要求，但是1阶模态仅为28.40 Hz，低于合格标准（33 Hz）。灭火器连接支架可能在实际使用过程中出现质量问题，需要通过增加厚度及加强筋等增大1阶模态。

方案2中2.0 mm料厚的支架在模态分析和3G动载工况下，均满足合格标准。1阶模态（37.5 Hz）超过面罩框1阶模态最低标准（33 Hz）；3G动载工况下，面罩框骨架上加强板应力（68.9 MPa）比方案1略有上升，但是远远低于面罩框骨架上加强板的应力极限（120 MPa）。

方案2中灭火器连接支架能够满足设计要求，2.0 mm厚度钢板也是车身最常用板材，设计该料厚是可行的。面罩框加强板和灭火器抱箍等也均能满足要求，因此方案2为本车型所采纳。

4 结论

根据灭火器的布置原则，选择面罩框部位作为安装位置，该部位车身强度足够高且便于拆装。灭火器采用左右对称布置，左右各悬置1个。为了满足较高的安全系数，使面罩框不至于出现开裂等问题，面罩框骨架部位增加了加强板，灭火器通过连接支架安装于此处位置。

由于布置方案对灭火器连接支架要求最高，本车型对连接支架进行了差异化方案设计。选择了2组方案，以灭火器连接支架的钣金厚度为变量，分别验证能否满足面罩框模态特性和灭火器重力场动载要求。经过有限元分析，连接支架设计厚度为2.0 mm能够满足安装要求，最终采用了方案2作为布置方案。

本车自动灭火器布置方案既保证了及时扑灭火情的需要，也满足了车身自身的强度和模态特性，且在舱内安装简单可靠，能够满足设计要求，后续即可以进行大批量产品车验证。如果本方案最终被采纳，对于车辆安全性与车身性能的提升均会起到较大作用。