发动机舱自动灭火器方案设计

1自动灭火器位置布局

发动机舱是汽车的中枢区域，布局紧凑。而自动灭火器受自身体积外形所限，必须有一个合适的位置和牢固的方式放置。

1.1车身驾驶室舱内布局

本文所述的商用车，是典型的前置发动机车型。车身发动机舱是整车的首脑部位，是动力总成中心及控制中心。它是由驾驶室地板、发动机罩、面罩框、前保险杠等组成的一个半封闭的空间。其中动力总成核心发动机和控制中枢ECU等均放置于此，重要部件还有蓄电池、前蒸发器、暖风、风窗洗涤壶、ABS、空压泵、散热水箱、前灯、防冻液壶等。另外，电子电器设备的电源线束、控制信号线束，进排气管道、液体循环管路等都在舱内形成一个复杂的网络。发动机舱内由于放置了众多的零部件，导致布局空间相当紧凑，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厚度较薄的铁板，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。

1.2灭火器的布置原则

灭火器在发动机舱内布置，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、刚度。

1.2.1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、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。发动机及其管路其上易着火点按照危险性，依次为增压器、发电机、高压燃油泵及高压燃油管、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两个灭火器，内贮干粉质量均为400克。车身左侧位置的灭火器灭主要针对高压燃油泵、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排气管、发电机等的火情。

1.2.2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，整个灭火装置的重量比较大，因此选择厚度大、材料屈服强度较高的车身位置安装，是非常重要的。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的双层钢板结构，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，灭火器就安装于面罩框的两侧位置。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。

1.2.3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比较多，有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。

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两层钢板点焊而成，内部为焊接骨架，外部为一体化冲压成型的钢板，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，由于灭火器重量较重，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。

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是极其重要的。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。支架自身既要能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候的模态特性。支架制作所用必须为高强度合金钢板，并且要增加加强筋和钣金件翻边来增大其抗弯模量。

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。但同时自身重量也会增加，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，本文针对连接支架在不同料厚下的应力影响进行了分析比较。

2.3.1方案一

灭火器本体、抱箍等为供应商合成供货，并提供了详细的设计数据。面罩框加强板采用高强度合金钢DC03，料厚2.0mm。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。在方案一中，灭火器连接支架采用1.5mm厚度的钢板，具体设计数据详见下表。

2.3.2方案二

在方案二中，增加灭火器连接支架材料厚度，采用2.0mm厚度同型钢板。其余设计数据均保持不变。

3灭火器布置方案有限元分析

在确定灭火器布置方案之后，需要分别进行应力分析，以验证面罩框、连接支架的整体强度、模态等是否满足设计要求。针对方案一和方案二中的数据，前处理采用hapermesh软件，求解器采用ABAQUS软件。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一阶模态值不小于33Hz。

3.1方案一

灭火器支架总成一阶模态：灭火器支架总成二阶模态：3G动载工况验证面罩框骨架上加强板应力结果：

3.2方案二

灭火器支架总成一阶模态：灭火器支架总成二阶模态：3G动载工况验证面罩框骨架上加强板应力结果：

3.3方案比较由有限元分析

方案一中1.5mm支架在3G动载工况下的应力满足要求，但是一阶模态比较低，灭火器连接支架可能在实际使用过程中出现质量问题，灭火器连接支架需要通过增加厚度加强筋等增大一阶模态。方案二中2.0mm料厚灭火器连接支架在模态分析和3G动载工况下，均满足合格标准，一阶模态37.5Hz，超过面罩框一阶模态最低标准33Hz；3G动载下面罩框骨架上加强板应力68.9Mpa，比方案一略有上升，但是远远低于面罩框骨架上加强板的应力极限120Mpa。方案二中灭火器连接支架能够满足设计要求，2.0mm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、灭火器抱箍等也均能满足要求，方案二为本车型所采纳。

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、便于拆装。灭火器采用左右对称布置，左右各悬置一个。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。本车选择了两组方案，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2.0mm能够满足安装要求，本车最终采用了方案二作为布置方案。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，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。

作者：孟兵 单位：南京汽车集团有限公司汽车工程研究院