汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)及措施概述--

1、汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)及措施汽車(chē)結(jié)構(gòu)緩沖與吸能措施盡管“二次碰撞”是造成人體損傷的直接原因，但是“一次碰撞”在很大程度上決定了“二次碰撞”的劇烈程度，因此“一次碰撞”對(duì)人體損害有很大影響?？刂坪谩耙淮闻鲎病保瑢?duì)減少人體損傷有重要意義，合理設(shè)計(jì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的緩沖與吸能特性是控制好“一次碰撞”的關(guān)鍵。汽車(chē)可分為兩類(lèi)區(qū)域，即乘員安全區(qū)（A區(qū)）和緩沖吸能區(qū)（B區(qū)）。很顯然，僅從乘員不被汽車(chē)碰撞變形后產(chǎn)生擠壓受傷的角度看，乘員安全區(qū)在碰撞中的變形越小越好。要使A區(qū)變形小，就要求緩沖吸能區(qū)（B區(qū)）有較大的總體剛度，但B區(qū)的剛度過(guò)大又會(huì)影響汽車(chē)的緩沖吸能性能。從緩沖吸能角度看，B區(qū)的剛性應(yīng)足夠小，變形應(yīng)足夠大，這就

2、導(dǎo)致了A區(qū)變形小與B區(qū)變形大的矛盾。為解決這一矛盾，B區(qū)必須設(shè)計(jì)成“外柔內(nèi)剛”式的結(jié)構(gòu)，即B區(qū)與A區(qū)交界處設(shè)計(jì)成具有較大剛性的結(jié)構(gòu)，而在B區(qū)外圍設(shè)計(jì)成具有較小剛性和較好緩沖吸能的結(jié)構(gòu)。由于汽車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所限，B區(qū)抗側(cè)向和上方的碰撞能力較差，而抗前撞和尾撞的能力相對(duì)較好。如前所述，由于汽車(chē)輪胎的作用和受汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)剛性較大的保護(hù)，所有汽車(chē)抗擊來(lái)自下方的沖擊能力很強(qiáng)，而且，除非汽車(chē)墜崖，來(lái)自下方的碰撞沖擊力一般也較小，所以一般不考慮針對(duì)下方?jīng)_擊載荷的緩沖和吸能。針對(duì)汽車(chē)前撞和尾撞的緩沖吸能機(jī)構(gòu)，一般多采用不同截面形狀的金屬薄壁吸能管，如：矩形截面點(diǎn)焊式，矩形截面縫焊式，三角形截面縫焊式。這類(lèi)薄壁吸

3、能管在經(jīng)受一定的軸向載荷后便會(huì)產(chǎn)生折疊式的塑性變形，從而消耗大量碰撞動(dòng)能，達(dá)到緩沖目的。通過(guò)改變吸能管的截面形狀、尺寸、壁厚和材料特性等參數(shù)，就能使其具有不同的緩沖吸能特性，從而滿足不同汽車(chē)結(jié)構(gòu)和性能的要求。盡管薄壁吸能管已成為國(guó)內(nèi)外前撞和尾撞緩沖吸能的主要結(jié)構(gòu)措施，但汽車(chē)其他結(jié)構(gòu)的緩沖吸能性能也不容忽視，如車(chē)身骨架和覆蓋見(jiàn)等在前撞和尾撞中都有重要的緩沖和吸能作用。對(duì)于側(cè)撞而言，緩沖吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)麻煩，其中最大的問(wèn)題在于即使有足夠好的材料來(lái)制作緩沖吸能結(jié)構(gòu)，但能用于緩沖和吸能的區(qū)間卻十分有限。從理論上講，現(xiàn)有的大多數(shù)汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都難以提供能與前撞和尾撞耐撞性能相比的耐側(cè)撞性能?，F(xiàn)在常用的改

4、進(jìn)抗側(cè)撞性能的方法主要包括兩個(gè)方面，即增加B區(qū)兩側(cè)的厚度和加大B區(qū)兩側(cè)的內(nèi)部剛度。值得提出的是，如果突破傳統(tǒng)的汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)思路，有可能從本質(zhì)上改善汽車(chē)的抗側(cè)撞性能。如車(chē)輪按菱形布置的汽車(chē)就因?yàn)檐?chē)輪能抗擊側(cè)撞變形具有特別優(yōu)良的抗側(cè)撞特性。如果汽車(chē)在碰撞中發(fā)生翻滾，就可能受到車(chē)頂方向的沖擊載荷。由于車(chē)頂方向的剛度很低，這種載荷很容易造成乘員安全區(qū)的大變形。要改善這一方向的剛度特性主要靠加強(qiáng)車(chē)輛A柱、B柱和C柱的剛度以及頂棚的剛度，但由于頂棚的結(jié)構(gòu)厚度受到汽車(chē)總體尺寸和總質(zhì)量的限制，車(chē)頂棚的剛度增加是非常有限的。但是，即使發(fā)生翻車(chē)，作用在車(chē)頂棚上的沖擊載荷一般也比正撞和側(cè)撞時(shí)作用在汽車(chē)上的沖擊載荷小

5、的多，因而車(chē)頂棚的剛度可以比其他部位的剛度小很多。合理設(shè)計(jì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，以使乘員安全區(qū)在變形盡可能小的情況下獲得優(yōu)良的緩沖與吸能性能，是汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)的基本目標(biāo)。車(chē)內(nèi)乘員保護(hù)措施為減輕“二次碰撞”給人體造成的傷害，車(chē)內(nèi)乘員碰撞保護(hù)措施越來(lái)越被重視，且其性能也在不斷提高。車(chē)內(nèi)乘員碰撞保護(hù)措施主要包括安全帶、安全氣囊、安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安全座椅和儀表板等。安全帶的作用是使乘員在汽車(chē)碰撞時(shí)不飛離座椅與汽車(chē)內(nèi)飾件發(fā)生劇烈碰撞。當(dāng)汽車(chē)受到碰撞載荷后，人體作用在安全帶上的力使安全帶的運(yùn)動(dòng)速率超過(guò)一定的閥值后，安全帶系統(tǒng)的鎖緊機(jī)構(gòu)發(fā)生鎖止，限制安全帶繼續(xù)抽出，從而達(dá)到約束乘員運(yùn)動(dòng)的目的。由于汽車(chē)碰撞時(shí)加

6、速度值一般都較高，用于約束人體的力要相當(dāng)大才能達(dá)到有效保護(hù)的目的，因此安全帶要求有足夠高的強(qiáng)度，并且其固定點(diǎn)和鎖緊裝置要在規(guī)定的極限碰撞載荷作用下保證不失效。安全帶的另一個(gè)重要性能指標(biāo)是沖擊載荷作用下的延伸率，延伸率過(guò)大將降低保護(hù)效果。此外。安全帶固定點(diǎn)位置和鎖緊裝置的敏感性和剛度都對(duì)其保護(hù)性能有重要影響。安全氣囊是避免乘員與汽車(chē)內(nèi)飾件發(fā)生直接碰撞的有效手段。目前主要有防正撞和防側(cè)撞氣囊兩大類(lèi)。無(wú)論是防正撞氣囊還是防側(cè)撞氣囊，其系統(tǒng)組成都是一樣的，即都由氣體發(fā)生器、傳感器與控制器和氣囊及其附件組成。當(dāng)傳感器探測(cè)到相關(guān)的碰撞信號(hào)，并經(jīng)分析確認(rèn)氣囊應(yīng)被打開(kāi)時(shí)，控制器觸發(fā)氣體發(fā)生器，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量

7、氣體對(duì)氣囊充氣，從而使氣囊在人體與汽車(chē)內(nèi)飾件間形成一個(gè)氣墊，達(dá)到保護(hù)人體的目的。雖然安全氣囊的工作原理看上去簡(jiǎn)單，但由于它的工作過(guò)程短暫而復(fù)雜，并受眾多因素的影響，所以設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良的安全氣囊時(shí)一項(xiàng)具有很大挑戰(zhàn)的工作。安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向盤(pán)和壓塌式轉(zhuǎn)向管柱。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生前撞時(shí)，駕駛員的頭部或胸部較易與轉(zhuǎn)向發(fā)生碰撞，從而加大頭部和胸部的傷害指標(biāo)值。為解決這一問(wèn)題，可將轉(zhuǎn)向盤(pán)的剛度進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足轉(zhuǎn)向剛性要求的前提下，盡量降低駕駛員的碰撞剛度；同時(shí)使轉(zhuǎn)向盤(pán)的塑膠覆蓋層盡量軟化，以降低其表面接觸剛度。壓塌式轉(zhuǎn)向管柱可有多種形式，其主要功能時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)受到的碰撞力達(dá)到一定閥值時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱能順利

8、的產(chǎn)生位移（被壓塌），從而將轉(zhuǎn)向盤(pán)提供的碰撞阻力限制在一定的峰值。安全座椅包括兩類(lèi)，即標(biāo)準(zhǔn)配置中的安全座椅和專(zhuān)為小孩配置的安全座椅。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)配置中的安全座椅，一方面應(yīng)考慮與安全帶配合防止乘員在汽車(chē)前撞中發(fā)生“潛水”現(xiàn)象；另一方面應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)頭枕，以使乘員頸部在尾撞中少受或免受傷害。防“潛水”現(xiàn)象的座椅設(shè)計(jì)一方面要考慮座椅表層材料具有合適的摩擦特性，另一方面要提供合理的座墊形狀，以獲得足夠的抗“潛水”阻力。專(zhuān)為小孩配置的安全座椅一般都朝向向后安置，主要保護(hù)前撞中的未成年乘員少受或免受傷害，其主要特性要求包括足夠的剛性和表層緩沖吸能性能。目前國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有專(zhuān)為小孩配置的安全座椅。儀表板的安全性設(shè)計(jì)也是

9、至關(guān)重要的，其中要考慮的因素主要是在保證基本剛度以滿足結(jié)構(gòu)功能要求的前提下，提供盡可能好的緩沖吸能性能。性能優(yōu)良的儀表板設(shè)計(jì)可有效降低“二次碰撞”對(duì)人體頭部和腿部的損傷。汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)現(xiàn)在我們來(lái)討論如何合理的設(shè)計(jì)一個(gè)初始緩沖吸能方案，以較好的滿足汽車(chē)碰撞安全性法規(guī)的要求。整車(chē)?yán)硐肱鲎蔡匦詫?duì)整車(chē)的碰撞安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先必須了解理想的車(chē)輛碰撞特性是什么。由于道路上的車(chē)輛事故主要是縱向碰撞和側(cè)面碰撞?？v向碰撞理想特性當(dāng)車(chē)輛發(fā)生前后方向的碰撞時(shí)，為保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員的安全，根據(jù)汽車(chē)碰撞損傷機(jī)理可知車(chē)輛需要具備的基本特性是：1 要保證乘員足夠的生存空間，即乘坐室不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的碰撞變形（包括車(chē)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、

10、變速器等剛性部件不得侵入駕駛室）。2 除乘坐室以外的車(chē)身結(jié)構(gòu)部分（前碰撞時(shí)為前部結(jié)構(gòu)，后碰撞時(shí)為后部結(jié)構(gòu)）則應(yīng)盡可能多的變形，以合理的吸收撞擊能量，使得作用于乘員身體上的力和加速度值不超過(guò)人體的承受極限等。從以上兩點(diǎn)可知，車(chē)輛縱向碰撞時(shí)理想的變形與不變形區(qū)域如下圖所示。車(chē)輛縱向碰撞時(shí)理想的變形與不變形區(qū)域圖中陰影部分是撞車(chē)可變形區(qū)域?yàn)榱藵M足上述基本要求，設(shè)計(jì)的第一步是要使乘員室的結(jié)構(gòu)剛度大于前部變形區(qū)域的剛度，并要達(dá)到一定的指標(biāo)限值，這可通過(guò)整車(chē)結(jié)構(gòu)的剛?cè)崞ヅ湟约安捎锰厥獾膫髁β窂降葋?lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于碰撞變形區(qū)域，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)槌艘M可能多的吸收撞擊能量外，其變形形式以及變形特性等還要滿足一定

11、的要求，即低速碰撞時(shí)，車(chē)輛的變形以及變形力值都較小，以保護(hù)行人或車(chē)輛自身；當(dāng)發(fā)生中等速度碰撞時(shí)，變形力值應(yīng)盡量均勻，以最大限度的降低撞擊加速度峰值；當(dāng)發(fā)生高速碰撞時(shí)，為了阻止變形擴(kuò)展到乘員室，從懸架到車(chē)身前圍鈑金之間的變形力值應(yīng)急劇上升。這種特性即是理想的車(chē)輛前碰撞變形特性，其特性曲線如下圖所示：對(duì)于尾部碰撞的情況，雖然其理想碰撞特性應(yīng)與前部相同，但考慮到現(xiàn)實(shí)情況一般是相對(duì)碰撞速度較低，并且尾部一般也有足夠多的碰撞吸能區(qū)間，所以車(chē)輛尾部的吸能設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不如前部重要。尾部碰撞時(shí)車(chē)輛乘員受到的最主要傷害形式時(shí)頸部沖擊損傷，因此，車(chē)輛尾部區(qū)段應(yīng)盡量軟化，同時(shí)，座椅頭枕要起到很好的保護(hù)作用。側(cè)面碰撞理想特

12、性當(dāng)車(chē)輛受到側(cè)面碰撞時(shí)，受到撞擊的部位一般時(shí)車(chē)門(mén)或立柱，而車(chē)門(mén)和立柱所圍成的直接就是乘員乘坐區(qū)空間。因此，對(duì)于絕大部分車(chē)輛而言，當(dāng)其遭受側(cè)撞時(shí)幾乎沒(méi)有可利用的緩沖吸能區(qū)間，也即其理想的側(cè)撞特性應(yīng)是足夠大的剛性，車(chē)門(mén)和立柱不應(yīng)發(fā)生大的變形。另外，考慮到側(cè)撞時(shí)乘員很可能會(huì)撞擊車(chē)門(mén)內(nèi)板，因此，車(chē)門(mén)內(nèi)板應(yīng)柔軟，或者在車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)安裝側(cè)撞安全氣囊。碰撞安全性的發(fā)推設(shè)計(jì)法由于汽車(chē)碰撞緩沖吸能特性設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足汽車(chē)安全法規(guī)的要求，這一設(shè)計(jì)過(guò)程可以用安全法規(guī)作為原始驅(qū)動(dòng)力。汽車(chē)碰撞安全法規(guī)是以人在碰撞中的響應(yīng)為核心定義的，因此對(duì)汽車(chē)碰撞特性的設(shè)計(jì)應(yīng)從人體的響應(yīng)出發(fā)，逐一考慮與人體響應(yīng)有關(guān)的各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)

13、化。這些環(huán)節(jié)包括：1。碰撞界面；2。緩沖吸能系統(tǒng)；3。安全區(qū)保護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；4。轉(zhuǎn)向盤(pán)與內(nèi)飾系統(tǒng)；5。安全氣囊系統(tǒng)；6。安全帶與座椅系統(tǒng)。碰撞吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)幾乎都是由薄壁金屬件構(gòu)成，在發(fā)生碰撞時(shí)，受到強(qiáng)烈撞擊的薄壁構(gòu)件會(huì)發(fā)生塑性變形，這種塑性變形本身伴隨著碰撞能量的吸收。因此，車(chē)輛結(jié)構(gòu)的碰撞吸能設(shè)計(jì)很大程度上是薄壁件的碰撞性能設(shè)計(jì)。與一般的吸能元件不同，薄壁構(gòu)件的碰撞吸能除了與本身的材料有關(guān)外，還與焊點(diǎn)、材料壁厚、橫截面以及預(yù)變形密切相關(guān)。焊點(diǎn)與吸能薄壁構(gòu)件的形成是通過(guò)對(duì)金屬薄板進(jìn)行沖壓、彎折等冷加工變形后，再通過(guò)焊點(diǎn)（點(diǎn)焊）連接而構(gòu)成，焊點(diǎn)斷開(kāi)或焊點(diǎn)處材料撕裂能夠有效的吸收碰撞動(dòng)能，當(dāng)焊點(diǎn)強(qiáng)度過(guò)低則會(huì)嚴(yán)重影響薄壁構(gòu)件對(duì)碰撞能量的吸收。在設(shè)計(jì)碰撞吸能用的薄壁構(gòu)件時(shí)，為了不影響其撞擊吸能特性，應(yīng)盡量避免焊點(diǎn)在碰撞過(guò)程中過(guò)早的脫開(kāi)。一般情況下，焊點(diǎn)的開(kāi)裂與以下因素有關(guān)：1 焊點(diǎn)強(qiáng)度：包括法向拉脫力FNS與切向剪切力FTS。當(dāng)焊點(diǎn)實(shí)際受力與FNS及FTS滿足一定的關(guān)系時(shí)，焊點(diǎn)就會(huì)開(kāi)裂。2 焊接形式：