1、汽車碰撞安全性設計及措施汽車結構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”對人體損害有很大影響。控制好“一次碰撞”，對減少人體損傷有重要意義，合理設計汽車結構的緩沖與吸能特性是控制好“一次碰撞”的關鍵。汽車可分為兩類區域，即乘員安全區（A區）和緩沖吸能區（B區）。很顯然，僅從乘員不被汽車碰撞變形后產生擠壓受傷的角度看，乘員安全區在碰撞中的變形越小越好。要使A區變形小，就要求緩沖吸能區（B區）有較大的總體剛度，但B區的剛度過大又會影響汽車的緩沖吸能性能。從緩沖吸能角度看，B區的剛性應足夠小，變形應足夠大，這就

2、導致了A區變形小與B區變形大的矛盾。為解決這一矛盾，B區必須設計成“外柔內剛”式的結構，即B區與A區交界處設計成具有較大剛性的結構，而在B區外圍設計成具有較小剛性和較好緩沖吸能的結構。由于汽車的結構特點所限，B區抗側向和上方的碰撞能力較差，而抗前撞和尾撞的能力相對較好。如前所述，由于汽車輪胎的作用和受汽車底部結構剛性較大的保護，所有汽車抗擊來自下方的沖擊能力很強，而且，除非汽車墜崖，來自下方的碰撞沖擊力一般也較小，所以一般不考慮針對下方沖擊載荷的緩沖和吸能。針對汽車前撞和尾撞的緩沖吸能機構，一般多采用不同截面形狀的金屬薄壁吸能管，如：矩形截面點焊式，矩形截面縫焊式，三角形截面縫焊式。這類薄壁吸

3、能管在經受一定的軸向載荷后便會產生折疊式的塑性變形，從而消耗大量碰撞動能，達到緩沖目的。通過改變吸能管的截面形狀、尺寸、壁厚和材料特性等參數，就能使其具有不同的緩沖吸能特性，從而滿足不同汽車結構和性能的要求。盡管薄壁吸能管已成為國內外前撞和尾撞緩沖吸能的主要結構措施，但汽車其他結構的緩沖吸能性能也不容忽視，如車身骨架和覆蓋見等在前撞和尾撞中都有重要的緩沖和吸能作用。對于側撞而言，緩沖吸能結構的設計相對麻煩，其中最大的問題在于即使有足夠好的材料來制作緩沖吸能結構，但能用于緩沖和吸能的區間卻十分有限。從理論上講，現有的大多數汽車結構設計都難以提供能與前撞和尾撞耐撞性能相比的耐側撞性能。現在常用的改

4、進抗側撞性能的方法主要包括兩個方面，即增加B區兩側的厚度和加大B區兩側的內部剛度。值得提出的是，如果突破傳統的汽車底盤設計思路，有可能從本質上改善汽車的抗側撞性能。如車輪按菱形布置的汽車就因為車輪能抗擊側撞變形具有特別優良的抗側撞特性。如果汽車在碰撞中發生翻滾，就可能受到車頂方向的沖擊載荷。由于車頂方向的剛度很低，這種載荷很容易造成乘員安全區的大變形。要改善這一方向的剛度特性主要靠加強車輛A柱、B柱和C柱的剛度以及頂棚的剛度，但由于頂棚的結構厚度受到汽車總體尺寸和總質量的限制，車頂棚的剛度增加是非常有限的。但是，即使發生翻車，作用在車頂棚上的沖擊載荷一般也比正撞和側撞時作用在汽車上的沖擊載荷小

5、的多，因而車頂棚的剛度可以比其他部位的剛度小很多。合理設計汽車的結構，以使乘員安全區在變形盡可能小的情況下獲得優良的緩沖與吸能性能，是汽車碰撞安全性設計與改進的基本目標。車內乘員保護措施為減輕“二次碰撞”給人體造成的傷害，車內乘員碰撞保護措施越來越被重視，且其性能也在不斷提高。車內乘員碰撞保護措施主要包括安全帶、安全氣囊、安全轉向系統、安全座椅和儀表板等。安全帶的作用是使乘員在汽車碰撞時不飛離座椅與汽車內飾件發生劇烈碰撞。當汽車受到碰撞載荷后，人體作用在安全帶上的力使安全帶的運動速率超過一定的閥值后，安全帶系統的鎖緊機構發生鎖止，限制安全帶繼續抽出，從而達到約束乘員運動的目的。由于汽車碰撞時加

6、速度值一般都較高，用于約束人體的力要相當大才能達到有效保護的目的，因此安全帶要求有足夠高的強度，并且其固定點和鎖緊裝置要在規定的極限碰撞載荷作用下保證不失效。安全帶的另一個重要性能指標是沖擊載荷作用下的延伸率，延伸率過大將降低保護效果。此外。安全帶固定點位置和鎖緊裝置的敏感性和剛度都對其保護性能有重要影響。安全氣囊是避免乘員與汽車內飾件發生直接碰撞的有效手段。目前主要有防正撞和防側撞氣囊兩大類。無論是防正撞氣囊還是防側撞氣囊，其系統組成都是一樣的，即都由氣體發生器、傳感器與控制器和氣囊及其附件組成。當傳感器探測到相關的碰撞信號，并經分析確認氣囊應被打開時，控制器觸發氣體發生器，短時間內產生大量

7、氣體對氣囊充氣，從而使氣囊在人體與汽車內飾件間形成一個氣墊，達到保護人體的目的。雖然安全氣囊的工作原理看上去簡單，但由于它的工作過程短暫而復雜，并受眾多因素的影響，所以設計制造出性能優良的安全氣囊時一項具有很大挑戰的工作。安全轉向系統主要包括轉向盤和壓塌式轉向管柱。當汽車發生前撞時，駕駛員的頭部或胸部較易與轉向發生碰撞，從而加大頭部和胸部的傷害指標值。為解決這一問題，可將轉向盤的剛度進行優化，使其在滿足轉向剛性要求的前提下，盡量降低駕駛員的碰撞剛度；同時使轉向盤的塑膠覆蓋層盡量軟化，以降低其表面接觸剛度。壓塌式轉向管柱可有多種形式，其主要功能時當轉向盤受到的碰撞力達到一定閥值時，轉向管柱能順利

8、的產生位移（被壓塌），從而將轉向盤提供的碰撞阻力限制在一定的峰值。安全座椅包括兩類，即標準配置中的安全座椅和專為小孩配置的安全座椅。對于標準配置中的安全座椅，一方面應考慮與安全帶配合防止乘員在汽車前撞中發生“潛水”現象；另一方面應優化設計頭枕，以使乘員頸部在尾撞中少受或免受傷害。防“潛水”現象的座椅設計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。專為小孩配置的安全座椅一般都朝向向后安置，主要保護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。目前國內幾乎沒有專為小孩配置的安全座椅。儀表板的安全性設計也是

9、至關重要的，其中要考慮的因素主要是在保證基本剛度以滿足結構功能要求的前提下，提供盡可能好的緩沖吸能性能。性能優良的儀表板設計可有效降低“二次碰撞”對人體頭部和腿部的損傷。汽車碰撞安全性設計現在我們來討論如何合理的設計一個初始緩沖吸能方案，以較好的滿足汽車碰撞安全性法規的要求。整車理想碰撞特性對整車的碰撞安全性進行設計，首先必須了解理想的車輛碰撞特性是什么。由于道路上的車輛事故主要是縱向碰撞和側面碰撞。縱向碰撞理想特性當車輛發生前后方向的碰撞時，為保護車內乘員的安全，根據汽車碰撞損傷機理可知車輛需要具備的基本特性是：1 要保證乘員足夠的生存空間，即乘坐室不應發生過大的碰撞變形（包括車輪、發動機、

10、變速器等剛性部件不得侵入駕駛室）。2 除乘坐室以外的車身結構部分（前碰撞時為前部結構，后碰撞時為后部結構）則應盡可能多的變形，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人體的承受極限等。從以上兩點可知，車輛縱向碰撞時理想的變形與不變形區域如下圖所示。車輛縱向碰撞時理想的變形與不變形區域圖中陰影部分是撞車可變形區域為了滿足上述基本要求，設計的第一步是要使乘員室的結構剛度大于前部變形區域的剛度，并要達到一定的指標限值，這可通過整車結構的剛柔匹配以及采用特殊的傳力路徑等來實現。對于碰撞變形區域，設計相對復雜，因為除了要盡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，車輛的變形以及變形力值都較小，以保護行人或車輛自身；當發生中等速度碰撞時，變形力值應盡量均勻，以最大限度的降低撞擊加速度峰值；當發生高速碰撞時，為了阻止變形擴展到乘員室，從懸架到車身前圍鈑金之間的變形力值應急劇上升。這種特性即是理想的車輛前碰撞變形特性，其特性曲線如下圖所示：對于尾部碰撞的情況，雖然其理想碰撞特性應與前部相同，但考慮到現實情況一般是相對碰撞速度較低，并且尾部一般也有足夠多的碰撞吸能區間，所以車輛尾部的吸能設計遠不如前部重要。尾部碰撞時車輛乘員受到的最主要傷害形式時頸部沖擊損傷，因此，車輛尾部區段應盡量軟化，同時，座椅頭枕要起到很好的保護作用。側面碰撞理想特

12、性當車輛受到側面碰撞時，受到撞擊的部位一般時車門或立柱，而車門和立柱所圍成的直接就是乘員乘坐區空間。因此，對于絕大部分車輛而言，當其遭受側撞時幾乎沒有可利用的緩沖吸能區間，也即其理想的側撞特性應是足夠大的剛性，車門和立柱不應發生大的變形。另外，考慮到側撞時乘員很可能會撞擊車門內板，因此，車門內板應柔軟，或者在車門內側安裝側撞安全氣囊。碰撞安全性的發推設計法由于汽車碰撞緩沖吸能特性設計的主要目標是滿足汽車安全法規的要求，這一設計過程可以用安全法規作為原始驅動力。汽車碰撞安全法規是以人在碰撞中的響應為核心定義的，因此對汽車碰撞特性的設計應從人體的響應出發，逐一考慮與人體響應有關的各個環節的設計和優

13、化。這些環節包括：1。碰撞界面；2。緩沖吸能系統；3。安全區保護結構系統；4。轉向盤與內飾系統；5。安全氣囊系統；6。安全帶與座椅系統。碰撞吸能結構的設計汽車車身結構幾乎都是由薄壁金屬件構成，在發生碰撞時，受到強烈撞擊的薄壁構件會發生塑性變形，這種塑性變形本身伴隨著碰撞能量的吸收。因此，車輛結構的碰撞吸能設計很大程度上是薄壁件的碰撞性能設計。與一般的吸能元件不同，薄壁構件的碰撞吸能除了與本身的材料有關外，還與焊點、材料壁厚、橫截面以及預變形密切相關。焊點與吸能薄壁構件的形成是通過對金屬薄板進行沖壓、彎折等冷加工變形后，再通過焊點（點焊）連接而構成，焊點斷開或焊點處材料撕裂能夠有效的吸收碰撞動能，當焊點強度過低則會嚴重影響薄壁構件對碰撞能量的吸收。在設計碰撞吸能用的薄壁構件時，為了不影響其撞擊吸能特性，應盡量避免焊點在碰撞過程中過早的脫開。一般情況下，焊點的開裂與以下因素有關：1 焊點強度：包括法向拉脫力FNS與切向剪切力FTS。當焊點實際受力與FNS及FTS滿足一定的關系時，焊點就會開裂。2 焊接形式：