從汽車車身安全構件分析碰撞安全保護

◆文/江蘇 何樂新

汽車碰撞安全涉及車輛的許多方面，其中包括車身結構、車頂和車門的強度、車窗玻璃、轉向系統(tǒng)、內(nèi)飾件、安全帶、座椅、頭枕和安全氣囊等，歸納起來可分為車身安全結構和乘員保護系統(tǒng)兩大類。

汽車駕乘人員在碰撞過程中受到損傷的原因主要有四點：①一次碰撞過程過分劇烈，以致傳遞到駕乘人員身上的加速度超過了人體的承受極限，使人體器官受到傷害；②碰撞過程中乘坐室外部剛性硬物侵入乘坐室內(nèi)部，直接將駕乘人員擠壓受傷；③由于碰撞過程中的回彈很厲害，駕乘人員在車內(nèi)會遭受前后兩個方向的多次二次碰撞而受到傷害；④在碰撞過程中，乘坐室變形過大會導致駕乘人員缺乏生存空間而受到傷害。

汽車車身結構采用一系列防碰撞構件，就是為了把乘坐室在碰撞過程中的變形程度降到最小，盡量保護乘員不受傷害。汽車的其他安全構件也盡量采用有利于保護乘員安全的結構和材料。

一、前風窗玻璃

前風窗玻璃是汽車車身的重要零部件，主要起擋風的作用。前風窗玻璃是一個使用功能強、成本高的零件，它直接關系到駕駛員和乘客的安全、視野以及整車的造型與成本。現(xiàn)在汽車行駛在道路上，往往車速較快并且行車密度較高，一旦發(fā)生碰撞或者緊急剎車時，前排乘員往往因慣性的作用，頭部會撞擊前風窗玻璃而造成傷亡。

前風窗玻璃采用鋼化玻璃制作而成，破碎后會影響駕駛員的視野，另外，鋼化玻璃還存在“自爆”的問題，目前只能將自爆率控制在3%以下，還沒有完全解決“自爆”問題的辦法。所以，目前前風窗玻璃多使用夾層玻璃，其具有抗碰撞功能。當飛起物體的沖撞力能沖破兩層玻璃時，撞擊點周圍的玻璃局部破裂成放射狀，但破裂的玻璃仍粘附在中間的PVB膜上，中間膜能吸收剩余的能量，避免人受到傷害。

1.前風窗玻璃的分類

前風窗玻璃按其曲率特性可分為：①圓柱型，其橫向法截面在中部為大半徑圓弧，兩端為小半徑圓弧；②圓錐型，其中部一般為圓柱表面，兩端為圓錐形表面；③雙曲面型，其橫向和縱向截面均呈球面。

前兩者中部采用大半徑圓弧，其半徑不小于2500mm，兩端的小半徑不小于230mm。這樣設計主要因為其制造容易并且能保證精度，另外，雨刮器掃刮不困難，并且不影響駕駛員的視野。后者因制造困難，同時存在雨刮器難以刮凈玻璃等問題，所以應用較少。

2.前風窗玻璃的特點

目前，前風窗玻璃還沒有統(tǒng)一的檢驗標準，但因為其是影響乘車安全的重要零部件，因而應引起人們的重視。前風窗框尺寸的準確性直接關系到前風窗玻璃的正確安裝，材料的剛性狀況關系到前風窗玻璃的可靠性和固定性。另外，為了避免雨水飄灑臟污側窗，前風窗玻璃還裝有流水槽，起擋水作用。但試驗表明，在空氣阻力較大時會產(chǎn)生嚴重的風噪聲。各車型安裝流水槽的部位結構不同，如有的車型將流水槽取消，在該處留出一個狹長的雨水捕捉凹槽，使側窗與車身外部齊平，這樣既解決了排水問題，又消除了風噪聲。

二、汽車座椅

1.汽車座椅的主要作用

汽車座椅直接關系到駕乘人員的乘坐舒適性和安全性，其主要作用有：①為駕駛員定位汽車系統(tǒng)控制和駕駛視野等問題；②在重要的人體結構點上支撐人體，使乘員在汽車行駛過程中保持平穩(wěn)；③為乘員提供安全舒適的環(huán)境，防止受到路面顛簸的影響；④在汽車發(fā)生碰撞時保護乘員安全。

2.汽車安全座椅的結構

座椅的安全性是指汽車座椅在事故發(fā)生時，能最大限度地減少對駕乘人員造成傷害的能力。汽車座椅不僅要減輕駕乘人員的疲勞以滿足主動安全性要求，還要與安全帶、安全氣囊一起對駕乘人員定位，并在發(fā)生碰撞時減輕碰撞程度，使駕乘人員的損傷程度盡量降到最低。座椅是在被動保護中起重要作用的安全部件，在事故中座椅要保證駕乘人員處在安全的生存空間之內(nèi)，并防止其他車的載體進入這個空間，要使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，使其他的約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮其保護作用。

汽車安全座椅(見圖1)主要由頭枕、頭枕導桿、座椅靠背、座墊、座椅滑軌、樞軸螺栓、傾斜調(diào)節(jié)器、傾斜調(diào)節(jié)器護罩等構成。

座椅的調(diào)整可以通過手動或其他方式完成，并且以地板的前后和上下之間的位置為參照進行調(diào)節(jié)，將座椅鎖止在所調(diào)節(jié)的位置上。一般前后方向的調(diào)節(jié)量為90～140mm，上下之間的調(diào)節(jié)量為15～60mm，以適應不同身材的乘員，保證其舒適性。

圖2為汽車后排座椅，其結構與單人座椅基本相同，后排座椅也需要與安全帶一起使用，對乘員進行定位。在碰撞發(fā)生時，后排座椅與安全帶能夠減輕碰撞的程度，使乘員的傷害率盡量較小。

另外，還有一個不能忽視的問題，那就是車輛乘員中也包括兒童，在我國兒童乘車占有相當高的比例。如果兒童乘車也使用成人座椅，那么約束系統(tǒng)(如安全帶)就不能很好地匹配，發(fā)生碰撞事故時，兒童將面臨非常高的受傷風險，因此，兒童經(jīng)常乘車一定要配置兒童座椅。根據(jù)ECER44/3標準，汽車兒童安全座椅根據(jù)兒童的體重分為五組：0組、0+組、Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組。其中0組適用于體重小于10kg的兒童，0+組適用于體重小于13kg的兒童，Ⅰ組適用于體重在9～18kg之間的兒童，Ⅱ組適用于體重15～25kg之間的兒童，Ⅲ組適用于體重22～36kg的兒童。在選擇安全兒童座椅時，應根據(jù)兒童的身高、體重，與相應的座椅進行匹配。

在選擇兒童座椅時，也應考慮兒童不同年齡座椅的選擇，如1～4歲的兒童座椅應配備多點式安全帶(見圖3)；2～6歲兒童的安全座椅一般與成人安全帶組合使用(見圖4)；6～10歲兒童安全座椅應與汽車安全系統(tǒng)組合使用(見圖5)。

兒童座椅按產(chǎn)品要求與汽車座椅牢固連接，如果兒童因為身高問題而不能與座椅很好地匹配，則應安裝增高座墊，兒童座椅的選配非常重要，應確保兒童、兒童座椅、汽車座椅和汽車安全帶的約束系統(tǒng)安全可靠。

三、車輛轉向機構

車輛轉向機構是駕駛員操縱車輛的基本媒介，承擔著控制車輛以及掌握行駛方向的重任。此外，轉向機構是車輛中一個復雜的部件，其關系到車輛的操縱性、舒適性、穩(wěn)定性和安全性等。當車輛發(fā)生碰撞事故，尤其是正面碰撞時，轉向機構極易向后移動，從而導致駕駛員與其發(fā)生二次碰撞。因此，要在碰撞事故中有效地保護駕駛員不受傷害，首先，應保證乘員室的變形程度很小，所以，汽車車身結構中駕駛室的前圍有防碰撞結構。其次，要減輕車身內(nèi)部的剛性凸出物與駕駛員發(fā)生二次碰撞的劇烈程度，轉向機構就是對駕駛員碰撞安全影響最大的車內(nèi)“凸出物”。研究表明，當車輛發(fā)生正面碰撞時，由方向盤、轉向機構對駕駛員造成的損傷占駕駛員所有損傷的46%。為了減輕轉向機構對駕駛員造成傷害，其重要措施就是減小由于碰撞變形而造成的轉向機構的后移量，并同時考慮轉向機構的緩沖和吸能特性。

1.轉向機構結構

圖6為具有吸能特性的轉向機構，它包括轉向盤、轉向軸套管、轉向軸、支架、支座、萬向節(jié)、轉向中間軸、轉向器等。這樣具有吸能的轉向機構，除了能滿足常規(guī)的轉向功能外，當車輛發(fā)生碰撞時，還能夠有效地吸收能量。

2.轉向機構的安全特性

圖7為汽車發(fā)生正面碰撞時，轉向機構與駕駛員構成人機系統(tǒng)碰撞關系圖。碰撞發(fā)生時，該系統(tǒng)的變形和碰撞過程可分為兩個不同的階段，即一次碰撞階段和二次碰撞階段。在一次碰撞階段，碰撞能量使汽車車身前部發(fā)生塑性變形，安裝在汽車車身前部，與轉向器輸入端相連接的轉向中間軸在碰撞力的作用下向后運動，隨著碰撞過程的繼續(xù)，碰撞力作用在轉向柱下端，使轉向柱向后移動。同時，駕駛員在自身的慣性作用下沖向方向盤，盡管駕駛員本身可能有約束裝置(如安全帶、安全氣囊等)對其前傾進行約束，但駕駛員仍有可能與方向盤或儀表板發(fā)生直接碰撞，從而形成駕駛員與車內(nèi)物體的二次碰撞。

隔絕一次碰撞的影響基本是通過轉向中間軸的防碰撞結構來實現(xiàn)的。首先，防碰撞型轉向中間軸要有足夠的剛度和強度，以保證車輛正常行駛時能穩(wěn)定地傳遞轉向扭矩。同時，當車輛發(fā)生正面碰撞而碰撞力又達到一定值時，轉向中間軸可以壓縮、彎曲或斷開，以防止轉向機構后移，從而達到隔絕一次碰撞影響的目的。

降低二次碰撞傷害的程度是通過轉向機構的吸能特性來實現(xiàn)的。當車輛發(fā)生正面碰撞時，轉向機構能夠從車身結構中以機械的方式脫離，從而切斷碰撞能量繼續(xù)向轉向柱系統(tǒng)傳遞的路徑，同時轉向柱及其中的轉向軸可以被壓縮，以減小二次碰撞對駕乘人員的傷害。

3.調(diào)整合適的車身構件安全系統(tǒng)

汽車座椅、轉向機構、安全帶這些安全系統(tǒng)都是駕乘人員可以進行調(diào)整的車身安全裝置。駕乘人員應正確使用和調(diào)整這些車身安全構件，這樣在車輛發(fā)生碰撞時，才能使碰撞傷害程度盡量減小到最小。汽車的這個防碰撞系統(tǒng)是根據(jù)車體尺寸和人體尺寸及相關要素精確設計的，駕乘人員不可為了某些需要，任意改變這個安全系統(tǒng)中的某一構件，如為了提高舒適性在座椅上另加一個座墊，這樣在發(fā)生車輛碰撞時，這個安全系統(tǒng)就不能確保乘員的約束定位，就會發(fā)生所謂“潛水”現(xiàn)象，乘員的碰撞傷害程度將無限放大。

四、汽車車身內(nèi)裝飾

汽車為了舒適、美觀、密封、防噪聲和安全等特性，布置了一系列車身內(nèi)部裝飾(見圖8)。這些裝飾件不論從外形、材料和結構上都是經(jīng)過設計人員精心設計和布置的，駕乘人員不應根據(jù)自已的喜好，任意改變原車身內(nèi)部裝飾或在車身內(nèi)某部位增加其他構件或掛飾，因為這樣往往會破壞原車身內(nèi)飾的安全系統(tǒng)，增加車身碰撞傷害的潛在因素。