汽車(chē)被動(dòng)安全側(cè)碰方面的研討

田國(guó)紅，孫立國(guó)，齊登科（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

汽車(chē)被動(dòng)安全側(cè)碰方面的研討

田國(guó)紅，孫立國(guó)，齊登科
（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

摘 要：中國(guó)側(cè)碰法規(guī)的實(shí)施以及汽車(chē)側(cè)碰事故中的高傷亡率，使汽車(chē)側(cè)面的碰撞安全性越來(lái)越受到人們的注意。為了更好的保護(hù)乘員安全和提高汽車(chē)的側(cè)面碰撞性能，可以對(duì)B柱、前地板橫梁等車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，也可以對(duì)側(cè)面安全氣囊和側(cè)氣簾進(jìn)行探究，使乘員在側(cè)面碰撞中將傷亡降到最低。

關(guān)鍵字：側(cè)面碰撞；車(chē)身結(jié)構(gòu)；側(cè)氣囊；側(cè)氣簾

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.018

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-44-04

前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，現(xiàn)在汽車(chē)越來(lái)越成為人們生活中必不可少的工具。2014年，中國(guó)乘用車(chē)汽車(chē)的保有量突破一億輛，并且以增長(zhǎng)的趨勢(shì)發(fā)展。汽車(chē)在給我們帶來(lái)方便的同時(shí)，對(duì)我們的人身安全造成了嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在交通事故中發(fā)生最多的就是碰撞事故，碰撞有正碰、追尾、側(cè)碰、翻滾等形式，車(chē)輛側(cè)面碰事故發(fā)生率約占30%，正面碰撞的死亡率居首，側(cè)面碰撞造成的死亡和重傷事故達(dá)到35%，其致傷率則居第一位 。對(duì)于城市交叉路口較多的中國(guó)來(lái)說(shuō)，車(chē)體側(cè)碰事故概率與高于汽車(chē)的正碰事故。

2006年7月1日起，《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》在我國(guó)實(shí)施，將汽車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)列入新車(chē)上市之前的強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目。在汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域，尤其是側(cè)碰成為今后研究的重點(diǎn)。

1、側(cè)碰事故中的高傷亡率分析

與正面碰撞不同的是，汽車(chē)發(fā)生側(cè)面時(shí)，座椅側(cè)面空間較?。ㄒ话阕闻c車(chē)門(mén)內(nèi)板之間的距離只有20—30mm）并且能夠消耗側(cè)碰沖擊能量的構(gòu)件比較少。這樣車(chē)身側(cè)面在安全范圍的可變形量變小。當(dāng)車(chē)身收到來(lái)自側(cè)面方向的撞擊時(shí)，會(huì)將撞擊產(chǎn)生的沖擊載荷傳給乘員。在側(cè)面碰撞事故分析知道，頭、胸、腹、下肢、頸部、脊椎和骨盆在側(cè)面碰撞中人體傷害嚴(yán)重的部位，甚至?xí)斐伤劳?。其中?duì)乘員傷害最嚴(yán)重的部位是頭部和胸部。研究表明，駕駛室（乘員艙）側(cè)面的侵入是乘員受到傷害的直接原因，汽車(chē)側(cè)面碰撞時(shí)乘員死亡和傷害與駕駛室(乘員艙)側(cè)面侵入量有很大關(guān)系。據(jù)美國(guó)國(guó)家車(chē)輛采樣系統(tǒng)NASS統(tǒng)計(jì)的側(cè)面碰撞時(shí)駕駛室側(cè)面侵入量與重傷率的關(guān)系顯示：駕駛室側(cè)面侵入量與傷害程度等級(jí)基本上成線性關(guān)系，即侵入量增大時(shí)，乘員死亡和傷害的比例也就增大，側(cè)面撞擊時(shí)乘員艙侵入量為8cm時(shí)，重傷率為22%，侵入量達(dá)61cm時(shí)，重傷率為100%。傷害的主要形式包括：側(cè)碰橫梁上門(mén)內(nèi)板及B柱中上部結(jié)構(gòu)的潰塌變形導(dǎo)致乘員頭胸部的傷害；堅(jiān)硬、突起的內(nèi)飾件會(huì)導(dǎo)致乘員腹部的傷害；同時(shí)駕駛室內(nèi)的儀表板同樣會(huì)對(duì)乘員的頭部、膝部以及下肢造成不同程度的傷害。

2、汽車(chē)側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我國(guó)在制定側(cè)碰標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以歐洲相關(guān)法規(guī)（即ECER95)為藍(lán)本，同時(shí)才考了日本的相關(guān)法規(guī)。通過(guò)側(cè)面碰撞移動(dòng)變形壁障(MDB)對(duì)側(cè)碰進(jìn)行研究，如下圖1。

二次碰撞是造成人體損傷的主要原因，但二次碰撞的劇烈程度一般由一次碰撞決定。一般對(duì)側(cè)面碰撞性能優(yōu)化通過(guò)兩種途徑一方面是對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)、材料尺寸及種類(lèi)等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化；另一方面是考慮采用側(cè)面安全氣囊來(lái)減輕二次碰撞造成的傷害。

2.1 側(cè)面車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)碰結(jié)構(gòu)主要有B立柱、門(mén)檻和地板橫梁等相關(guān)零件構(gòu)成，碰撞發(fā)生時(shí)，首先收到撞擊力的是B柱下部和門(mén)檻梁部，中立柱收到撞擊力吸收能量并產(chǎn)生變形，撞擊力從外蒙皮、中立傳到內(nèi)蒙皮，門(mén)檻梁得到撞擊力吸收能量并產(chǎn)生變形，撞擊力從門(mén)檻側(cè)內(nèi)板傳到地板橫梁、再由地板橫梁傳到車(chē)身另一側(cè)。因此，這需要我們對(duì)下列結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗彎能力進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，如B柱、地板橫梁、門(mén)檻梁、上邊梁、車(chē)門(mén)防撞梁、頂蓋橫梁等結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使整體車(chē)身的強(qiáng)度得到提升，發(fā)生側(cè)碰時(shí)，減小側(cè)碰侵入量和侵入速度的目的。碰撞時(shí)力的傳遞如圖2 。

2.1.1 對(duì)B柱的優(yōu)化

B柱是距離乘員或者駕駛員最近，碰撞的首要撞擊部位。它在受到撞擊力時(shí)，能夠產(chǎn)生一定的變形（變形量要求在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)），吸收撞擊過(guò)程中的能量，并有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度來(lái)維持側(cè)圍的變形量和變形速度在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

一般B柱的結(jié)構(gòu)是中空’口‘字形，分為內(nèi)外兩部分焊接而成。為了加強(qiáng)其強(qiáng)度和剛度，在內(nèi)外兩側(cè)之間加入增強(qiáng)構(gòu)件使結(jié)構(gòu)成為圖3式，優(yōu)化抗彎、抗扭剛度，以保持車(chē)身良好的變形空間，并且將撞擊力有效的傳送給門(mén)檻梁和側(cè)圍上邊梁，以滿(mǎn)足乘員安全和法規(guī)的要求。

2.1.2 門(mén)檻結(jié)構(gòu)

在撞擊力經(jīng)B柱后，會(huì)緊接著將力傳給門(mén)檻，它的結(jié)構(gòu)方式和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)直接影響側(cè)碰時(shí)乘員的安全。門(mén)檻主要是有側(cè)圍外板、加強(qiáng)件、門(mén)檻內(nèi)板構(gòu)成，分別構(gòu)成空腔，與B柱結(jié)構(gòu)相似，有利于在碰撞過(guò)程中分段變形，在變形中消耗掉一部分撞擊能量。同時(shí)增加加強(qiáng)板并且在局部進(jìn)行強(qiáng)化，以提高局部的剛度和是撞擊力能夠按照要求引導(dǎo)力傳給地板橫梁上。

2.1.3 前地板橫梁

前地板橫梁是傳遞和吸收側(cè)面撞擊力的關(guān)鍵零件，而且也是保障乘員艙不產(chǎn)生變形的最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)。前底板橫梁將左右兩邊的車(chē)體結(jié)構(gòu)連接在一起，使撞擊力沿橫梁傳遞過(guò)去。同時(shí)橫梁前部通過(guò)變形時(shí)可以吸收大量的能量。橫梁上會(huì)沖壓出加強(qiáng)筋以保證橫梁有足夠的剛性而不產(chǎn)生變形，保證乘員身體的安全空間。同時(shí)可以對(duì)焊接技術(shù)改善焊接點(diǎn)的密度和強(qiáng)度，降低焊接處的應(yīng)力集中，從而提高抗碰撞能力（如激光焊，焊縫組織均勻，氣孔少)。

為了提高橫梁構(gòu)件的剛度，不只是可以增加構(gòu)件厚度和高強(qiáng)度材料，可以在在橫梁設(shè)置加強(qiáng)筋。對(duì)于加強(qiáng)筋要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：

①加強(qiáng)筋一般設(shè)計(jì)與橫梁面的對(duì)稱(chēng)線重合成直線，盡量避免桿件振動(dòng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而且沿支撐構(gòu)件之間距離最短；②有些桿件采用交叉式的加強(qiáng)筋，如果交叉點(diǎn)過(guò)渡比較直接，會(huì)引起應(yīng)力集中，使剛性降低，通常要求過(guò)渡圓滑讓過(guò)渡圓角半應(yīng)大于筋的寬度的兩倍；③對(duì)于彎曲的的橫梁，加強(qiáng)筋應(yīng)垂直于彎曲軸線布局；④加強(qiáng)筋的剛度取決于它的深度。

2.1.4 前、后車(chē)門(mén)防撞結(jié)構(gòu)

車(chē)門(mén)不僅要承載車(chē)窗玻璃等掛件飾品，還要承受碰撞時(shí)產(chǎn)生的撞擊力。需要對(duì)前、后車(chē)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化，主要采用門(mén)內(nèi)增加加強(qiáng)兩的方式，上、下不同部位加入加強(qiáng)梁機(jī)構(gòu)能夠保證在側(cè)碰過(guò)程中，門(mén)內(nèi)門(mén)外及加強(qiáng)梁通過(guò)變形吸收能量，并能保證在側(cè)碰中外物不侵入乘員的空間，更好的保護(hù)乘員，并且發(fā)生碰撞后車(chē)門(mén)能夠正常打開(kāi)。前后門(mén)的防撞橫梁有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是鋼管狀結(jié)構(gòu)，另一種是波紋狀板式?jīng)_壓構(gòu)件。

2.2 安全氣囊的探究

在側(cè)面碰撞中，為了降低二次碰撞給乘員帶來(lái)的傷害，在座椅和汽車(chē)內(nèi)側(cè)位之間加了另一個(gè)防護(hù)裝置---側(cè)安全氣囊（安全氣囊在被動(dòng)安全系統(tǒng)中最后一道保障)。

在側(cè)碰中，乘員收到傷害后容易致命的部位主要是頭部、胸部、腹部、下肢、頸部、脊椎和盆骨，但是人體頭部和胸部構(gòu)造復(fù)雜，即使是受到輕微沖擊，也有可能會(huì)造成嚴(yán)重的傷害，甚至導(dǎo)致傷者死亡，所以在側(cè)碰中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保護(hù)頭與胸部。據(jù)交通事故統(tǒng)計(jì)，致命的傷是頭部和胸部損傷，其引起的致命事故占全部致命傷事故總數(shù)的 1/2 以上，胸部損傷引起的死亡大概占到1/2。在側(cè)面添加側(cè)面氣囊，一個(gè)是保護(hù)胸部的側(cè)氣囊，另一個(gè)是保護(hù)頭部的氣囊。

2.2.1 頭部側(cè)氣囊（CAB）

頭部氣囊也叫側(cè)氣簾，在碰撞發(fā)生時(shí)彈出隔離乘員與車(chē)身，以達(dá)到保護(hù)乘客的效果。如果發(fā)生側(cè)面碰撞，由于人體頭部的復(fù)雜構(gòu)造甚至安全帶側(cè)面支撐扣都有可能成為車(chē)禍中的殺手。那么側(cè)氣簾就會(huì)把乘員和車(chē)身隔離開(kāi)保護(hù)乘員。側(cè)氣簾安裝在車(chē)頂弧形鋼梁內(nèi)，通常貫穿前后車(chē)門(mén)部位，受車(chē)身內(nèi)橫向加速度傳感器控制用來(lái)保護(hù)。當(dāng)橫向加速度超過(guò)一定值，傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)氣囊打開(kāi)。對(duì)于側(cè)撞、翻車(chē)等嚴(yán)重事故有著很好的人員保護(hù)功能。側(cè)氣簾中的主要的模塊包括氣囊發(fā)生器、導(dǎo)氣管、氣袋、拉帶、線束等，如圖6。

對(duì)側(cè)氣簾的研究主要注意一下幾個(gè)方面：

①氣囊的有效厚度：一般側(cè)氣簾前排座椅部位與后排的厚度是不一樣的，前排座椅氣囊厚度通常比后排座椅氣囊厚度大點(diǎn)，厚度的最佳尺寸要通過(guò)假人仿真碰撞試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)來(lái)決定；②安全氣囊的打開(kāi)時(shí)間，由于頭部空間的活動(dòng)范圍較小，氣囊打開(kāi)必須迅速；③氣囊展開(kāi)時(shí)的覆蓋面積：一般長(zhǎng)度是乘員前后俯仰角度所掃過(guò)的最大角度，上要高于頭部，下部要滿(mǎn)足肩部的要求；④包裹存放氣囊的試件和車(chē)頂側(cè)柱不要有鋒利的部分，以免在氣囊彈出時(shí)被劃破；⑤注意氣簾前后部分的折疊方式。要在接受碰撞信號(hào)時(shí)兩個(gè)部位的氣囊迅速打開(kāi)，來(lái)保護(hù)乘員頭部。

2.2.2 側(cè)氣囊（SAB）

側(cè)安全氣囊主要起到保護(hù)乘員的胸、腹部，可將氣囊模塊安裝在B柱、車(chē)門(mén)或者座椅側(cè)邊。

在座椅上的側(cè)氣囊比其他部位有更多的好處：

1）氣囊安裝在座椅側(cè)面，能使氣囊在調(diào)節(jié)座椅前后上下時(shí)候隨著座椅移動(dòng)，并且安全側(cè)氣囊的打開(kāi)面積較小，與身體的相對(duì)位置不會(huì)變化，使乘員能夠始終處在氣囊的最好的保護(hù)位置。

2)氣囊在碰撞過(guò)程中能對(duì)乘員最易受傷的胸部提供有效的保護(hù)；還可以使車(chē)門(mén)與乘員的身體距離拉大，緩沖撞擊力，同時(shí)保護(hù)頭部和腹部。

3）安裝在座椅上的氣囊能夠在接受大碰撞信號(hào)時(shí)迅速展開(kāi)，不會(huì)像安裝在其他部位的氣囊因?yàn)檐?chē)門(mén)變形而失效。傳感固定在座椅上，而不會(huì)因重重拍一下門(mén)而誤被引發(fā)。

座椅側(cè)氣囊有隱藏式和可見(jiàn)式如上圖。隱藏式被縫制在座椅側(cè)面的座椅蒙皮內(nèi)，并對(duì)座椅蒙皮縫線及其相關(guān)部分弱化，是氣囊能夠突破蒙皮迅速打開(kāi)。可見(jiàn)式是將氣囊模塊鑲嵌在座椅側(cè)面，當(dāng)傳感器接受碰撞信號(hào)后會(huì)直接彈出。并且滿(mǎn)足以下要求：

①氣囊保護(hù)范圍，應(yīng)該將不同尺寸的乘員考慮在內(nèi)，有足夠的保護(hù)區(qū)域。②在發(fā)生側(cè)碰時(shí)，由于乘員與車(chē)身內(nèi)側(cè)的距離很小，這要求側(cè)氣囊展開(kāi)時(shí)間相對(duì)正面氣囊短且迅速。③對(duì)氣囊的要求是能夠疊放在座椅側(cè)面狹小的空間內(nèi)，為了減小展開(kāi)阻力，要一層薄的涂層更容易展開(kāi)。④氣體發(fā)生器，要求展開(kāi)迅速，囊內(nèi)氣壓適中，對(duì)于隱藏式的氣囊模塊應(yīng)盡量與蒙皮縫合線方向一致，有利于彈出。⑤氣囊位置。氣囊模塊的位置盡量對(duì)正肋骨，保證氣囊對(duì)人有效保護(hù)；氣囊發(fā)生器盡量與肋骨、脊椎保持一定距離，避免在碰撞過(guò)程中模塊引起對(duì)人的負(fù)傷害。

在我們生活中會(huì)發(fā)生安全氣囊事故，會(huì)被氣囊擊傷或者失效等故障。要對(duì)氣囊的參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)。

3、結(jié)論

本文對(duì)被動(dòng)安全中側(cè)面碰撞的進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。對(duì)側(cè)碰的高傷亡率進(jìn)行了分析，從而進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。了解了側(cè)碰中車(chē)身起主要作用的構(gòu)件，并探討了對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化以達(dá)到側(cè)碰法規(guī)的要求。同時(shí)對(duì)二次碰撞起主要側(cè)氣囊進(jìn)行介紹，對(duì)氣囊開(kāi)發(fā)進(jìn)行指導(dǎo)性意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李強(qiáng).基于響應(yīng)面法的車(chē)門(mén)抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[C].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2011.

[2] 郝霆.轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)抗側(cè)面碰撞要求的分析[C].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2007：39-43.

[3] 楊濟(jì)匡.汽車(chē)側(cè)碰中頭胸部安全氣囊的優(yōu)化研究[C].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2010.1（1）.

[4] 沈宇明.碰撞安全性 汽車(chē)側(cè)面碰撞安全防護(hù)措施[J].汽車(chē)與安全,2009(07).

[5] 孫晶.汽車(chē)側(cè)面碰撞中集成式氣囊系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012(04).

Discussion on passive safety side of automobile

Tian Guohong, Sun Liguo, Qi Dengke
( Institute of automobile and traffic engineering Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

Abstract:The implementation of the Chinese side impact regulations and the high casualty rate in the automobile side impact accident, so that the side of the vehicle safety is more and more attention. In order to better protect the occupant safety and improve the performance of the side impact of the car, you can optimize the structure of the B column, front floor beams and other body, and can also explore the side airbags and side air curtain. Minimize the casualties in the side impact.

Keywords:side impact; body structure; side airbag; curtain airbag

作者簡(jiǎn)介：孫立國(guó)，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-44-04