轎車側(cè)面碰撞車身結(jié)構(gòu)安全性和乘員損傷保護(hù)研究

付逸群+張順

摘 要：就經(jīng)常發(fā)生的交通事故現(xiàn)場報(bào)告分析，轎車側(cè)面碰撞是造成乘員重傷和死亡的主要交通事故之一。我國近幾年才開始針對(duì)于這方面的研究，一般來說轎車側(cè)面碰撞包括車對(duì)車和車對(duì)障礙物兩種碰撞形式，車與車的碰撞一直以來備受人們關(guān)注而成為研究的重點(diǎn)，車與障礙物之間的側(cè)碰研究卻幾乎為零。想要提高車輛側(cè)面碰撞的安全性就必須對(duì)這兩種情況同時(shí)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：車輛安全性；乘員損傷；防護(hù)措施

中圖分類號(hào)：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0161-02

我國規(guī)定，不管是直接碰撞還是間接的碰撞，在轎車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，對(duì)于其撞擊器的選取大多采用移動(dòng)變形等類型的壁障，而在仿真研究轎車的側(cè)面碰撞中，多采用移動(dòng)變形壁障來代替撞擊的車輛，以便于能夠更好地進(jìn)行研究。

1 轎車側(cè)碰的碰撞性

碰撞力的傳遞性：

在轎車的實(shí)驗(yàn)過程中，重要的構(gòu)成部件對(duì)車輛的整體性、安全性與舒適性等問題有著直接的影響。轎車的車身結(jié)構(gòu)從前往后依次為前柱、中柱、后柱。轎車結(jié)構(gòu)中的這些立柱有一定的支撐作用，也是轎車的門框。轎車側(cè)面受到外力的撞擊的時(shí)候，慣性會(huì)使車門產(chǎn)生向內(nèi)沖擊的力，車門框就會(huì)對(duì)這種力產(chǎn)生抑制，當(dāng)然車門框在抵御這種外力時(shí)也會(huì)受到由車門傳遞而來的側(cè)向作用力。

在轎車門內(nèi)配置防撞桿，其作用在于當(dāng)前門受到側(cè)向撞擊力時(shí)會(huì)將作用力直接傳遞或轉(zhuǎn)移到鉸鏈柱和中柱。轎車的鉸鏈柱和后柱在外界的側(cè)向力的作用下隨之產(chǎn)生一種向車內(nèi)運(yùn)動(dòng)的破壞力，鉸鏈柱上端的前風(fēng)窗下橫梁和儀表板安裝橫梁的軸向剛度提供了抵抗這種來自于外界的力，而鉸鏈柱下端的剛度是由車身底部橫向結(jié)構(gòu)來提供的。在轎車車門受到側(cè)向撞擊力的情況下，向車內(nèi)轉(zhuǎn)移、傳遞的破壞力將會(huì)使中柱受到向車內(nèi)彎曲彎矩力而變形，彎曲剛度和中柱上、下接頭的剛度形成了向車內(nèi)變形的抵抗。也就是說在受到側(cè)向撞擊時(shí)，接頭就會(huì)起著傳遞作用，通過車頂邊梁、車頂橫梁和相關(guān)的接頭結(jié)構(gòu)致使作用在中柱上的一部分力就會(huì)向非撞擊側(cè)傳遞。車頂結(jié)構(gòu)提供了中柱上面的接頭來抵抗對(duì)中柱向車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)力，其原理在于車頂邊梁的彎曲剛度、車頂橫梁的軸向剛度、接頭結(jié)構(gòu)相應(yīng)的剛度、前柱和后柱的彎曲剛度等剛好通過中柱下方的接頭，橫梁將會(huì)接受部分作用在中柱上的應(yīng)力。作用在門檻梁上的側(cè)向力，受到外部的直接撞擊與內(nèi)部中柱作用的影響，而其門檻梁上的側(cè)向力則是通過地板和地板橫梁來進(jìn)行分散和傳遞的活動(dòng)。

2 側(cè)面碰撞導(dǎo)致的車身結(jié)構(gòu)安全性影響

目前我國生產(chǎn)制造的轎車，關(guān)于轎車的側(cè)面強(qiáng)度的設(shè)計(jì)存在一定的問題，例如：汽車的側(cè)面一旦受到外測力，而此時(shí)轎車的本身結(jié)構(gòu)來看，非常小的變形空間（20cm～30cm左右）不能吸收撞擊能量，同一輛轎車在受到外力時(shí)，該轎車的正面的變形吸能空間將會(huì)是側(cè)碰的兩倍以上，這就表明了乘員在受到不同撞擊力時(shí)的損傷程度就會(huì)截然不同?；谶@種情況，研究抵御側(cè)面碰撞主要是改變緩沖吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，目前存在的問題是因?yàn)檗I車的緩沖吸能的空間的制約即使使用最好的材料來制作緩沖吸能結(jié)構(gòu)也無法達(dá)到預(yù)期效果。具體存在下列問題：一是轎車本身結(jié)構(gòu)中，中柱侵入現(xiàn)象非常嚴(yán)重，其腰線位置形成塑性鉸。而致使中柱的上下兩端的支撐力大大減弱，這樣就會(huì)使頂蓋邊梁和門檻在其與中柱交接位置附近侵入量偏大。

2.1 關(guān)于側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的耐撞性研究

由于我國的大部分轎車車身側(cè)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性不高，特別是在緩沖空間的設(shè)計(jì)等方面考慮不周全，因此側(cè)面碰撞時(shí)乘員傷亡嚴(yán)重，想要降低這種事故發(fā)生，就必須采用一系列的防護(hù)裝置來提高乘員的安全保障性能。例如，安全氣囊、側(cè)面安全氣簾和防護(hù)襯墊幾種方式，這些裝置起到了一定的防護(hù)作用，這樣來講，要想提高車輛側(cè)面碰撞安全性，首先要從根本上找，也就是首先要提高車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)用過程中的安全性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以增加緩沖吸能區(qū)兩側(cè)的變形空間或增強(qiáng)側(cè)面結(jié)構(gòu)的剛度，以此能夠使碰撞力有效地傳遞到具有保護(hù)和吸能作用的柱、地板、梁、車頂及其他部件，從而達(dá)到分散、吸收撞擊力；最大限度地降低損害程度等作用。一般而言可以采用以下措施：（1）增加車門的強(qiáng)度或增加車身的橫向橫梁（車頂橫梁、地板橫梁等）強(qiáng)度；（2）增加A柱、B柱、C柱等側(cè)圍部物的強(qiáng)度或者增加門檻梁的強(qiáng)度；（3）合理的設(shè)計(jì)門鎖及鉸鏈，在防止汽車發(fā)生側(cè)面碰撞的時(shí)候，車門自動(dòng)打開的同時(shí)促使碰撞后車門開啟的容易度，以便于對(duì)乘員進(jìn)行及時(shí)的車外救護(hù)。

2.2 在轎車的內(nèi)部添加結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部件

轎車原車型內(nèi)的側(cè)梁系結(jié)構(gòu)在剛度設(shè)計(jì)時(shí)存在許多問題，會(huì)降低其車身側(cè)面整體的剛度，一旦發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，車身就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形等情況，這樣就會(huì)導(dǎo)致成員受到極大的傷害。所以需要對(duì)原車型添加以下部分加強(qiáng)件：1、門檻梁內(nèi)部整體加強(qiáng)件，如在中柱的局部增加強(qiáng)板以及地板上方的座椅而在其背后安裝防護(hù)橫梁，轎車的頂蓋邊的內(nèi)部一些部位也需要安裝一些相應(yīng)方加強(qiáng)件，可以安裝厚度為1.6mm，屈服強(qiáng)度為400MPa類型的加強(qiáng)件。此外，還可以在前門內(nèi)板和外板之間，增加一根防撞桿，這樣就會(huì)形成雙防撞桿，材料和厚度與原防撞桿一樣，也從而形成更為有利的保護(hù)。

2.3 乘員生存空間分析

我們?cè)谘芯總?cè)面碰撞安全性的問題時(shí)，研究的第一個(gè)重要對(duì)象就是對(duì)于駕駛員的生存空間的考察，這也是首要考慮的。我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，在對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，中柱或前門內(nèi)板侵入量的多少是評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后，在與原車中的乘員空間來進(jìn)行對(duì)比，就不難看出，改善后的乘員空間比較適中，我們?cè)谧瞿M實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)看到假人胸部相對(duì)應(yīng)的車門內(nèi)板位置的侵入量發(fā)生了一些變動(dòng)，由最初的428mm到現(xiàn)在的188mm。改進(jìn)后的中柱內(nèi)板與座椅之間的縱向中心面的距離為66mm，達(dá)到“達(dá)標(biāo)”等級(jí)；在不斷的改進(jìn)后，我們發(fā)現(xiàn)中柱內(nèi)板距座椅縱向中心面的距離處于“優(yōu)”等級(jí)，這一數(shù)據(jù)就表明了改進(jìn)后在一定程度上具有良好的乘員生存空間。

3 側(cè)面碰撞乘員損傷的防護(hù)措施

3.1 安裝側(cè)面安全氣囊

安全氣囊的主要作用是盡量避免乘員在發(fā)生碰撞事故中與轎車內(nèi)飾件發(fā)生第二次碰撞。目前我國轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝置必須設(shè)有正面安全氣囊。我們經(jīng)過了相關(guān)的測試以及多次的實(shí)踐表明，安全氣囊的設(shè)置可以減輕乘員在轎車碰撞事件中的傷害程度，其死亡率可降低至18%，當(dāng)然乘員與安全帶一起進(jìn)行配合使用那么死亡率銳減，由此可見安全氣囊的作用確實(shí)是功不可沒。就目前的交通事故調(diào)查顯示，轎車側(cè)面碰撞事故也頻頻發(fā)生，基于這種情況，可以在優(yōu)化車身的側(cè)面結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾件的前提下在轎車內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)氣囊。這樣就提升了對(duì)乘員的保護(hù)性能。

3.2 轎車內(nèi)安裝防護(hù)襯墊

雖然側(cè)面安全氣囊的裝置可以保護(hù)車內(nèi)乘員減少危險(xiǎn)，但是目前側(cè)面氣囊的匹配技術(shù)是一個(gè)技術(shù)難題，同時(shí)會(huì)增加車輛的制造成本。因此，我國大部分的汽車車型在設(shè)計(jì)時(shí)沒有這種設(shè)置，而是采用了防護(hù)襯墊的安裝形式，這種方式的效果也是不錯(cuò)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在側(cè)面碰撞中對(duì)乘員的保護(hù)措施可以采用泡沫襯墊來吸收撞擊能量，以降低碰撞接觸力?？茖W(xué)上來看，襯墊的防護(hù)效果與其剛度特性有一定的關(guān)系，它的剛度要適中，不能大于人體相應(yīng)部位的剛度，因?yàn)橐r墊可吸收一定的碰撞能量，也不能過軟，此外襯墊的厚度也影響著其防護(hù)效果。

4 結(jié)束語

目前在我國關(guān)于提高轎車抗側(cè)面碰撞能力在一定程度上來講是一個(gè)具有相當(dāng)大難度的抗碰撞技術(shù)。其改進(jìn)的重點(diǎn)部分應(yīng)首先考慮將碰撞能量進(jìn)行行之有效的轉(zhuǎn)移?？梢赞D(zhuǎn)移到具有保護(hù)作用的梁、柱、地板、車頂及轎車上其他部件，使撞擊力分散，這樣就會(huì)把因側(cè)面碰撞而造成的損害降到最小。

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