汽車(chē)側(cè)面碰撞車(chē)門(mén)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

王鑫

安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 安徽省合肥市 230601

現(xiàn)如今為了便于出行提高生活舒適度，家用轎車(chē)已經(jīng)成為必需品。很多家庭擁有不止一輛轎車(chē)，部分家庭甚至更多，這種出行方式在方便人們出行的同時(shí)，也積極的推動(dòng)了國(guó)家汽車(chē)工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，與此同時(shí)人們也應(yīng)該關(guān)注到轎車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)所帶來(lái)的不良后果：道路堵塞增多、交通事故增長(zhǎng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒廢氣排放造成的環(huán)境污染等，這些不良后果與我國(guó)倡導(dǎo)的節(jié)能減排規(guī)劃以及打造友好型環(huán)境相違背。其中，交通事故頻發(fā)，給我們生活帶來(lái)了恐慌。根據(jù)交通部門(mén)的有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，側(cè)面碰撞是引發(fā)交通事故的主要原因之一，所以，為了降低汽車(chē)給人們帶來(lái)便利的同時(shí)所帶來(lái)的的負(fù)面影響，我們需要不斷對(duì)汽車(chē)的各個(gè)部位進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)。

1 我國(guó)當(dāng)前汽車(chē)側(cè)面碰撞問(wèn)題的現(xiàn)狀

方便、安全是我們對(duì)汽車(chē)的兩個(gè)最基本要求。相關(guān)部門(mén)發(fā)布的數(shù)據(jù)資料顯示，轎車(chē)側(cè)面撞擊是出現(xiàn)次數(shù)最高的交通事故之一，在我國(guó)全部撞擊類(lèi)交通事故中，側(cè)面撞擊以32%的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類(lèi)交通事故；在交通事故所造成的傷亡事故里面，側(cè)面撞擊也是導(dǎo)致乘客傷亡最嚴(yán)重的事件，高達(dá)30%。于是，全球各國(guó)陸續(xù)頒布了對(duì)應(yīng)的條款，中國(guó)在2006年開(kāi)始施行國(guó)家強(qiáng)制法規(guī)《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)依照歐洲的ECER95規(guī)范實(shí)施[1]。側(cè)面撞擊是導(dǎo)致交通事故的主要因素之一，為了降低轎車(chē)發(fā)展帶來(lái)的不良后果，更好地滿足人們對(duì)安全、節(jié)能環(huán)保的需求，我們需要不斷地對(duì)汽車(chē)進(jìn)行改造和升級(jí)優(yōu)化。

2 汽車(chē)車(chē)門(mén)可靠性優(yōu)化的方式

車(chē)門(mén)是汽車(chē)車(chē)身中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立卻又十分重要的零部件，對(duì)車(chē)輛本身以及乘車(chē)人員的安全性具有十分重要的作用。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生側(cè)面的碰撞事故時(shí)，車(chē)門(mén)能最大程度地較少對(duì)車(chē)身以及乘車(chē)人員造成的傷害，具有保護(hù)乘客生命安全的重要作用。因此，在保證車(chē)門(mén)的碰撞安全性和結(jié)構(gòu)性能的條件下，選擇合適的材料、應(yīng)用合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是提高汽車(chē)車(chē)門(mén)碰撞安全性、可靠性的重要方法。

如今我國(guó)研究汽車(chē)車(chē)門(mén)碰撞可靠性、安全性主要是根據(jù)車(chē)門(mén)靜態(tài)擠壓、扭轉(zhuǎn)剛度、靜態(tài)剛度載荷等方面進(jìn)行研發(fā)考慮。針對(duì)車(chē)門(mén)碰撞安全性的改進(jìn)方案主要包括汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化、提高汽車(chē)車(chē)門(mén)剛度、改善側(cè)面碰撞安全性能等方面[2]。

2.1 汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化

目前大部分車(chē)門(mén)使用的材料是普通鋼，車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)參照美國(guó)FMVSS214中側(cè)面碰撞靜態(tài)試驗(yàn)規(guī)范[3]。在車(chē)輛設(shè)計(jì)中，汽車(chē)的傳統(tǒng)使用材料中鋼材依然占有很大比重。鋼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較高、可塑性強(qiáng)、碰撞時(shí)可以很好的吸收能量，但是具有密度大、抗腐蝕性能低的缺點(diǎn)。經(jīng)多方實(shí)驗(yàn)表明，鋁合金相對(duì)來(lái)說(shuō)具有低密度、強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但是鋁合金的彈性模量較小、延展性差，在制造過(guò)程過(guò)需要一定的技術(shù)能力。如今隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制造能力顯著提升，汽車(chē)工業(yè)中已經(jīng)攻克鋁合金的制造技術(shù)，將鋁合金材料應(yīng)用在車(chē)門(mén)制造上，這是達(dá)成汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化的重要手段之一。車(chē)門(mén)材料采用鋁合金來(lái)代替原來(lái)的普通鋼板，改變了車(chē)門(mén)內(nèi)外板的厚度，在滿足車(chē)門(mén)碰撞安全性要求的前提下實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)輕量化。

目前60%以上的鋼制車(chē)門(mén)采用內(nèi)外板結(jié)構(gòu)：用車(chē)門(mén)的內(nèi)板和車(chē)門(mén)的外板作為框架，中間留有安裝車(chē)窗、保證車(chē)窗上下?lián)u動(dòng)的空間。然后將車(chē)鎖、車(chē)把手、車(chē)窗升降器等部件在車(chē)門(mén)內(nèi)板安裝，這種結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，不利于車(chē)門(mén)輕量化；還有一小部分鋼制車(chē)門(mén)采用單板結(jié)構(gòu)：在車(chē)門(mén)內(nèi)板上只安裝一些功能用的支架和零件，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)內(nèi)外板結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)剛度低、性能不足；此外，開(kāi)放式結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋁合金材料的應(yīng)用，用鋁合金制成車(chē)窗框架相對(duì)成本減小，而且有一定的輕量化效果。為了達(dá)到更好的輕量化效果，一種框架式車(chē)門(mén)逐漸得到展現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的車(chē)門(mén)的外框架是由液壓塑造的管制成的，它將側(cè)面防撞桿和管材充分結(jié)合在一起，不僅可以完善車(chē)門(mén)框架結(jié)構(gòu)，而且縮減了車(chē)門(mén)材料的使用量，可以有效的降低質(zhì)量。由于管材和防撞桿設(shè)計(jì)在一起，在受力時(shí)，通過(guò)變形緩沖減小了碰撞作用力同時(shí)還具有引導(dǎo)外力方向的作用。

2.2 汽車(chē)車(chē)門(mén)高剛度

車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其剛度是結(jié)構(gòu)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，車(chē)門(mén)剛度分為車(chē)門(mén)內(nèi)板對(duì)窗框的擠壓剛度、車(chē)門(mén)外板對(duì)窗框的擠壓剛度、窗框最上角橫向彎曲剛度、窗框中部橫向彎曲剛度、密封條處剛度、垂直剛度和窗框最下角緩沖塊橫向彎曲剛度等7個(gè)方面[4]。

其中，車(chē)門(mén)內(nèi)板對(duì)窗框的擠壓剛度、車(chē)門(mén)外板對(duì)窗框的擠壓剛度與腰線處剛 度有關(guān)，窗框最上角橫向彎曲剛度、窗框中部橫向彎曲剛度、密封條處剛度與窗框處剛度有關(guān)。垂直剛度受鉸鏈處安裝板影響極大，主要提升方向是優(yōu)化鉸鏈安裝板和加強(qiáng)板；窗框最下角緩沖塊橫向彎曲剛度受緩沖塊附近型面影響較大，主要提升方向是優(yōu)化局部型面。

此外，應(yīng)用模塊化的車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)將車(chē)門(mén)分為內(nèi)、外兩個(gè)模塊。內(nèi)模塊應(yīng)用高強(qiáng)度鋼、外模塊采用高強(qiáng)度鋁合金做為材料。模塊化的車(chē)門(mén)采用液壓成型的管材做為材料將側(cè)面防撞桿集合為一個(gè)整體，同時(shí)車(chē)門(mén)上框采用滾軋成型技術(shù)。這種滾軋成型的車(chē)門(mén)具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；車(chē)門(mén)外板采用液壓成型技術(shù)也具有抗凹陷能力強(qiáng)的特點(diǎn)；在整個(gè)車(chē)門(mén)的組合工藝中，利用激光焊接裝配技術(shù)，在一定程度上的提高了車(chē)門(mén)整體的剛度。

2.3 汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性能的改善

中國(guó)人口密度較大，道路交通狀況錯(cuò)綜復(fù)雜，車(chē)輛的安全性能參差不齊，這些種種，都是造成交通事故頻發(fā)的原因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年車(chē)禍造成的經(jīng)濟(jì)損失中，有將近1/3是由于側(cè)面碰撞引起的，人員的死亡率也較大，嚴(yán)重地威脅著人們的生命安全，因此我們需要對(duì)側(cè)面碰撞進(jìn)行深入的了解，爭(zhēng)取通過(guò)技術(shù)手段改善當(dāng)前的汽車(chē)結(jié)構(gòu)，提高汽車(chē)的安全性能。

根據(jù)汽車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)的性能指標(biāo)，假如想增加汽車(chē)側(cè)面碰撞的可靠性，就要針對(duì)汽車(chē)側(cè)面的車(chē)身構(gòu)造展開(kāi)一定的優(yōu)化，優(yōu)化思路是：最大程度降低車(chē)門(mén)的凹陷深度，確保撞擊變形后乘客盆骨周?chē)Ｓ喑渥愕目臻g；最大程度地減少側(cè)面撞擊過(guò)程中傳遞給乘客的碰撞，也就是降低二次撞擊速度，進(jìn)而減少側(cè)面撞擊對(duì)乘客造成的傷害[5]。主要有以下幾點(diǎn)：

2.3.1 降低車(chē)門(mén)形變手段

從車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)到座椅外側(cè)留有一個(gè)最小距離，發(fā)生側(cè)面撞擊時(shí)車(chē)門(mén)發(fā)生的凹陷量不得超過(guò)這個(gè)最小距離，這種情況下才能夠讓乘客在遇到側(cè)面撞擊后擁有充足的生存空間，避免被擠壓在車(chē)內(nèi)。為了保障這一條件，最主要的方式是在車(chē)門(mén)中安裝車(chē)門(mén)防撞桿；另外也要對(duì)座椅橫梁、門(mén)檻加強(qiáng)梁、窗臺(tái)加強(qiáng)板、B柱采取一定的強(qiáng)化措施；同時(shí)，要確認(rèn)A、B、C柱與門(mén)檻、頂蓋安裝完好，包含門(mén)鉸鏈以及門(mén)鎖的安全性。由于碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)車(chē)門(mén)傳遞到門(mén)框，導(dǎo)致門(mén)框受力，因此車(chē)門(mén)的凹陷程度由門(mén)框的強(qiáng)度決定，門(mén)鉸鏈以及門(mén)鎖的安全性決定了在碰撞發(fā)生時(shí)車(chē)門(mén)是否會(huì)掉落或者打開(kāi)。

2.3.2 降低二次碰撞速度方法

在增加了車(chē)身側(cè)面強(qiáng)度的同時(shí)，導(dǎo)致汽車(chē)發(fā)生側(cè)向撞擊時(shí)具有較大的側(cè)方加速度，車(chē)身的強(qiáng)度與碰撞后的二次速度成正比，所以在設(shè)計(jì)車(chē)身結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到車(chē)身強(qiáng)度和碰撞二次速度的關(guān)系[6]。

根據(jù)以往外部試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映，側(cè)面撞擊過(guò)程中乘客胸部遭到的傷害大小與B柱腰帶（乘客胸部高低距離）裝機(jī)假人的速度成正比。而且，在研究試驗(yàn)過(guò)程也關(guān)注到B柱在變形的情況下，腰帶處的變形速度是最高的。因此，欲減少側(cè)面撞擊過(guò)程中對(duì)乘客胸部形成的損傷，一定要減少B柱腰帶處的塑性變形速度[7]，為了減小人體腹部以及盆骨傷害則要求必須降低其所對(duì)應(yīng)的人體腹部所在位置和盆骨所處位置車(chē)身的變形速度，我們可以將吸能材料添加在汽車(chē)的內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置，減少在傳遞過(guò)程中車(chē)內(nèi)板的撞擊能量，用此方法來(lái)降低車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)的變形速度；通過(guò)加固車(chē)身四周門(mén)框、加大乘車(chē)人員座椅架的剛度，依靠座椅的支撐和緩沖力量，來(lái)降低二次碰撞速度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，汽車(chē)行業(yè)在給我們帶來(lái)便利的同時(shí)，也給我們提出了新的要求。汽車(chē)設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者一定要不斷更新生產(chǎn)理念，在保障汽車(chē)安全性能的基礎(chǔ)上，利用新材料、新技術(shù)、新工藝減少交通事故的發(fā)生。在充分了解我國(guó)汽車(chē)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，不斷實(shí)踐，不斷實(shí)驗(yàn)和仿真分析，將汽車(chē)車(chē)門(mén)可靠性優(yōu)化的幾種方式投入于生產(chǎn)，一定可以提高汽車(chē)的側(cè)面碰撞安全性，為開(kāi)發(fā)滿足實(shí)際道路交通狀況的汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供有效參考。