從車身結(jié)構(gòu)談汽車安全(二)

文/江蘇 趙躍平 張湘衡

(接第9期)

二、障礙物碰撞事故

在汽車事故中，汽車與障礙物碰撞事故最多。汽車與障礙物碰撞事故主要可分為正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞，其中正面碰撞和追尾碰撞發(fā)生的頻率較高，而側(cè)免碰撞發(fā)生頻率相對(duì)較低。

(1)汽車車身防碰撞結(jié)構(gòu)

汽車設(shè)計(jì)人員針對(duì)可能發(fā)生的各種情況而設(shè)計(jì)出一系列的車身防碰撞結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定這些防碰撞結(jié)構(gòu)的安全可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，汽車以40km/h的速度行駛時(shí)，碰撞過(guò)程大概只有0.2s的時(shí)間。在汽車碰撞行人的過(guò)程中，汽車保險(xiǎn)杠先與行人碰撞(見(jiàn)圖1)，所以汽車車身的保險(xiǎn)杠要求采用質(zhì)地較軟的材料制造，外形多采用較大的圓孤，汽車車身前部燈具也采用埋伏式設(shè)計(jì)。

在之后的碰撞過(guò)程中，行人將與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、前風(fēng)窗玻璃碰撞(見(jiàn)圖2、圖3)。

實(shí)驗(yàn)顯示，汽車車身的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋(圖4)和前風(fēng)窗玻璃(圖5)都與行人發(fā)生直接碰撞，這是造成行人受傷的主要汽車構(gòu)件。

為了在汽車碰撞過(guò)程中盡量保護(hù)行人的安全，汽車需采用具有吸能性能的材料制作保險(xiǎn)杠和軟質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，并同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與艙內(nèi)的硬質(zhì)部件保持一定的空間(一般約為10cm)；風(fēng)窗玻璃應(yīng)采用破碎后不能傷人的夾層鋼化玻璃，風(fēng)窗玻璃應(yīng)采用軟支撐，風(fēng)窗玻璃刮水器應(yīng)采用埋入式安裝(見(jiàn)圖6)。

隨著行人保護(hù)法規(guī)在汽車設(shè)計(jì)制造中的逐步推廣，將導(dǎo)致汽車設(shè)計(jì)相應(yīng)的變化，特別是造型和總布置的變化。近幾年來(lái)，中國(guó)汽車市場(chǎng)獲得迅猛發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量逐年上升，然而中國(guó)道路交通情況較為復(fù)雜，人、車并行情況多，是世界上典型的以平面混合交通為主的國(guó)家。在汽車行駛中，汽車駕駛?cè)藛T應(yīng)按交通規(guī)則駕駛車輛，應(yīng)提倡車讓行人的道德風(fēng)尚，在行人多的路段應(yīng)多觀察并慢速通過(guò)。

(2)汽車碰撞的理想狀況

汽車設(shè)計(jì)人員給汽車設(shè)計(jì)了車輛正面碰撞的理想特性。如圖7所示，圖中表示了在碰撞中車身前部的三個(gè)變形吸能區(qū)段。這樣的設(shè)計(jì)可以在汽車低速、中速和高速行駛的情況下，確保汽車乘員的損害被降低到最小。這里應(yīng)有這樣一個(gè)概念，緊湊型車型由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重小的特點(diǎn)，因此，車輛在緊急制動(dòng)時(shí)慣性也會(huì)較小，碰撞沖擊力也會(huì)較小。中級(jí)車型、高級(jí)車型，車身自重較大，相對(duì)采用的防碰撞結(jié)構(gòu)和相關(guān)系統(tǒng)也會(huì)增多。汽車碰撞損壞并不單是與車型有關(guān)，碰撞損壞還與車速、直接碰撞點(diǎn)的位置、汽車自重、碰撞障礙物和駕駛員的臨時(shí)應(yīng)變能力等因素有關(guān)。因此，汽車的碰撞理想狀況，在不同的案例中會(huì)有不同的體現(xiàn)，這就要求汽車駕駛員能正確應(yīng)對(duì)突發(fā)事故，在緊急情況發(fā)生時(shí)，采取正確的應(yīng)急措施才能更有效地發(fā)揮汽車車身結(jié)構(gòu)的防碰撞功能。

在圖7中，第一區(qū)段表示的是低速碰撞狀態(tài)，車輛的變形及受沖擊力都比較小，這有利于保護(hù)行人和車輛。第二區(qū)段為相容區(qū)，變形力值應(yīng)均勻，即汽車在中速碰撞過(guò)程中，能量被均勻地吸收，盡量降低了撞擊加速峰值。第三區(qū)段表示在高速碰撞時(shí)，汽車結(jié)構(gòu)對(duì)乘員具有保護(hù)的特性。汽車車身結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)段應(yīng)有較大的剛度，從懸架到車身前圍板之間變形力值急劇上升，阻止變形擴(kuò)展到乘員室，而且要求在這個(gè)碰撞過(guò)程中，必須通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施使汽車動(dòng)力總成向下移動(dòng)而不致擠入乘員室(見(jiàn)圖8)。

承載式車身(即整體式車身)可以較好地保護(hù)乘員安全，承載式車身可使汽車車身形成緊密的結(jié)構(gòu)，車身主要構(gòu)件采用焊接方式連接在一起。這種汽車車身結(jié)構(gòu)有助于在碰撞時(shí)保護(hù)車內(nèi)乘員，其碰撞損壞模式不同于車架式(非整體式)車身。整體式車身的整體結(jié)構(gòu)和剛性較大的構(gòu)件有助于傳遞和分散沖擊能量到整個(gè)車身上而保護(hù)乘員室不受侵害。

如圖9所示，汽車采用整體式車身構(gòu)造，汽車碰撞造成了汽車車身前部損壞，車身前風(fēng)窗全部損毀，汽車車身頂部整體結(jié)構(gòu)也變形，車身兩側(cè)圍也有二次碰撞損壞。此案例中，汽車在高速情況下與另一車輛碰撞，汽車碰撞后翻滾造成二次碰撞損壞。在這一案例中，汽車損壞嚴(yán)重，但整體式車身還是有效保護(hù)了汽車駕駛員未收嚴(yán)重傷害。

如圖10所示，汽車與圖9中的汽車在高速行駛的情況下碰撞，此車為非整體式車身，碰撞造成汽車乘員室的安全空間受碰撞沖擊力壓縮，駕駛員已無(wú)法保證安全。

如圖11所示，某品牌汽車以64km/h的速度撞擊目標(biāo)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是與碰撞物進(jìn)行100%正面接觸，速度為50km/h)，伴隨著“轟”的一聲巨響，前車身變形，但車門(mén)仍能正常打開(kāi)，駕駛室框架無(wú)明顯變形。此次碰撞試驗(yàn)不是正面碰撞而是正面偏置碰撞。正面偏置碰撞時(shí)，車身的變形程度比完全正面碰撞時(shí)更大。從碰撞后的現(xiàn)場(chǎng)看，乘員室變形幅度較小，在安全帶和空氣囊的保護(hù)下，汽車內(nèi)乘員的安全得到了有效的保護(hù)。據(jù)調(diào)查，超過(guò)半數(shù)的汽車持有者認(rèn)為汽車的鋼板越厚越安全。事實(shí)上，汽車安全與否不能簡(jiǎn)單地用鋼板的厚度來(lái)判斷，最重要的是車身是否設(shè)置一系列防碰撞結(jié)構(gòu)、車身材料是否具有吸收沖擊能量的特性。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，正面碰撞時(shí)，當(dāng)駕駛室侵入量為15cm時(shí)，重傷率為20%；駕駛室侵入量達(dá)61cm時(shí)，重傷率高達(dá)52%。所以，汽車發(fā)生碰撞時(shí)若想保護(hù)乘員的安全，最重要的是盡可能減少駕駛室空間的侵入，并讓汽車車身盡可能地吸收碰撞沖擊能量。

下面有一組實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖12)，紅車采用整體式車身，白車為非整體式車身，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用科學(xué)攝取照片的方式記錄汽車碰撞瞬間。在實(shí)驗(yàn)中，汽車以相同的速度，碰撞相同固定障礙物，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)對(duì)整體式結(jié)構(gòu)汽與非整體式汽車的碰撞過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行了比較。對(duì)于采用整體式車身的紅車而言，在碰撞的各個(gè)階段，乘員室的變形量都較小，碰撞后，乘員室無(wú)明顯變化；而非整體式汽車(白色)在碰撞后，碰撞沖擊直接威脅到乘員的安全。

汽車正面碰撞的車身設(shè)置除能盡可能的減小乘員室安全結(jié)構(gòu)的變形，還應(yīng)減小車身減速度(即汽車碰撞的沖擊能量能瞬息減小，并且盡量減小對(duì)乘員室乘員的沖擊力)，碰撞過(guò)程中車門(mén)不能自動(dòng)打開(kāi)，碰撞后可以不使用工具打開(kāi)至少一側(cè)的一個(gè)車門(mén)。汽車車身前部也應(yīng)進(jìn)行一系防碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這主要是防碰撞橫梁、車身橫梁與縱梁連接構(gòu)件、車身縱梁、前指梁、翼子板、減震器座等，如圖13所示，黃色結(jié)構(gòu)是汽車車身主要的防碰撞構(gòu)件。

(3)汽車車身前部的防碰撞結(jié)構(gòu)

汽車車身前部是碰撞概率發(fā)生最高的部分，正面碰撞的概率在67%左右，但碰撞死亡率只占碰撞死亡總?cè)藬?shù)的31%。汽車車身在車身的前部不論什么車型，包括緊湊型車、經(jīng)濟(jì)型車、中級(jí)車、高級(jí)車的各種汽車在車身前部都設(shè)計(jì)了一系列防碰撞性能的結(jié)構(gòu)。

各種車型的汽車車身前部都有相類似結(jié)構(gòu)，汽車車身前部一般主要由圖14所示構(gòu)件組成。需要指出，汽車車身前部結(jié)構(gòu)，各種車型的構(gòu)件形狀尺寸不完全相同，但總體結(jié)構(gòu)和其主要功能是相同的。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的車身前部，在防碰撞設(shè)計(jì)方面都有相同的結(jié)構(gòu)，如圖15所示，汽車車身前部的結(jié)構(gòu)具有吸收沖擊能量的功能。圖中車身前部橫梁(紅色)，為車身前部布置在車身最前部的防碰撞結(jié)構(gòu)，一般能夠吸收一定的碰撞沖擊能量。車身橫梁與縱梁連接件(圖中黃色部分)可以吸收碰撞沖擊能量，保護(hù)車身橫梁后部的汽車構(gòu)件，也防止碰撞沖擊力直接碰撞沖擊汽車車身縱梁。汽車車身縱梁是汽車車身前部主要防碰撞結(jié)構(gòu)，它將在碰撞中吸收大多數(shù)沖擊能量，防止碰撞沖擊能量危及乘員室的安全空間。如果沖擊力很大將使車身縱梁變形，碰撞沖擊力將使減震器座產(chǎn)生移位或變形(圖中黃色構(gòu)件)，減震器座也是車身前部的吸能構(gòu)件，主要的功能是吸收沖擊能量和沖擊力，不讓碰撞沖擊力沖擊乘員室。從汽車前部結(jié)構(gòu)可以看出，整體式汽車車身結(jié)構(gòu)的前部結(jié)構(gòu)中車身縱梁和減震器座的碰撞損壞變形將影響汽車動(dòng)力和行駛功能，這是因?yàn)檎w式車身結(jié)構(gòu)汽車前轎直接與減震器連接，車身縱梁與減震器的損壞將直接影響汽車的正常行駛。

如圖16所示，從中級(jí)車型汽車的整體式車身結(jié)構(gòu)可以看出汽車車身的前部構(gòu)造，這與圖15的汽車車身結(jié)構(gòu)基本相同。該汽車車身技術(shù)文件中除了顯示車身縱梁的形狀結(jié)構(gòu)之外，還標(biāo)注了車身前部重要測(cè)量控制點(diǎn)之間尺寸，在進(jìn)行車輛碰撞修復(fù)時(shí)可以通過(guò)這些測(cè)量控點(diǎn)的測(cè)量判斷汽車車身修復(fù)質(zhì)量。

(4)汽車車身前部的抗碰撞結(jié)構(gòu)特性

在汽車正碰撞的沖擊能量中，車身前部結(jié)構(gòu)吸收的能量約占80%，驅(qū)動(dòng)部件和車身前圍板各占約10%；車身前部機(jī)構(gòu)吸收的能量，約有70%分配給車身縱梁，25%分配給車身前橫梁、車身輪罩，5%分配給車身翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等。因此，為了實(shí)現(xiàn)汽車車身防碰撞結(jié)構(gòu)的第二區(qū)段的特性，前縱梁應(yīng)在能正常發(fā)揮支撐和承載作用的前提下，設(shè)計(jì)成吸能變形模式，即采用“預(yù)壓縮技術(shù)”的構(gòu)件。

為了減輕重量，汽車車身前部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的剛度并能吸收沖擊能量，因此，汽車車身前部結(jié)構(gòu)一般被設(shè)計(jì)成薄壁盒子形結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)表明，這種薄壁盒子形結(jié)構(gòu)直梁的某部位相對(duì)其他部位較弱時(shí)，軸向碰撞力就會(huì)首先使弱化部位觸發(fā)局部屈曲；屈曲面繼續(xù)變形，在盒子形直梁的棱邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中點(diǎn)與屈曲波的半波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，梁邊開(kāi)始屈服，于是盒子形梁按剛才屈曲波模式產(chǎn)生折疊壓塌；接著產(chǎn)生下一個(gè)屈曲和屈服，由于第一個(gè)局部屈曲的影響，相繼的屈曲平面產(chǎn)生的波較小，相繼的載荷峰值也將減小，如此能量被逐步吸收。原來(lái)構(gòu)件受沖擊壓縮彎曲變形，與此同時(shí)可能大量吸收沖擊能量，如圖17所示，雙點(diǎn)劃線為原構(gòu)件的形狀，碰撞吸收沖擊能量后產(chǎn)生變形為圖中實(shí)線的形狀。

根據(jù)吸能機(jī)理，設(shè)計(jì)師采用了“預(yù)變形技術(shù)”，即設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先使結(jié)構(gòu)的某些部位，例如，在構(gòu)件的某區(qū)段設(shè)置可以吸收能量的結(jié)構(gòu)(一般長(zhǎng)度為30～60cm)，采用弱化某些構(gòu)件截面的方法。當(dāng)碰撞發(fā)生，碰撞沖擊能量使這些構(gòu)件的弱化部位先行變形，同時(shí)吸收沖擊能量。有的汽車也在前部結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)防碰撞部件，例如，在車身橫梁與縱梁的連接件采用“預(yù)壓縮技術(shù)”。如圖18所示，圖中1就是車身橫梁與縱梁連接件；圖中符號(hào)“△”表示汽車車身碰撞后，車身前部產(chǎn)生的壓縮“位移量”。

另一種方法是將縱梁預(yù)彎曲并削弱彎曲部位的彎曲強(qiáng)度，如18所示，圖中3所指的區(qū)域，發(fā)生碰撞時(shí)，構(gòu)件在這些強(qiáng)度削弱的部位首先彎曲變形，同時(shí)吸收沖擊能量，變形的方式和程度決定于設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)，但采用這種彎曲吸能的方法時(shí)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)(彎曲過(guò)早)，會(huì)使區(qū)段2結(jié)構(gòu)的折疊變形壓縮特性喪失，很快結(jié)束吸能過(guò)程，所以，車身修理人員，在進(jìn)行修復(fù)車身構(gòu)件時(shí)，不能隨隨便便的更改車身構(gòu)件的形狀、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度大小等。

汽車車身前部不論什么車型都有類似的防碰撞橫梁結(jié)構(gòu)，如圖19所示，為高級(jí)車型(寶馬)汽車車身前部橫梁。寶馬汽車的前部橫梁采用一個(gè)中間連接件與縱梁連接，橫梁與中間連接件之間也是采用螺栓連接方式，連接構(gòu)件采用“預(yù)壓縮技術(shù)”(見(jiàn)圖20)。

汽車車身前部橫梁結(jié)構(gòu)，可以在碰撞沖擊不太大時(shí)，保護(hù)汽車前部其它構(gòu)件不受碰撞損壞。如圖21所示，汽車正面碰撞，造成汽車前部保險(xiǎn)杠、燈具、柵欄及橫梁等損壞。汽車正面碰撞障礙物，造成車身前橫梁彎曲變形，汽車乘員室安全空間沒(méi)受到影響。

汽車車身縱梁是汽車重要構(gòu)件，車身縱梁不僅是汽車前部所有構(gòu)件重要的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)在汽車防碰撞的結(jié)構(gòu)中也起著重要作用，也是整體式汽車車身汽車前轎及懸掛系統(tǒng)的主要支撐構(gòu)件，所以，汽車縱梁碰撞損壞修復(fù)是很重要的工藝。

(5)汽車駕駛員的安全保護(hù)措施

現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都采用整體式汽車車身結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槟茉淳o張，汽車要做到質(zhì)量輕又具有較好的防碰撞性能，采用整體式汽車車身是最好的選擇。汽車整體式車身雖然能較好的保護(hù)乘員安全，但并不是可以像坦克車那樣堅(jiān)固。汽車車身結(jié)構(gòu)也有薄弱部位，例如，汽車前后風(fēng)窗就是汽車的薄弱部位。汽車駕駛?cè)藛T應(yīng)了解汽車車身結(jié)構(gòu)的這些防碰撞特性，在汽車發(fā)生緊急情況時(shí)采取合理的應(yīng)對(duì)措施，這樣才能更好的保護(hù)乘員的安全。

①乘員損傷除了與事故類型密切相關(guān)外，在同類事故中，其比例數(shù)還與撞車時(shí)的相對(duì)碰撞速度有很大的關(guān)聯(lián)。如圖22所示，汽車在40～60km/h范圍內(nèi)的相對(duì)碰撞速度對(duì)應(yīng)的乘員損傷比率最高。任何駕駛員在不同的道路條件下控制好合理的汽車速度是防止事故最可靠的方法。

②駕駛員在應(yīng)對(duì)突發(fā)事故時(shí)，應(yīng)對(duì)措施合理。遇到突發(fā)情況，駕駛員應(yīng)立即將汽車速度減下來(lái)，汽車的防碰撞結(jié)構(gòu)一般針對(duì)是汽車在50km/h以下的速度，如果發(fā)生汽車正面碰撞都可以保證汽車乘員不受嚴(yán)重傷害。所以，不論發(fā)生什么情況，駕駛員應(yīng)將車速降下來(lái)，而不能急打方向盤(pán)，造成汽車失控，讓障礙物碰撞汽車的薄弱部位。

③通過(guò)以上對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的分析，雖然設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)汽車防碰撞結(jié)構(gòu)時(shí)，綜合考慮了碰撞的各種類型，但汽車在正面或汽車中心軸線30°范圍內(nèi)，其防碰撞性能最好。汽車駕駛?cè)藛T應(yīng)在突發(fā)事故發(fā)生時(shí)，沉著冷靜，盡可能的讓汽車在以上區(qū)域與障礙物碰撞，其實(shí)也就是讓汽車穩(wěn)定前進(jìn)方向。

④駕駛員在駕駛汽車時(shí)，不論在什么情況下都要保持好“安全距離”。那什么是“安全距離”呢？“安全距離”就是在汽車前進(jìn)方向發(fā)生突然情況時(shí)，駕駛員能采取正確措施將汽車停下來(lái)。根據(jù)汽車車身結(jié)構(gòu)可以得知，汽車碰撞與汽車車身高度差不多的障礙物，乘員的安全可以得到保障。汽車在高速行駛過(guò)程中，汽車前進(jìn)方向如果是跟隨貨運(yùn)大型車輛更應(yīng)注意“安全距離”。在許多碰撞案例中，汽車碰撞前方障礙物造成傷亡，這多數(shù)因?yàn)榕鲎睬胺杰囕v車身高大，汽車碰撞車身薄弱部位(前風(fēng)窗玻璃)而造成。高速公路常設(shè)小車專用道也是從汽車結(jié)構(gòu)的安全性能考慮。

⑥汽車在駕駛室內(nèi)設(shè)置乘員保護(hù)系統(tǒng)(安全座椅、安全帶、安全氣囊、車窗玻璃、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、內(nèi)裝飾等)，駕駛員應(yīng)使用好這些安全設(shè)置，才能避免二次碰撞或者降低二次碰撞對(duì)乘員造成的損傷。