車身安全百年史

文/赫炎

1890—1920年，人類的交通工具逐漸從馬車過渡到了汽車。1885年，德國工程師卡爾·本茨做出了世界上第一輛三輪汽車Motorwagen，金屬車身出現(xiàn)，于1886年1月29日申請(qǐng)并獲得了發(fā)明專利，這一天被認(rèn)為是汽車的誕生日。幾乎就在同時(shí)，德國工程師戈特利布·戴姆勒也成功研制了一輛公認(rèn)的、以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的四輪汽車。1894年，奔馳Velo成為最早的量產(chǎn)汽車。

1900年，金屬車身獲得專利，但主體結(jié)構(gòu)仍然是木材和連接用的鋼材。20世紀(jì)初，隨著John Pierpont Morgan創(chuàng)建的美國鋼鐵公司能夠?yàn)檠杆侔l(fā)展的汽車工業(yè)提供充足的原料，1914年Edward G budd發(fā)明了全金屬車身。同年，道奇公司生產(chǎn)了第一輛全金屬汽車，1918年意大利藍(lán)旗亞公司也開始生產(chǎn)全金屬汽車，汽車不再是底盤與車身的簡單組合，而是成為了一體。

1912年，已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)的福特T型車車身采用了非承載式結(jié)構(gòu)，其發(fā)動(dòng)機(jī)、前后軸均與大梁相連，但是還沒有汽車安全性的概念。因此，以現(xiàn)代的安全理念角度看當(dāng)時(shí)的T型車，絕對(duì)是安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高。20世紀(jì)20年代，勞斯萊斯采用了大梁式非承載車身設(shè)計(jì)，其駕駛室已經(jīng)有了與今天汽車相似的A、B、C柱設(shè)計(jì)。但是，車身還是相當(dāng)脆弱，如果發(fā)生碰撞事故，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)直接被撞進(jìn)駕駛室，車身脆弱的結(jié)構(gòu)無法保證駕乘人員的安全，汽車的安全性還是沒有受到關(guān)注。

1944年，沃爾沃轎車發(fā)明了鋼制一體式車廂和膠合夾層風(fēng)擋玻璃。20世紀(jì)50年代以后，奔馳底盤號(hào)為W111的車系（包括220、220S和220SE車型）由工程師貝拉·巴恩伊設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)，成為第一個(gè)擁有碰撞吸能區(qū)設(shè)計(jì)的車系，第一次將車身分為剛性區(qū)和吸能變形區(qū)。這種設(shè)計(jì)在發(fā)生碰撞事故時(shí)，剛性較弱的吸能區(qū)首先接受沖擊變形，以達(dá)到吸收碰撞能量的目的，剛性較強(qiáng)的乘員區(qū)則不容易發(fā)生變形。這一設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)成為了劃時(shí)代的技術(shù)，奠定了現(xiàn)代車身安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理念。此外，該車系還配備了經(jīng)過安全設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向柱和軟性材質(zhì)的中控臺(tái)，從不同細(xì)節(jié)保證車內(nèi)乘員在碰撞發(fā)生后的安全。該車系還首次應(yīng)用了楔形銷門鎖，保證在碰撞發(fā)生時(shí)不會(huì)將車門撞開，也可以在碰撞發(fā)生后保證順利打開車門營救乘員。1959年9月10日，奔馳W111車系進(jìn)行了有史以來第一次碰撞試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的碰撞試驗(yàn)是由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車正面碰撞硬質(zhì)避障，具備了現(xiàn)代碰撞測(cè)試的雛形。此后，碰撞測(cè)試還促進(jìn)了汽車在其他安全性能方面的研發(fā)，安全帶、安全氣囊和可潰縮的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等相繼誕生，發(fā)動(dòng)機(jī)艙和尾箱均采用強(qiáng)度較低的吸能設(shè)計(jì)，座艙則經(jīng)過強(qiáng)化，具備了現(xiàn)代轎車車身結(jié)構(gòu)的雛形。1966年，沃爾沃144被評(píng)為“全球最安全車型”，其車身前后均設(shè)計(jì)了能量吸收區(qū)。

20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸被大量應(yīng)用在汽車產(chǎn)業(yè)，模擬碰撞試驗(yàn)的產(chǎn)生推動(dòng)了汽車安全性的發(fā)展，同時(shí)也降低了汽車的研發(fā)成本，使汽車設(shè)計(jì)更高效和更安全。在模擬碰撞試驗(yàn)中，在應(yīng)用有限元分析軟件后，能有效模擬車架在受沖擊時(shí)的變化情況，為車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很大便利和幫助，并極大縮短了研發(fā)周期。隨著計(jì)算機(jī)、焊接和材料等領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車的車身設(shè)計(jì)更加科學(xué)，非承載式車身演變?yōu)楦雍侠淼某休d式車身，底盤與車身成為一個(gè)整體，一改過去底盤與車身各自為政的狀態(tài)，使各部分在受到碰撞沖擊時(shí)能有效分解能量。

近年，汽車車身的安全性能得到明顯提升，越來越多的車型開始應(yīng)用更先進(jìn)的三層籠式車身結(jié)構(gòu)，車架的主要受力結(jié)構(gòu)采用三層鋼板沖壓，并且三層鋼板由外到內(nèi)強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，最里層鋼板采用強(qiáng)度和厚度最高的硼鋼板。同時(shí)，汽車安全性不僅在結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化，在材質(zhì)方面也發(fā)生了變化。由于鋁合金比同等強(qiáng)度的鋼材質(zhì)量更輕，在不減弱強(qiáng)度的前提下，應(yīng)用鋁合金材料能更有效減輕車身的質(zhì)量，使車輛的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)更好、更節(jié)油，在發(fā)生碰撞事故時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量也更小。此外，復(fù)合材料的一體式設(shè)計(jì)已經(jīng)在超級(jí)跑車上得到廣泛應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通乘用車的車身結(jié)構(gòu)，但高昂的造價(jià)限制了其應(yīng)用范圍，隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣泛。

2000年3月29日，沃爾沃汽車的安全中心在瑞典哥德堡落成，其碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)室配備了兩條車道，一條是可調(diào)整的活動(dòng)車道，能圍繞中心旋轉(zhuǎn)移動(dòng)90°，另一條是永久性固定車道，長度能滿足汽車0～120km/h加速全過程。沃爾沃汽車每年在這里進(jìn)行約450次碰撞測(cè)試，比奔馳、寶馬和奧迪等豪華品牌進(jìn)行碰撞測(cè)試的總和還要多。該中心還保存有20世紀(jì)60年代至今的車輛碰撞數(shù)據(jù)，可以基于這些數(shù)據(jù)模擬仿真各種類型事故現(xiàn)場。該中心除了能進(jìn)行單車和兩車不同角度碰撞測(cè)試外，還能進(jìn)行翻滾、側(cè)撞、追尾載貨車、撞擊建筑物、撞山等各種實(shí)驗(yàn)。其中，固定車道和可移動(dòng)車道均可以反向起跑，可移動(dòng)車道的另一端是自然山體，可以模擬車輛沖出路面撞擊山體的實(shí)驗(yàn)。2003年，沃爾沃汽車發(fā)明了防翻滾穩(wěn)定系統(tǒng)。

在汽車安全方面，不得不提美國法規(guī)起到的推動(dòng)作用。20世紀(jì)60年代，很多美國車企為了節(jié)約成本紛紛采取減配手段，減配一些不常用的配置還能理解，但是部分車企居然減配了防傾桿，導(dǎo)致車輛在過彎道時(shí)極容易發(fā)生轉(zhuǎn)向過度，引發(fā)了很多交通事故，美國民眾發(fā)出了反對(duì)聲音，而車企居然無動(dòng)于衷。1965年，美國現(xiàn)代消費(fèi)者運(yùn)動(dòng)之父拉爾夫·納德出版了《Unsafe At Any Speed》一書，提到了很多車型因設(shè)計(jì)缺陷或過度降低成本影響了汽車的安全性，并抨擊了某些減配防傾桿的車型，導(dǎo)致輿論嘩然。1966年9月，美國國會(huì)立法通過了《國家交通及機(jī)動(dòng)車安全法》，規(guī)定汽車企業(yè)必須嚴(yán)格遵循安全的原則設(shè)計(jì)和生產(chǎn)汽車，同時(shí)有義務(wù)公開發(fā)布汽車召回信息和免費(fèi)修理。此后，很少有汽車企業(yè)在美國玩弄安全方面的把戲，美系車也從骨子里開始敬畏安全原則。

在車身安全方面，還有一家車企不能不提，其對(duì)車身安全技術(shù)的貢獻(xiàn)也是有目共睹，這家車企就是日本的豐田汽車。豐田汽車在使其產(chǎn)品風(fēng)靡全球的發(fā)展過程中，十分關(guān)注各國的法律法規(guī)、各企業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)、最新技術(shù)成果、不同地域的典型事故形態(tài)以及不同市場中消費(fèi)者的關(guān)注點(diǎn)，并根據(jù)這些經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，研發(fā)出了一項(xiàng)被動(dòng)安全技術(shù)——Global Outstanding Assessment（GOA），還獲得了設(shè)計(jì)專利。該項(xiàng)技術(shù)的主要目的在于當(dāng)車輛發(fā)生不可避免的碰撞時(shí)，將撞擊力分散，以保證乘員艙不變型，最大限度保證車內(nèi)乘員的安全。該技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：車身整體分為前后部碰撞變形區(qū)和高強(qiáng)度乘員室三部分。前后部碰撞變形區(qū)的基本要求是應(yīng)擁有較軟的變形吸能區(qū)，以便當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)吸收較多的能量。在正面碰撞中，車身前后部碰撞變形吸能區(qū)的變形越大，吸收的碰撞能量越多，產(chǎn)生二次碰撞的能量就越小，使傳遞到乘員室的沖擊力也越小。同時(shí)，乘員室采用高強(qiáng)度鋼，可有效增強(qiáng)碰撞后乘員室的變形強(qiáng)度，減輕或避免乘員因乘員艙的空間變形受到擠壓，以降低乘員受到傷害的幾率。1995年，該技術(shù)首次應(yīng)用在Starlet和Corona Premio兩款車型上，GOA成為豐田汽車在安全技術(shù)方面的總目標(biāo)，也是豐田汽車內(nèi)部的安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就被稱為GOA車身。但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不是一成不變，當(dāng)某個(gè)國家或某個(gè)企業(yè)內(nèi)部安全標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，GOA標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高，從而保證豐田汽車的車型安全性，在同級(jí)別車型中始終保持國際領(lǐng)先水平。

2009年，美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）進(jìn)行了一次非常有代表性的碰撞測(cè)試：用一輛2009N款雪佛蘭Malibu中型轎車與一輛長度超過5.3m的1959款雪佛蘭Bel Air全尺寸轎車進(jìn)行50%偏置對(duì)撞測(cè)試。碰撞后兩車均發(fā)生了嚴(yán)重變形，但兩車情況不盡相同，Malibu的發(fā)動(dòng)機(jī)艙嚴(yán)重變形，但乘員艙基本完好，而Bel Air的A柱嚴(yán)重變形，如果乘員艙內(nèi)有駕駛員，其生存幾率非常小。兩車的碰撞測(cè)試結(jié)果表明了，汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步對(duì)車身安全的影響之大，隨著安全技術(shù)不斷發(fā)展，車身安全性將不斷得到提高。

汽車安全技術(shù)發(fā)展到今天，在消費(fèi)者中其實(shí)還有些誤解。有很多消費(fèi)者的概念中認(rèn)為車身應(yīng)用的鋼板越厚越好，其實(shí)并非如此。過去車身采用厚鋼板的目的是為了增加車身自重，使駕駛更平穩(wěn)。而現(xiàn)在的汽車更多是通過降低車身重心來增加穩(wěn)定性。在現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)中，為了降低油耗和生產(chǎn)成本，車身的鋼板正在向更薄的方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代，普通汽車車身鋼板厚度大部分為1mm或者以上，到了90年代降低為0.8～1mm，到了現(xiàn)代大部分已經(jīng)降低到0.6～0.8mm。但同時(shí)通過改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在應(yīng)用更薄鋼板后，車身的剛度和碰撞時(shí)的保護(hù)能力并沒有下降。而且在車身的不同位置，會(huì)根據(jù)不同的作用選用不同厚度和強(qiáng)度的鋼板。例如在車頭、車頂和前后翼子板等部位，因?yàn)槭芰^小而應(yīng)用薄鋼板，在前后防撞梁、縱向邊框等部位受力較大，則應(yīng)用較厚的高強(qiáng)度鋼鋼板。所以，車身的安全性能不取決于鋼板厚度，而主要取決于車身結(jié)構(gòu)、碰撞吸能技術(shù)和焊接工藝等多種因素。因此，在車身設(shè)計(jì)中遵循能量守恒定律，使前后車體在發(fā)生碰撞時(shí)能夠吸收大部分能量，同時(shí)讓乘員艙更加堅(jiān)固，使其減少變形，起到保護(hù)駕乘人員的作用。

除應(yīng)用材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)車身安全能夠產(chǎn)生影響之外，焊接工藝也是影響車身安全性能的一個(gè)重要因素?，F(xiàn)代汽車制造中，已普遍采用人工焊接和自動(dòng)焊接相結(jié)合的方式，人工只負(fù)責(zé)焊接自動(dòng)焊接不便操作的部位，對(duì)安全性能要求較高的大鈑金件則交由自動(dòng)焊接完成。此外，近年激光焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸在汽車制造中廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)就是變形極小、焊縫深度大，能夠最大限度保證焊接強(qiáng)度，節(jié)省原料，位置準(zhǔn)確，焊縫外觀漂亮，最主要是能保證產(chǎn)品精密可靠，從而保證車身的安全性能。

車身的安全技術(shù)發(fā)展確實(shí)起到了保護(hù)駕乘人員的作用，但是任何事情都是有限度的，如果汽車速度過快，再安全的汽車也無法保證生命安全。在一般的NCAP碰撞測(cè)試中，正面碰撞速度最高也只有64km/h，而按照理論計(jì)算，當(dāng)車速增加一倍時(shí)，汽車產(chǎn)生的沖擊能量以平方關(guān)系遞增，即車速為128km/h時(shí)汽車動(dòng)能增至原來的4倍，在這種情況下要是仍然要保證駕乘人員的安全，汽車的生產(chǎn)成本就要增加N倍。因此，目前不論多好的汽車產(chǎn)品也不可能在高速行駛時(shí)保證駕乘人員的安全。所以，技術(shù)進(jìn)步是減小事故發(fā)生幾率和傷害程度的手段，真正的交通安全還是掌握在駕駛員手里。