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汽车碰撞安全性设计及措施

2010年11月19日18:24腾讯汽车我要评论(0)
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人们常将汽车的碰撞成为“一次碰撞”,而将人体与车内部件地碰撞成为“二次碰撞”。显然“二次碰撞”是由于“一次碰撞”导致人体与汽车快速相对运动造成地。

碰撞安全措施

由于汽车碰撞安全法规是指导汽车碰撞安全性设计与改进的依据,改善碰撞安全性的措施一般都瞄准如何直接和间接地降低法规所规定地伤害指标这一总目标。纵观国内外现有技术状况,汽车碰撞安全措施主要可分为两类:

1。汽车结构缓冲与吸能措施;

2。车内乘员保护措施。

汽车碰撞安全性设计及措施

天语SX4的结构

汽车碰撞安全性设计及措施

天语SX4的结构

汽车结构缓冲与吸能措施

尽管“二次碰撞”是造成人体损伤的直接原因,但是“一次碰撞”在很大程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度,因此“一次碰撞”对人体损害有很大影响。控制好“一次碰撞”,对减少人体损伤有重要意义,合理设计汽车结构的缓冲与吸能特性是控制好“一次碰撞”的关键。汽车可分为两类区域,即乘员安全区(A区)和缓冲吸能区(B区)。

很显然,仅从乘员不被汽车碰撞变形后产生挤压受伤的角度看,乘员安全区在碰撞中的变形越小越好。要使A区变形小,就要求缓冲吸能区(B区)有较大的总体刚度,但B区的刚度过大又会影响汽车的缓冲吸能性能。从缓冲吸能角度看,B区的刚性应足够小,变形应足够大,这就导致了A区变形小与B区变形大的矛盾。

为解决这一矛盾,B区必须设计成“外柔内刚”式的结构,即B区与A区交界处设计成具有较大刚性的结构,而在B区外围设计成具有较小刚性和较好缓冲吸能的结构。由于汽车的结构特点所限,B区抗侧向和上方的碰撞能力较差,而抗前撞和尾撞的能力相对较好。

如前所述,由于汽车轮胎的作用和受汽车底部结构刚性较大的保护,所有汽车抗击来自下方的冲击能力很强,而且,除非汽车坠崖,来自下方的碰撞冲击力一般也较小,所以一般不考虑针对下方冲击载荷的缓冲和吸能。

针对汽车前撞和尾撞的缓冲吸能机构,一般多采用不同截面形状的金属薄壁吸能管,如:矩形截面点焊式,矩形截面缝焊式,三角形截面缝焊式。这类薄壁吸能管在经受一定的轴向载荷后便会产生折叠式的塑性变形,从而消耗大量碰撞动能,达到缓冲目的。通过改变吸能管的截面形状、尺寸、壁厚和材料特性等参数,就能使其具有不同的缓冲吸能特性,从而满足不同汽车结构和性能的要求。尽管薄壁吸能管已成为国内外前撞和尾撞缓冲吸能的主要结构措施,但汽车其他结构的缓冲吸能性能也不容忽视,如车身骨架和覆盖见等在前撞和尾撞中都有重要的缓冲和吸能作用。

对于侧撞而言,缓冲吸能结构的设计相对麻烦,其中最大的问题在于即使有足够好的材料来制作缓冲吸能结构,但能用于缓冲和吸能的区间却十分有限。从理论上讲,现有的大多数汽车结构设计都难以提供能与前撞和尾撞耐撞性能相比的耐侧撞性能。现在常用的改进抗侧撞性能的方法主要包括两个方面,即增加B区两侧的厚度和加大B区两侧的内部刚度。值得提出的是,如果突破传统的汽车底盘设计思路,有可能从本质上改善汽车的抗侧撞性能。如车轮按菱形布置的汽车就因为车轮能抗击侧撞变形具有特别优良的抗侧撞特性。

如果汽车在碰撞中发生翻滚,就可能受到车顶方向的冲击载荷。由于车顶方向的刚度很低,这种载荷很容易造成乘员安全区的大变形。要改善这一方向的刚度特性主要靠加强车辆A柱、B柱和C柱的刚度以及顶棚的刚度,但由于顶棚的结构厚度受到汽车总体尺寸和总质量的限制,车顶棚的刚度增加是非常有限的。但是,即使发生翻车,作用在车顶棚上的冲击载荷一般也比正撞和侧撞时作用在汽车上的冲击载荷小的多,因而车顶棚的刚度可以比其他部位的刚度小很多。

合理设计汽车的结构,以使乘员安全区在变形尽可能小的情况下获得优良的缓冲与吸能性能,是汽车碰撞安全性设计与改进的基本目标。

车内乘员保护措施

为减轻“二次碰撞”给人体造成的伤害,车内乘员碰撞保护措施越来越被重视,且其性能也在不断提高。车内乘员碰撞保护措施主要包括安全带、安全气囊、安全转向系统、安全座椅和仪表板等。

安全带的作用是使乘员在汽车碰撞时不飞离座椅与汽车内饰件发生剧烈碰撞。。当汽车受到碰撞载荷后,人体作用在安全带上的力使安全带的运动速率超过一定的阀值后,安全带系统的锁紧机构发生锁止,限制安全带继续抽出,从而达到约束乘员运动的目的。由于汽车碰撞时加速度值一般都较高,用于约束人体的力要相当大才能达到有效保护的目的,因此安全带要求有足够高的强度,并且其固定点和锁紧装置要在规定的极限碰撞载荷作用下保证不失效。安全带的另一个重要性能指标是冲击载荷作用下的延伸率,延伸率过大将降低保护效果。此外。安全带固定点位置和锁紧装置的敏感性和刚度都对其保护性能有重要影响。

安全气囊是避免乘员与汽车内饰件发生直接碰撞的有效手段。目前主要有防正撞和防侧撞气囊两大类。无论是防正撞气囊还是防侧撞气囊,其系统组成都是一样的,即都由气体发生器、传感器与控制器和气囊及其附件组成。当传感器探测到相关的碰撞信号,并经分析确认气囊应被打开时,控制器触发气体发生器,短时间内产生大量气体对气囊充气,从而使气囊在人体与汽车内饰件间形成一个气垫,达到保护人体的目的。虽然安全气囊的工作原理看上去简单,但由于它的工作过程短暂而复杂,并受众多因素的影响,所以设计制造出性能优良的安全气囊时一项具有很大挑战的工作。

安全转向系统主要包括转向盘和压塌式转向管柱。当汽车发生前撞时,驾驶员的头部或胸部较易与转向发生碰撞,从而加大头部和胸部的伤害指标值。为解决这一问题,可将转向盘的刚度进行优化,使其在满足转向刚性要求的前提下,尽量降低驾驶员的碰撞刚度;同时使转向盘的塑胶覆盖层尽量软化,以降低其表面接触刚度。压塌式转向管柱可有多种形式,其主要功能时当转向盘受到的碰撞力达到一定阀值时,转向管柱能顺利的产生位移(被压塌),从而将转向盘提供的碰撞阻力限制在一定的峰值。安全座椅包括两类,即标准配置中的安全座椅和专为小孩配置的安全座椅。对于标准配置中的安全座椅,一方面应考虑与安全带配合防止乘员在汽车前撞中发生“潜水”现象;另一方面应优化设计头枕,以使乘员颈部在尾撞中少受或免受伤害。防“潜水”现象的座椅设计一方面要考虑座椅表层材料具有合适的摩擦特性,另一方面要提供合理的座垫形状,以获得足够的抗“潜水”阻力。专为小孩配置的安全座椅一般都朝向向后安置,主要保护前撞中的未成年乘员少受或免受伤害,其主要特性要求包括足够的刚性和表层缓冲吸能性能。目前国内几乎没有专为小孩配置的安全座椅。

仪表板的安全性设计也是至关重要的,其中要考虑的因素主要是在保证基本刚度以满足结构功能要求的前提下,提供尽可能好的缓冲吸能性能。性能优良的仪表板设计可有效降低“二次碰撞”对人体头部和腿部的损伤。

汽车碰撞安全性设计

现在我们来讨论如何合理的设计一个初始缓冲吸能方案,以较好的满足汽车碰撞安全性法规的要求。

整车理想碰撞特性

对整车的碰撞安全性进行设计,首先必须了解理想的车辆碰撞特性是什么。由于道路上的车辆事故主要是纵向碰撞和侧面碰撞。

纵向碰撞理想特性

当车辆发生前后方向的碰撞时,为保护车内乘员的安全,根据汽车碰撞损伤机理可知车辆需要具备的基本特性是:

1. 要保证乘员足够的生存空间,即乘坐室不应发生过大的碰撞变形(包括车轮、发动机、变速器等刚性部件不得侵入驾驶室)。

2. 除乘坐室以外的车身结构部分(前碰撞时为前部结构,后碰撞时为后部结构)则应尽可能多的变形,以合理的吸收撞击能量,使得作用于乘员身体上的力和加速度值不超过人体的承受极限等。

从以上两点可知,车辆纵向碰撞时理想的变形与不变形区域如下图所示。

汽车碰撞安全性设计及措施

车辆纵向碰撞时理想的变形与不变形区域,阴影区是撞车可变形区

车辆纵向碰撞时理想的变形与不变形区域

为了满足上述基本要求,设计的第一步是要使乘员室的结构刚度大于前部变形区域的刚度,并要达到一定的指标限值,这可通过整车结构的刚柔匹配以及采用特殊的传力路径等来实现。对于碰撞变形区域,设计相对复杂,因为除了要尽可能多的吸收撞击能量外,其变形形式以及变形特性等还要满足一定的要求,即低速碰撞时,车辆的变形以及变形力值都较小,以保护行人或车辆自身;当发生中等速度碰撞时,变形力值应尽量均匀,以最大限度的降低撞击加速度峰值;当发生高速碰撞时,为了阻止变形扩展到乘员室,从悬架到车身前围钣金之间的变形力值应急剧上升。这种特性即是理想的车辆前碰撞变形特性,其特性曲线如下图所示:

汽车碰撞安全性设计及措施

理想的车辆前碰撞变形特性曲线

对于尾部碰撞的情况,虽然其理想碰撞特性应与前部相同,但考虑到现实情况一般是相对碰撞速度较低,并且尾部一般也有足够多的碰撞吸能区间,所以车辆尾部的吸能设计远不如前部重要。尾部碰撞时车辆乘员受到的最主要伤害形式时颈部冲击损伤,因此,车辆尾部区段应尽量软化,同时,座椅头枕要起到很好的保护作用。

侧面碰撞理想特性

当车辆受到侧面碰撞时,受到撞击的部位一般时车门或立柱,而车门和立柱所围成的直接就是乘员乘坐区空间。因此,对于绝大部分车辆而言,当其遭受侧撞时几乎没有可利用的缓冲吸能区间,也即其理想的侧撞特性应是足够大的刚性,车门和立柱不应发生大的变形。另外,考虑到侧撞时乘员很可能会撞击车门内板,因此,车门内板应柔软,或者在车门内侧安装侧撞安全气囊。

碰撞安全性的发推设计法

由于汽车碰撞缓冲吸能特性设计的主要目标是满足汽车安全法规的要求,这一设计过程可以用安全法规作为原始驱动力。汽车碰撞安全法规是以人在碰撞中的响应为核心定义的,因此对汽车碰撞特性的设计应从人体的响应出发,逐一考虑与人体响应有关的各个环节的设计和优化。这些环节包括:1。碰撞界面;2。缓冲吸能系统;3。安全区保护结构系统;4。转向盘与内饰系统;5。安全气囊系统;6。安全带与座椅系统。

碰撞吸能结构的设计

汽车车身结构几乎都是由薄壁金属件构成,在发生碰撞时,受到强烈撞击的薄壁构件会发生塑性变形,这种塑性变形本身伴随着碰撞能量的吸收。因此,车辆结构的碰撞吸能设计很大程度上是薄壁件的碰撞性能设计。与一般的吸能元件不同,薄壁构件的碰撞吸能除了与本身的材料有关外,还与焊点、材料壁厚、横截面以及预变形密切相关。

焊点与吸能

薄壁构件的形成是通过对金属薄板进行冲压、弯折等冷加工变形后,再通过焊点(点焊)连接而构成,焊点断开或焊点处材料撕裂能够有效的吸收碰撞动能,当焊点强度过低则会严重影响薄壁构件对碰撞能量的吸收。

在设计碰撞吸能用的薄壁构件时,为了不影响其撞击吸能特性,应尽量避免焊点在碰撞过程中过早的脱开。一般情况下,焊点的开裂与以下因素有关:

1. 焊点强度:包括法向拉脱力FNS与切向剪切力FTS。当焊点实际受力与FNS及FTS满足一定的关系时,焊点就会开裂。

2. 焊接形式:主要是指焊接形式,不同的焊接将导致截面承受碰撞的能力各不相同。

3. 焊点的疏密程度。

壁厚与吸能

薄壁构件的壁厚与碰撞吸能是直接相关的,对于同样模式的变形,变形所吸收的能量与壁厚之间式指数增长的关系。在结构设计中,壁厚的选择必须与实际情况相适应,壁厚太小容易变形,但可能不具备足够的吸能能力,而壁厚过大又不易变形吸能。

壁厚对碰撞吸能特性的影响有两个方面:一是碰撞所产生的最大阻力不同;二是缓冲吸能时间的长短不同。

[责任编辑:vivianliang]
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