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汽車的安全性
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發(fā)布者:上海零距離 發(fā)布時間: 2013/11/27
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人們常將汽車的碰撞成為“一次碰撞”，而將人體與車內(nèi)部件地碰撞成為“二次碰撞”。顯然“二次碰撞”是由于“一次碰撞”導(dǎo)致人體與汽車快速相對運動造成的。
碰撞安全措施
由于汽車碰撞安全法規(guī)是指導(dǎo)汽車碰撞安全性設(shè)計與改進的依據(jù)，改善碰撞安全性的措施一般都瞄準如何直接和間接地降低法規(guī)所規(guī)定地傷害指標這一總目標。零距離租車網(wǎng)縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)狀況，汽車碰撞安全措施主要可分為兩類：1。汽車結(jié)構(gòu)緩沖與吸能措施；2。車內(nèi)乘員保護措施。
汽車結(jié)構(gòu)緩沖與吸能措施
盡管“二次碰撞”是造成人體損傷的直接原因，但是“一次碰撞”在很大程度上決定了“二次碰撞”的劇烈程度，因此“一次碰撞”對人體損害有很大影響�？刂坪谩耙淮闻鲎病�，對減少人體損傷有重要意義，合理設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)的緩沖與吸能特性是控制好“一次碰撞”的關(guān)鍵。汽車可分為兩類區(qū)域，即乘員安全區(qū)（A區(qū)）和緩沖吸能區(qū)（B區(qū)）。
很顯然，僅從乘員不被汽車碰撞變形后產(chǎn)生擠壓受傷的角度看，乘員安全區(qū)在碰撞中的變形越小越好。要使A區(qū)變形小，就要求緩沖吸能區(qū)（B區(qū)）有較大的總體剛度，但B區(qū)的剛度過大又會影響汽車的緩沖吸能性能。從緩沖吸能角度看，B區(qū)的剛性應(yīng)足夠小，變形應(yīng)足夠大，這就導(dǎo)致了A區(qū)變形小與B區(qū)變形大的矛盾。
為解決這一矛盾，B區(qū)必須設(shè)計成“外柔內(nèi)剛”式的結(jié)構(gòu)，即B區(qū)與A區(qū)交界處設(shè)計成具有較大剛性的結(jié)構(gòu)，而在B區(qū)外圍設(shè)計成具有較小剛性和較好緩沖吸能的結(jié)構(gòu)。由于汽車的結(jié)構(gòu)特點所限，B區(qū)抗側(cè)向和上方的碰撞能力較差，而抗前撞和尾撞的能力相對較好。
如前所述，由于汽車輪胎的作用和受汽車底部結(jié)構(gòu)剛性較大的保護，所有汽車抗擊來自下方的沖擊能力很強，而且，除非汽車墜崖，來自下方的碰撞沖擊力一般也較小，所以一般不考慮針對下方?jīng)_擊載荷的緩沖和吸能。
針對汽車前撞和尾撞的緩沖吸能機構(gòu)，一般多采用不同截面形狀的金屬薄壁吸能管，如：矩形截面點焊式，矩形截面縫焊式，三角形截面縫焊式。這類薄壁吸能管在經(jīng)受一定的軸向載荷后便會產(chǎn)生折疊式的塑性變形，從而消耗大量碰撞動能，達到緩沖目的。通過改變吸能管的截面形狀、尺寸、壁厚和材料特性等參數(shù)，就能使其具有不同的緩沖吸能特性，從而滿足不同汽車結(jié)構(gòu)和性能的要求。盡管薄壁吸能管已成為國內(nèi)外前撞和尾撞緩沖吸能的主要結(jié)構(gòu)措施，但汽車其他結(jié)構(gòu)的緩沖吸能性能也不容忽視，如車身骨架和覆蓋見等在前撞和尾撞中都有重要的緩沖和吸能作用。
對于側(cè)撞而言，緩沖吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計相對麻煩，其中最大的問題在于即使有足夠好的材料來制作緩沖吸能結(jié)構(gòu)，但能用于緩沖和吸能的區(qū)間卻十分有限。從理論上講，現(xiàn)有的大多數(shù)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計都難以提供能與前撞和尾撞耐撞性能相比的耐側(cè)撞性能�，F(xiàn)在常用的改進抗側(cè)撞性能的方法主要包括兩個方面，即增加B區(qū)兩側(cè)的厚度和加大B區(qū)兩側(cè)的內(nèi)部剛度。值得提出的是，如果突破傳統(tǒng)的汽車底盤設(shè)計思路，有可能從本質(zhì)上改善汽車的抗側(cè)撞性能。如車輪按菱形布置的汽車就因為車輪能抗擊側(cè)撞變形具有特別優(yōu)良的抗側(cè)撞特性。
如果汽車在碰撞中發(fā)生翻滾，就可能受到車頂方向的沖擊載荷。由于車頂方向的剛度很低，這種載荷很容易造成乘員安全區(qū)的大變形。要改善這一方向的剛度特性主要靠加強車輛A柱、B柱和C柱的剛度以及頂棚的剛度，但由于頂棚的結(jié)構(gòu)厚度受到汽車總體尺寸和總質(zhì)量的限制，車頂棚的剛度增加是非常有限的。但是，即使發(fā)生翻車，作用在車頂棚上的沖擊載荷一般也比正撞和側(cè)撞時作用在汽車上的沖擊載荷小的多，因而車頂棚的剛度可以比其他部位的剛度小很多。
合理設(shè)計汽車的結(jié)構(gòu)，以使乘員安全區(qū)在變形盡可能小的情況下獲得優(yōu)良的緩沖與吸能性能，是汽車碰撞安全性設(shè)計與改進的基本目標。
車內(nèi)乘員保護措施
為減輕“二次碰撞”給人體造成的傷害，車內(nèi)乘員碰撞保護措施越來越被重視，且其性能也在不斷提高。車內(nèi)乘員碰撞保護措施主要包括安全帶、安全氣囊、安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安全座椅和儀表板等。
安全帶的作用是使乘員在汽車碰撞時不飛離座椅與汽車內(nèi)飾件發(fā)生劇烈碰撞。。當(dāng)汽車受到碰撞載荷后，人體作用在安全帶上的力使安全帶的運動速率超過一定的閥值后，安全帶系統(tǒng)的鎖緊機構(gòu)發(fā)生鎖止，限制安全帶繼續(xù)抽出，從而達到約束乘員運動的目的。由于汽車碰撞時加速度值一般都較高，用于約束人體的力要相當(dāng)大才能達到有效保護的目的，因此安全帶要求有足夠高的強度，并且其固定點和鎖緊裝置要在規(guī)定的極限碰撞載荷作用下保證不失效。安全帶的另一個重要性能指標是沖擊載荷作用下的延伸率，延伸率過大將降低保護效果。此外。安全帶固定點位置和鎖緊裝置的敏感性和剛度都對其保護性能有重要影響。
安全氣囊是避免乘員與汽車內(nèi)飾件發(fā)生直接碰撞的有效手段。目前主要有防正撞和防側(cè)撞氣囊兩大類。無論是防正撞氣囊還是防側(cè)撞氣囊，其系統(tǒng)組成都是一樣的，即都由氣體發(fā)生器、傳感器與控制器和氣囊及其附件組成。當(dāng)傳感器探測到相關(guān)的碰撞信號，并經(jīng)分析確認氣囊應(yīng)被打開時，控制器觸發(fā)氣體發(fā)生器，短時間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體對氣囊充氣，從而使氣囊在人體與汽車內(nèi)飾件間形成一個氣墊，達到保護人體的目的。雖然安全氣囊的工作原理看上去簡單，但由于它的工作過程短暫而復(fù)雜，并受眾多因素的影響，所以設(shè)計制造出性能優(yōu)良的安全氣囊時一項具有很大挑戰(zhàn)的工作。
安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向盤和壓塌式轉(zhuǎn)向管柱。當(dāng)汽車發(fā)生前撞時，駕駛員的頭部或胸部較易與轉(zhuǎn)向發(fā)生碰撞，從而加大頭部和胸部的傷害指標值。為解決這一問題，可將轉(zhuǎn)向盤的剛度進行優(yōu)化，使其在滿足轉(zhuǎn)向剛性要求的前提下，盡量降低駕駛員的碰撞剛度；同時使轉(zhuǎn)向盤的塑膠覆蓋層盡量軟化，以降低其表面接觸剛度。壓塌式轉(zhuǎn)向管柱可有多種形式，其主要功能時當(dāng)轉(zhuǎn)向盤受到的碰撞力達到一定閥值時，轉(zhuǎn)向管柱能順利的產(chǎn)生位移（被壓塌），從而將轉(zhuǎn)向盤提供的碰撞阻力限制在一定的峰值。安全座椅包括兩類，即標準配置中的安全座椅和專為小孩配置的安全座椅。對于標準配置中的安全座椅，一方面應(yīng)考慮與安全帶配合防止乘員在汽車前撞中發(fā)生“潛水”現(xiàn)象；另一方面應(yīng)優(yōu)化設(shè)計頭枕，以使乘員頸部在尾撞中少受或免受傷害。防“潛水”現(xiàn)象的座椅設(shè)計一方面要考慮座椅表層材料具有合適的摩擦特性，另一方面要提供合理的座墊形狀，以獲得足夠的抗“潛水”阻力。專為小孩配置的安全座椅一般都朝向向后安置，主要保護前撞中的未成年乘員少受或免受傷害，其主要特性要求包括足夠的剛性和表層緩沖吸能性能。目前國內(nèi)幾乎沒有專為小孩配置的安全座椅。
儀表板的安全性設(shè)計也是至關(guān)重要的，其中要考慮的因素主要是在保證基本剛度以滿足結(jié)構(gòu)功能要求的前提下，提供盡可能好的緩沖吸能性能。性能優(yōu)良的儀表板設(shè)計可有效降低“二次碰撞”對人體頭部和腿部的損傷。
汽車碰撞安全性設(shè)計
上海零距離汽車服務(wù)公司和上海寶路汽車服務(wù)公司的專業(yè)人員討論如何合理的設(shè)計一個初始緩沖吸能方案，以較好的滿足汽車碰撞安全性法規(guī)的要求。
整車理想碰撞特性
對整車的碰撞安全性進行設(shè)計，首先必須了解理想的車輛碰撞特性是什么。由于道路上的車輛事故主要是縱向碰撞和側(cè)面碰撞。
縱向碰撞理想特性
當(dāng)車輛發(fā)生前后方向的碰撞時，為保護車內(nèi)乘員的安全，根據(jù)汽車碰撞損傷機理可知車輛需要具備的基本特性是：
1． 要保證乘員足夠的生存空間，即乘坐室不應(yīng)發(fā)生過大的碰撞變形（包括車輪、發(fā)動機、變速器等剛性部件不得侵入駕駛室）。
2． 除乘坐室以外的車身結(jié)構(gòu)部分（前碰撞時為前部結(jié)構(gòu)，后碰撞時為后部結(jié)構(gòu)）則應(yīng)盡可能多的變形，以合理的吸收撞擊能量，使得作用于乘員身體上的力和加速度值不超過人體的承受極限等。
為了滿足上述基本要求，設(shè)計的第一步是要使乘員室的結(jié)構(gòu)剛度大于前部變形區(qū)域的剛度，并要達到一定的指標限值，這可通過整車結(jié)構(gòu)的剛?cè)崞ヅ湟约安捎锰厥獾膫髁β窂降葋韺崿F(xiàn)。對于碰撞變形區(qū)域，設(shè)計相對復(fù)雜，因為除了要盡可能多的吸收撞擊能量外，其變形形式以及變形特性等還要滿足一定的要求，即低速碰撞時，車輛的變形以及變形力值都較小，以保護行人或車輛自身；當(dāng)發(fā)生中等速度碰撞時，變形力值應(yīng)盡量均勻，以最大限度的降低撞擊加速度峰值；當(dāng)發(fā)生高速碰撞時，為了阻止變形擴展到乘員室，從懸架到車身前圍鈑金之間的變形力值應(yīng)急劇上升。
碰撞安全性的發(fā)推設(shè)計法
由于汽車碰撞緩沖吸能特性設(shè)計的主要目標是滿足汽車安全法規(guī)的要求，這一設(shè)計過程可以用安全法規(guī)作為原始驅(qū)動力。汽車碰撞安全法規(guī)是以人在碰撞中的響應(yīng)為核心定義的，因此對汽車碰撞特性的設(shè)計應(yīng)從人體的響應(yīng)出發(fā)，逐一考慮與人體響應(yīng)有關(guān)的各個環(huán)節(jié)的設(shè)計和優(yōu)化。這些環(huán)節(jié)包括：1。碰撞界面；2。緩沖吸能系統(tǒng)；3。安全區(qū)保護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；4。轉(zhuǎn)向盤與內(nèi)飾系統(tǒng)；5。安全氣囊系統(tǒng)；6。安全帶與座椅系統(tǒng)。
碰撞吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計
汽車車身結(jié)構(gòu)幾乎都是由薄壁金屬件構(gòu)成，在發(fā)生碰撞時，受到強烈撞擊的薄壁構(gòu)件會發(fā)生塑性變形，這種塑性變形本身伴隨著碰撞能量的吸收。因此，車輛結(jié)構(gòu)的碰撞吸能設(shè)計很大程度上是薄壁件的碰撞性能設(shè)計。與一般的吸能元件不同，薄壁構(gòu)件的碰撞吸能除了與本身的材料有關(guān)外，還與焊點、材料壁厚、橫截面以及預(yù)變形密切相關(guān)。
焊點與吸能
薄壁構(gòu)件的形成是通過對金屬薄板進行沖壓、彎折等冷加工變形后，再通過焊點（點焊）連接而構(gòu)成，焊點斷開或焊點處材料撕裂能夠有效的吸收碰撞動能，當(dāng)焊點強度過低則會嚴重影響薄壁構(gòu)件對碰撞能量的吸收。
在設(shè)計碰撞吸能用的薄壁構(gòu)件時，為了不影響其撞擊吸能特性，應(yīng)盡量避免焊點在碰撞過程中過早的脫開。一般情況下，焊點的開裂與以下因素有關(guān)：
1． 焊點強度：包括法向拉脫力FNS與切向剪切力FTS。當(dāng)焊點實際受力與FNS及FTS滿足一定的關(guān)系時，焊點就會開裂。
2． 焊接形式：主要是指焊接形式，不同的焊接將導(dǎo)致截面承受碰撞的能力各不相同。
3． 焊點的疏密程度。
壁厚與吸能
薄壁構(gòu)件的壁厚與碰撞吸能是直接相關(guān)的，對于同樣模式的變形，變形所吸收的能量與壁厚之間式指數(shù)增長的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壁厚的選擇必須與實際情況相適應(yīng)，壁厚太小容易變形，但可能不具備足夠的吸能能力，而壁厚過大又不易變形吸能。
壁厚對碰撞吸能特性的影響有兩個方面：一是碰撞所產(chǎn)生的最大阻力不同；二是緩沖吸能時間的長短不同。
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