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因”材”施”轎” —碰撞安全的輕與重

2019-03-08 17:47:51·  來(lái)源：碰撞與安全  作者：范松  
　
看車(chē)安全與否就看它車(chē)皮多厚，車(chē)身越重越安全...汽車(chē)安全性能越來(lái)越受到業(yè)界和消費(fèi)者的重視，坊間有很多關(guān)于汽車(chē)安全性能的口訣。那么問(wèn)題來(lái)了，碰撞安全性能是
“看車(chē)安全與否就看它車(chē)皮多厚”，“車(chē)身越重越安全”...汽車(chē)安全性能越來(lái)越受到業(yè)界和消費(fèi)者的重視，坊間有很多關(guān)于汽車(chē)安全性能的“口訣”。那么問(wèn)題來(lái)了，碰撞安全性能是否就就像坊間盛傳的那樣的呢？
 
車(chē)重與汽車(chē)安全的關(guān)系較為復(fù)雜，對(duì)于車(chē)身尺寸、車(chē)身結(jié)構(gòu)、車(chē)身強(qiáng)度相同的車(chē)型而言，車(chē)輛撞擊固定壁障，一般說(shuō)來(lái)車(chē)重越大，初始能量越大，車(chē)體變形將越嚴(yán)重，乘員受到傷害的可能性增加。但大車(chē)與小車(chē)對(duì)撞時(shí)情況又有所不同，如圖1所示，根據(jù)動(dòng)量守恒定律可知小車(chē)質(zhì)量輕，速度變化劇烈，其乘員受到傷害的可能性增大，此時(shí)，車(chē)輛越重越占優(yōu)勢(shì)。
圖1 車(chē)-車(chē)對(duì)碰

實(shí)際中各車(chē)企將會(huì)通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)、約束系統(tǒng)匹配等綜合手段，達(dá)成相同的乘員傷害保護(hù)和星級(jí)要求。相關(guān)研究也表明車(chē)重是影響汽車(chē)安全性能的因素之一，但無(wú)必然聯(lián)系，碰撞專(zhuān)家及主機(jī)廠(chǎng)更為關(guān)注車(chē)身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，通過(guò)合理的強(qiáng)度設(shè)計(jì)吸收碰撞沖擊能量，保護(hù)乘員。
 
目前多數(shù)乘用車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)采用由薄壁梁型結(jié)構(gòu)焊接形成的承載式車(chē)身。如圖2為典型承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，其碰撞力主要承載路徑主要是由薄壁鈑金焊接形成的若干腔體梁形結(jié)構(gòu)，如縱梁、門(mén)檻、地板縱梁、A柱、B柱等。相對(duì)于“車(chē)皮”（車(chē)身覆蓋件），它們材料等級(jí)高、厚度大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，承擔(dān)了絕大數(shù)吸能和承載的功能。“車(chē)皮”厚度對(duì)碰撞性能無(wú)顯著影響，但它與車(chē)身的抗凹、振動(dòng)、造型等有較大關(guān)系，所以“大力金剛指”是測(cè)不出車(chē)輛安全性的啦！
 
圖2 承載式車(chē)身典型傳力通道
上述承載式車(chē)身的強(qiáng)度也并不是均勻的，越強(qiáng)越好，而是通過(guò)碰撞力學(xué)合理的匹配各區(qū)域強(qiáng)度?，F(xiàn)代汽車(chē)的碰撞安全設(shè)計(jì)理念將車(chē)身分為3個(gè)區(qū)域，前部吸能區(qū)、中部乘員安全區(qū)、后部吸能區(qū)。
圖3 現(xiàn)代碰撞車(chē)身設(shè)計(jì)理念
對(duì)于前、后部區(qū)域要求恰當(dāng)?shù)?ldquo;軟”，通過(guò)各組成部件的壓潰、折彎、剪斷等變形模式，將碰撞力切斷、吸收，再經(jīng)整體式車(chē)身把力量均勻分散傳遞至車(chē)身各部分，降低碰撞沖擊對(duì)乘員的損傷。如何在有限的吸能空間條件下盡可能的提高吸能效率，非?？季抗こ處焸兊脑O(shè)計(jì)能力，通常需要數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的虛擬驗(yàn)證和多輪的試驗(yàn)驗(yàn)證才能得到一個(gè)強(qiáng)度合理，軟硬恰當(dāng)?shù)奈軈^(qū)域。一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)艙設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)兼顧行人、乘員以及碰撞中對(duì)方車(chē)輛的安全性能。
圖4 機(jī)艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度匹配
對(duì)于乘員艙則要求相對(duì)較“硬”，需保證其在碰撞過(guò)程中保持其結(jié)構(gòu)的完整性，盡可能少地引起結(jié)構(gòu)變形，確保乘員有效生存空間的同時(shí)有利于碰撞后乘員的逃脫和車(chē)外救助。目前各大主機(jī)廠(chǎng)通常在該區(qū)域大量采用高強(qiáng)鋼圍成的籠式安全艙，傳祺新一代GS5車(chē)身高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例達(dá)六成，沃爾沃則在熱成型鋼的使用上更為大膽。
圖5 傳祺新一代GS5車(chē)身材料應(yīng)用
圖6 沃爾沃XC90熱成型鋼應(yīng)用比例達(dá)30%

隨著碰撞、排放法規(guī)的趨嚴(yán)，以及重量、成本、造型因素的限制，智慧的工程師們?cè)谲?chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料、制造工藝等方面作出了大量的探索，充分挖掘安全的潛力。
    
傳祺新一代GS5車(chē)型，從上一代“人”字形吸能結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙鶪AC“木”字形碰撞吸能控制技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)、改善碰撞傳力路徑，實(shí)現(xiàn)了吸能結(jié)構(gòu)重量降低與吸能效率提升，其中機(jī)艙件質(zhì)量減少約40%，變形吸能提升6%。減重降本的同時(shí)碰撞性能還進(jìn)一步改善。充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)于碰撞性能提升以及減重降本帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)。
圖7 GS5機(jī)艙結(jié)構(gòu)升級(jí)
    
此外，通過(guò)材料等級(jí)的提升對(duì)于碰撞性能的改善和減重則更為直接。通常結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)形式、料厚及材料強(qiáng)度決定，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式確實(shí)時(shí)，增加材料強(qiáng)度等級(jí)將有助于選擇料厚較薄的鋼板，從而實(shí)現(xiàn)減重的目的。熱成型材料在傳祺車(chē)上就有很多成功的實(shí)踐，A柱、B柱、門(mén)檻、地板縱梁等均替換為熱成型材料，減重的同時(shí)零件數(shù)目減少、對(duì)工程截面的要求也降低了,傳祺某車(chē)型通過(guò)B柱使用熱成型材料實(shí)現(xiàn)減重2kg，A柱采用熱成型減重1.2kg。近年來(lái)鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在量產(chǎn)車(chē)型上的應(yīng)用比例不斷提升，為工程師的武器庫(kù)提供了更多的選擇。
圖8 側(cè)面B柱門(mén)檻優(yōu)化減重2kg
圖9 A柱優(yōu)化減重1.2kg

最后，良好的制造工藝、合適的連接方式將有助于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，特別是搭接區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和傳力效果。寶馬7系通過(guò)新型連接方式如激光拼焊、鉚接、膠粘的應(yīng)用，整車(chē)等效焊點(diǎn)數(shù)可達(dá)10392，而通常車(chē)輛的焊點(diǎn)數(shù)范圍在3000-6000。新雅閣通過(guò)優(yōu)化白車(chē)身拼裝順序，優(yōu)化搭接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減重11.9kg。
       圖10 新雅閣搭接結(jié)構(gòu)優(yōu)化
有道是因“材”施“轎”，在合適的地方設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)、選擇恰當(dāng)?shù)牟牧希涂梢栽斐雠鲎残阅芎椭亓考骖櫟暮密?chē)，車(chē)輛的輕重、車(chē)皮的厚度對(duì)高能的工程師們來(lái)說(shuō)并不是首要考慮的問(wèn)題。
 
文章 | 范松
編輯 | 杜克楠
 
 
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