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汽車車身安全部位解析

2022-03-09 19:28:43·  來源:技術(shù)鄰汽車學(xué)院  
 
汽車安全技術(shù)分被動(dòng)安全和主動(dòng)安全兩大類。汽車主動(dòng)安全是指通過積極主動(dòng)地方式,避免可能發(fā)生的事故或傷害的技術(shù),包括ESP車身穩(wěn)定系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)等等。而

汽車安全技術(shù)分被動(dòng)安全和主動(dòng)安全兩大類。汽車主動(dòng)安全是指通過積極主動(dòng)地方式,避免可能發(fā)生的事故或傷害的技術(shù),包括ESP車身穩(wěn)定系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)等等。而汽車被動(dòng)安全技術(shù)則是指一旦事故發(fā)生時(shí),保護(hù)車輛內(nèi)部乘員及外部人員,使直接損失降到最小的技術(shù)。被動(dòng)安全技術(shù)主要包括碰撞安全技術(shù)、碰撞后傷害減輕與防護(hù)技術(shù)等。而在被動(dòng)安全中極為重要的具有吸能作用的白車身是保護(hù)成員的最后一道安全屏障,白車身安全性能的優(yōu)劣在關(guān)鍵時(shí)刻決定著乘員的生命。


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白車身(body in white)又叫車身本體,是指完成焊接但未涂裝之前的車身。白車身是車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件的總成,包括車頂蓋、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李箱蓋和車門,但不包括附件及裝飾件。白車身包括車身覆蓋件(cover panel)、車身結(jié)構(gòu)件(structural member/body structure)、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件等幾大部分。在白車身的基礎(chǔ)上再加上底盤(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等)、汽車內(nèi)飾和汽車電器就組成了我們所說的整車。

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白車身安全區(qū)域劃分
白車身的作用就是在吸收汽車動(dòng)能的同時(shí)減緩車內(nèi)乘員的移動(dòng)程度,保證乘員有足夠的生存空間。從這點(diǎn)就可以看出,一個(gè)優(yōu)秀的白車身應(yīng)該具有兩大特點(diǎn):一是具有足夠大的吸能空間,以便將碰撞的能量吸收掉,這要求白車身某些部件要足夠軟;另一個(gè)則是有足夠大的堅(jiān)固、不可變形的空間,以便保護(hù)好乘員安全,這則要求白車身某些地方要足夠硬。通俗的說就是該軟的軟,該硬的硬。而影響白車身碰撞安全的主要零部件從前到后依次是:前防撞梁、前縱梁、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、A、B、C柱、側(cè)門防撞桿、底板、后縱梁以及后防撞梁等。那么這些部件中,哪些該軟哪些該硬,什么樣的設(shè)計(jì)是合格的,如何看這些零部件的結(jié)構(gòu)?
防撞梁也被稱為防撞橫梁,是指為了保護(hù)汽車在碰撞中少受或者不受破壞而設(shè)置的梁結(jié)構(gòu),重點(diǎn)是使被保護(hù)體少受或者不受傷害。防撞梁重要的設(shè)計(jì)理念就是一點(diǎn)受力全是受力,也就是分散力的作用。從功能上來看,防撞梁結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)著抵御碰撞變形,分散碰撞能量的作用。
汽車上的防撞梁是車身結(jié)構(gòu)的一部分,按照位置分,防撞梁可以分為3種:前防撞梁、側(cè)門防撞梁(側(cè)門防撞桿)和后防撞梁,其中前防撞梁主要抵御正面撞擊,側(cè)門防撞梁主要是防御側(cè)面撞擊,而后部防撞梁則是抵御后部撞擊。
1、前防撞梁
前防撞梁位于白車身的最前端,在保險(xiǎn)杠的后邊,通過吸能盒和縱梁相連。防撞梁的第一個(gè)作用是在低速碰撞下,通過其本身高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),將能量分散給吸能盒,以減輕低速碰撞時(shí)車輛的損壞程度,進(jìn)而降低維修成本。

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前防撞梁和吸能盒焊接在一起后通過螺栓和縱梁相連接,易于更換維修,減少維修成本和時(shí)間
另外,從圖中可以看到,在正面碰撞中,前防撞梁將碰撞能量均勻的傳遞給左右前縱梁以及左右A柱,并通過縱梁和A柱將撞擊力分散到車身的后部結(jié)構(gòu)中。此種情況下,前防撞梁對于乘員保護(hù)基本不起什么作用,吸能及抵御變形的主要是前縱梁、底梁和A柱等其他結(jié)構(gòu)。但是在遭受部分重疊的正面碰撞比如偏置碰撞時(shí),前防撞梁可以將撞擊側(cè)受到的沖擊傳遞到非撞擊側(cè)的前縱梁上,減少單邊所承受的撞擊力,為碰撞能量的分散與吸收提供了一條傳遞路徑。這時(shí)候防撞梁才能起到真正的作用。

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碰撞時(shí)撞擊力經(jīng)過防撞梁的分解作用后的傳遞路線

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前防撞梁強(qiáng)度太弱,導(dǎo)致防撞梁內(nèi)凹,發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重受損,而和防撞梁想連接的吸能盒則卻安然無恙,防撞梁失去應(yīng)有作用
從以上可以知道,在碰撞過程中前防撞梁不能發(fā)生斷裂失效,否則就不能在關(guān)鍵時(shí)刻起到傳遞和分解力的作用,所以防撞梁本身應(yīng)該具有極高的強(qiáng)度。而影響其強(qiáng)度的有材料、結(jié)構(gòu)和尺寸三個(gè)方面。對于汽車防撞梁而言,現(xiàn)在主要有三種材料:高強(qiáng)度鋼材、玻璃纖維和鋁合金等輕金屬合金。對于玻璃纖維材料的防撞梁,基本可以判定其廠家極為不厚道,現(xiàn)在也基本很少有車采用。而應(yīng)用最為廣泛的是高強(qiáng)度鋼材。而隨著對汽車輕量化的重視,在保證強(qiáng)度的前提下,又出現(xiàn)了鋁合金等輕金屬合金材料的防撞梁,重量大為減輕。而在厚度方面,鋼制防撞梁的厚度一般在1-2mm左右,而采用鋁合金的防撞梁其厚度一般都在2mm以上。

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奔馳B級所采用的鋁合金前防撞梁

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現(xiàn)在應(yīng)用最多的是鋼制前防撞梁
結(jié)構(gòu)方面,現(xiàn)在的前防撞梁一般是采用B形、C形、D形等具有加強(qiáng)作用的截面以保證在盡量輕的重量下有著良好的強(qiáng)度。其中,鋼制防撞梁一般采用C和D形截面,而鋁合金防撞梁則一般采用B形截面。這也是因?yàn)楦鞣N的加工方式不一致造成的。對于鋼制防撞梁,一般是采用沖壓成型加焊接等工藝,而鋁合金防撞梁一般是通過擠壓成型或者壓力鑄造來實(shí)現(xiàn)的。

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防撞梁的幾種常用截面
尺寸方面,如果材料、結(jié)構(gòu)等參數(shù)完全相同的情況,其防撞梁的長寬高尺寸越大越好。長度方面,防撞梁的長度越長則意味著在發(fā)生偏置碰撞的時(shí)候,其保護(hù)面積越大。而寬度和高度越大,則其強(qiáng)度也就越大。

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相同情況下,前防撞梁的寬度和長度越大,防護(hù)效果越好

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邁騰的前防撞梁位置偏低,導(dǎo)致在其發(fā)生追尾時(shí)前防撞梁沒起到應(yīng)有的作用
此外,影響防撞梁效果的還有一個(gè)很容易被我們忽略的一個(gè)因素,那就是前防撞梁的安裝高度。一個(gè)不合適的高度比如離地太低,汽車發(fā)生碰撞時(shí),前防撞梁根本沒被接觸到,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙都被撞壞了,防撞梁卻“安然無恙”,這樣防撞梁也就失去了其應(yīng)該起到的作用。前防撞梁的安裝位置需要根據(jù)車身高度,輪轂直徑的大小來綜合評定,并沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還要考慮到相容性原理,即兩車發(fā)生正面相撞時(shí),不合適的防撞梁高度既保護(hù)不到自身,還會(huì)對對方車輛造成巨大傷害。一般車型的安裝高度在400-500mm左右,但如果超過520mm,則會(huì)對C-NCAP等相關(guān)碰撞試驗(yàn)的成績造成影響。

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位于前防撞梁前的泡沫材料(黑色)主要起到保護(hù)行人和支撐塑料保險(xiǎn)杠蒙皮的作用
此外,我們在很多車上可以看到,在前防撞梁的前面一般還覆蓋著很厚的泡沫材料,于是很多人說該泡沫材料是廠家的偷工減料的行為。其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)。該泡沫材料是作為吸能緩沖材料。其作用主要有兩個(gè):一個(gè)是當(dāng)車輛與行人發(fā)生碰撞之后,安裝位置較低的泡沫材料可以對行人腿部提供進(jìn)一步緩沖;另一個(gè)是對于保險(xiǎn)杠外殼提供支撐,保證其在輕微受壓時(shí)不易斷裂或變形。

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后防撞梁所在位置

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后碰時(shí)后防撞梁起到和前防撞梁一樣的作用
后防撞梁和前防撞梁基本情況一樣,只是因?yàn)槠涮幱谲嚿淼淖詈蠖耸擒嚨淖畋∪醯胤?,為加?qiáng)強(qiáng)度,后防撞梁一般比前防撞梁更為結(jié)實(shí)。
說到后防撞梁,現(xiàn)在是則是一個(gè)被熱議的話題。其作用曾被一度神話,似乎有了后防撞梁的車安全性能特別是被追尾時(shí)的安全性能將是非常高。其實(shí)這是個(gè)誤區(qū)。雖然沒有采用后防撞梁的車型肯定是廠家偷工減料的行為,但有了后防撞梁也不能就判定其安全性能有多好。防撞梁真是在低速碰撞或者在偏置碰撞中能起到一定作用。除去前一種情況,在遇到高速碰撞時(shí)最后最終受力變形的還是縱梁等結(jié)構(gòu)而非防撞梁本身。而且即使有后防撞梁,如果設(shè)計(jì)的高度不合適或者長度不夠,其也難發(fā)揮出其有效作用。
注:科普一下前后防撞梁和前后保險(xiǎn)杠的區(qū)別。我們現(xiàn)在日常生活中所說的汽車前后保險(xiǎn)杠其實(shí)只是真正意義上的保險(xiǎn)杠的一部分。以前保險(xiǎn)杠為例,真正的保險(xiǎn)杠由塑料保險(xiǎn)杠殼體、前防撞梁和左右兩個(gè)吸能盒以及其他安裝用部件組成。其中,塑料保險(xiǎn)杠殼體就是我們口頭常說的前保險(xiǎn)杠。在過去,很多車型的前防撞梁是位于保險(xiǎn)杠殼體前面,也就是外置式設(shè)計(jì),比如現(xiàn)在我們還能見到的老桑塔納。而隨著人們對汽車造型的要求越來越高,前防撞梁一般被設(shè)計(jì)成被保險(xiǎn)杠殼體包裹住,即后置式設(shè)計(jì)。

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一個(gè)完整的前保險(xiǎn)桿總成
總結(jié):很多數(shù)據(jù)都表明,在現(xiàn)階段提高車輛后部結(jié)構(gòu)的耐撞性遠(yuǎn)不如提高座椅及頭枕的保護(hù)性能更加重要。C-NCAP 2012版評價(jià)規(guī)則中也準(zhǔn)備采用這種試驗(yàn)形式來評價(jià)測試車型的后碰安全性。因此,從吸能效果及保護(hù)車內(nèi)乘員安全兩個(gè)方面來看,后防撞梁的作用都沒有吹噓的那么大。這也是很多車型沒有采用后防撞梁的重要原因。而且加裝后防撞梁可能會(huì)使車型后部凸起較大,當(dāng)行人不小心碰上時(shí)反而會(huì)造成不必要的傷害。我國的《乘用車外凸出物》標(biāo)準(zhǔn)(GB11566-2009)對這方面還有專門的要求。通過對以上三種防撞梁結(jié)構(gòu)的分析我們可以發(fā)現(xiàn),側(cè)面防撞梁是最重要也是必備的,前防撞梁有一定作用,而后防撞梁的作用卻遠(yuǎn)沒有想象的那么大。正如前防撞梁一樣,它在后碰中承擔(dān)的吸收及分散碰撞能量的作用也很小,絕大部分的碰撞沖擊還是要由后縱梁、后底板等結(jié)構(gòu)來吸收。
2、汽車側(cè)防撞梁(桿)
汽車側(cè)防撞梁也就是側(cè)防撞梁,也叫側(cè)門防撞桿,是指在車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)中加上橫梁(從外面并看不到),用以加強(qiáng)車輛側(cè)面的結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高側(cè)面撞擊時(shí)的防撞抵抗力,以提升側(cè)面的安全。

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汽車側(cè)面是汽車最為薄弱的部位,在發(fā)生側(cè)面撞擊時(shí),極易造成乘員的傷亡。所以側(cè)門防撞梁對汽車安全極為重要。和前后防撞梁一樣,側(cè)門防撞梁也必須有足夠大的強(qiáng)度。但和前后防撞梁不同的是,側(cè)門防撞梁是裝在側(cè)門內(nèi)外板之間,安裝空間有限,所以對其材料和結(jié)構(gòu)要求更為嚴(yán)格。
側(cè)門防撞梁按車門防撞梁的形狀分為管狀和帽形兩種。管狀的叫側(cè)門防撞桿,其兩端有支架,用于連接固定防撞梁與車門。管狀防撞梁主要是圓管,也有矩形管、梅花形管、橢圓形管等,這要綜合考慮許多因素,如車門內(nèi)部空間,吸能設(shè)計(jì)等。日韓系車型常用此種結(jié)構(gòu)。而帽形才是被稱為防撞梁,主要有單帽形狀(U形)和雙帽形狀(m形)兩種,一般直接焊接在車門上。歐美系車型一般均采用此種設(shè)計(jì)。

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歐美車系常用的帽形防撞梁

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日韓車系常用的桿狀防撞梁,也叫防撞桿
按布置形式分,側(cè)面防撞梁又分為Y形防撞梁和一字形防撞梁。具體看圖。Y形防撞梁除了能提供更好的側(cè)面保護(hù)外,其還在發(fā)生嚴(yán)重的正面或偏置碰撞中,可以把正面碰撞中傳到側(cè)門上的縱向力沿著Y形防撞梁分散到車身側(cè)圍上,減少對門的沖擊。這點(diǎn)比一字型要好的多,當(dāng)然其成本也較高。

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一字形防撞梁的成本較低

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Y形防撞梁的安全性能更好
而在材料方面,側(cè)面防撞梁也有兩種,普通高強(qiáng)度鋼和鋁合金。

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捷豹采用的鋁合金側(cè)門防撞梁
影響側(cè)門防撞梁發(fā)揮作用的因素主要是布置的高度。一般車型在設(shè)計(jì)時(shí),為了能在C-NCAP中取得較好的成績,其側(cè)門防撞梁的高度一般在距離地面300-500mm之間,因?yàn)檫@個(gè)高度正是C-NCAP碰撞測試中側(cè)碰小車的碰撞高度。馬自達(dá)的08款馬自達(dá)3就曾經(jīng)因?yàn)槠鋫?cè)門防撞梁高度設(shè)計(jì)不合理,在碰撞測試中側(cè)面碰撞得到零分的結(jié)局。

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側(cè)門防撞梁的高低對其能否發(fā)揮作用也極為重要
另一個(gè)則是材料的強(qiáng)度。人們通常以為里面的管子是普通水管之類的,其實(shí)不然;一般日韓車中所用的管子抗拉強(qiáng)度高達(dá)1400-1570MPa,是普通管子強(qiáng)度的4倍以上。只是目前有些國內(nèi)品牌出于降低成本的因素降低了要求;而歐美車中常見的帽形防撞梁的抗拉強(qiáng)度一般為1000-1600MPa。

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但不論如何,一般而言,帽型防撞梁的整體強(qiáng)度要比防撞桿也就是管狀防撞梁要好。

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