从车身结构谈汽车安全(二)

文/江苏 赵跃平 张湘衡

(接第9期)

二、障碍物碰撞事故

在汽车事故中，汽车与障碍物碰撞事故最多。汽车与障碍物碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞和追尾碰撞，其中正面碰撞和追尾碰撞发生的频率较高，而侧免碰撞发生频率相对较低。

(1)汽车车身防碰撞结构

汽车设计人员针对可能发生的各种情况而设计出一系列的车身防碰撞结构，并通过实验测定这些防碰撞结构的安全可靠性。实验证明，汽车以40km/h的速度行驶时，碰撞过程大概只有0.2s的时间。在汽车碰撞行人的过程中，汽车保险杠先与行人碰撞(见图1)，所以汽车车身的保险杠要求采用质地较软的材料制造，外形多采用较大的圆孤，汽车车身前部灯具也采用埋伏式设计。

在之后的碰撞过程中，行人将与汽车发动机盖、前风窗玻璃碰撞(见图2、图3)。

实验显示，汽车车身的发动机盖(图4)和前风窗玻璃(图5)都与行人发生直接碰撞，这是造成行人受伤的主要汽车构件。

为了在汽车碰撞过程中尽量保护行人的安全，汽车需采用具有吸能性能的材料制作保险杠和软质发动机盖，并同时使发动机盖与舱内的硬质部件保持一定的空间(一般约为10cm)；风窗玻璃应采用破碎后不能伤人的夹层钢化玻璃，风窗玻璃应采用软支撑，风窗玻璃刮水器应采用埋入式安装(见图6)。

随着行人保护法规在汽车设计制造中的逐步推广，将导致汽车设计相应的变化，特别是造型和总布置的变化。近几年来，中国汽车市场获得迅猛发展，机动车保有量逐年上升，然而中国道路交通情况较为复杂，人、车并行情况多，是世界上典型的以平面混合交通为主的国家。在汽车行驶中，汽车驾驶人员应按交通规则驾驶车辆，应提倡车让行人的道德风尚，在行人多的路段应多观察并慢速通过。

(2)汽车碰撞的理想状况

汽车设计人员给汽车设计了车辆正面碰撞的理想特性。如图7所示，图中表示了在碰撞中车身前部的三个变形吸能区段。这样的设计可以在汽车低速、中速和高速行驶的情况下，确保汽车乘员的损害被降低到最小。这里应有这样一个概念，紧凑型车型由于结构简单、自重小的特点，因此，车辆在紧急制动时惯性也会较小，碰撞冲击力也会较小。中级车型、高级车型，车身自重较大，相对采用的防碰撞结构和相关系统也会增多。汽车碰撞损坏并不单是与车型有关，碰撞损坏还与车速、直接碰撞点的位置、汽车自重、碰撞障碍物和驾驶员的临时应变能力等因素有关。因此，汽车的碰撞理想状况，在不同的案例中会有不同的体现，这就要求汽车驾驶员能正确应对突发事故，在紧急情况发生时，采取正确的应急措施才能更有效地发挥汽车车身结构的防碰撞功能。

在图7中，第一区段表示的是低速碰撞状态，车辆的变形及受冲击力都比较小，这有利于保护行人和车辆。第二区段为相容区，变形力值应均匀，即汽车在中速碰撞过程中，能量被均匀地吸收，尽量降低了撞击加速峰值。第三区段表示在高速碰撞时，汽车结构对乘员具有保护的特性。汽车车身结构在这个区段应有较大的刚度，从悬架到车身前围板之间变形力值急剧上升，阻止变形扩展到乘员室，而且要求在这个碰撞过程中，必须通过相应的结构措施使汽车动力总成向下移动而不致挤入乘员室(见图8)。

承载式车身(即整体式车身)可以较好地保护乘员安全，承载式车身可使汽车车身形成紧密的结构，车身主要构件采用焊接方式连接在一起。这种汽车车身结构有助于在碰撞时保护车内乘员，其碰撞损坏模式不同于车架式(非整体式)车身。整体式车身的整体结构和刚性较大的构件有助于传递和分散冲击能量到整个车身上而保护乘员室不受侵害。

如图9所示，汽车采用整体式车身构造，汽车碰撞造成了汽车车身前部损坏，车身前风窗全部损毁，汽车车身顶部整体结构也变形，车身两侧围也有二次碰撞损坏。此案例中，汽车在高速情况下与另一车辆碰撞，汽车碰撞后翻滚造成二次碰撞损坏。在这一案例中，汽车损坏严重，但整体式车身还是有效保护了汽车驾驶员未收严重伤害。

如图10所示，汽车与图9中的汽车在高速行驶的情况下碰撞，此车为非整体式车身，碰撞造成汽车乘员室的安全空间受碰撞冲击力压缩，驾驶员已无法保证安全。

如图11所示，某品牌汽车以64km/h的速度撞击目标(国家标准是与碰撞物进行100%正面接触，速度为50km/h)，伴随着“轰”的一声巨响，前车身变形，但车门仍能正常打开，驾驶室框架无明显变形。此次碰撞试验不是正面碰撞而是正面偏置碰撞。正面偏置碰撞时，车身的变形程度比完全正面碰撞时更大。从碰撞后的现场看，乘员室变形幅度较小，在安全带和空气囊的保护下，汽车内乘员的安全得到了有效的保护。据调查，超过半数的汽车持有者认为汽车的钢板越厚越安全。事实上，汽车安全与否不能简单地用钢板的厚度来判断，最重要的是车身是否设置一系列防碰撞结构、车身材料是否具有吸收冲击能量的特性。

从实验数据来看，正面碰撞时，当驾驶室侵入量为15cm时，重伤率为20%；驾驶室侵入量达61cm时，重伤率高达52%。所以，汽车发生碰撞时若想保护乘员的安全，最重要的是尽可能减少驾驶室空间的侵入，并让汽车车身尽可能地吸收碰撞冲击能量。

下面有一组实验(见图12)，红车采用整体式车身，白车为非整体式车身，实验现场采用科学摄取照片的方式记录汽车碰撞瞬间。在实验中，汽车以相同的速度，碰撞相同固定障碍物，实验人员对对整体式结构汽与非整体式汽车的碰撞过程的各个阶段进行了比较。对于采用整体式车身的红车而言，在碰撞的各个阶段，乘员室的变形量都较小，碰撞后，乘员室无明显变化；而非整体式汽车(白色)在碰撞后，碰撞冲击直接威胁到乘员的安全。

汽车正面碰撞的车身设置除能尽可能的减小乘员室安全结构的变形，还应减小车身减速度(即汽车碰撞的冲击能量能瞬息减小，并且尽量减小对乘员室乘员的冲击力)，碰撞过程中车门不能自动打开，碰撞后可以不使用工具打开至少一侧的一个车门。汽车车身前部也应进行一系防碰撞结构设计，这主要是防碰撞横梁、车身横梁与纵梁连接构件、车身纵梁、前指梁、翼子板、减震器座等，如图13所示，黄色结构是汽车车身主要的防碰撞构件。

(3)汽车车身前部的防碰撞结构

汽车车身前部是碰撞概率发生最高的部分，正面碰撞的概率在67%左右，但碰撞死亡率只占碰撞死亡总人数的31%。汽车车身在车身的前部不论什么车型，包括紧凑型车、经济型车、中级车、高级车的各种汽车在车身前部都设计了一系列防碰撞性能的结构。

各种车型的汽车车身前部都有相类似结构，汽车车身前部一般主要由图14所示构件组成。需要指出，汽车车身前部结构，各种车型的构件形状尺寸不完全相同，但总体结构和其主要功能是相同的。

汽车发动机前置前轮驱动的车身前部，在防碰撞设计方面都有相同的结构，如图15所示，汽车车身前部的结构具有吸收冲击能量的功能。图中车身前部横梁(红色)，为车身前部布置在车身最前部的防碰撞结构，一般能够吸收一定的碰撞冲击能量。车身横梁与纵梁连接件(图中黄色部分)可以吸收碰撞冲击能量，保护车身横梁后部的汽车构件，也防止碰撞冲击力直接碰撞冲击汽车车身纵梁。汽车车身纵梁是汽车车身前部主要防碰撞结构，它将在碰撞中吸收大多数冲击能量，防止碰撞冲击能量危及乘员室的安全空间。如果冲击力很大将使车身纵梁变形，碰撞冲击力将使减震器座产生移位或变形(图中黄色构件)，减震器座也是车身前部的吸能构件，主要的功能是吸收冲击能量和冲击力，不让碰撞冲击力冲击乘员室。从汽车前部结构可以看出，整体式汽车车身结构的前部结构中车身纵梁和减震器座的碰撞损坏变形将影响汽车动力和行驶功能，这是因为整体式车身结构汽车前轿直接与减震器连接，车身纵梁与减震器的损坏将直接影响汽车的正常行驶。

如图16所示，从中级车型汽车的整体式车身结构可以看出汽车车身的前部构造，这与图15的汽车车身结构基本相同。该汽车车身技术文件中除了显示车身纵梁的形状结构之外，还标注了车身前部重要测量控制点之间尺寸，在进行车辆碰撞修复时可以通过这些测量控点的测量判断汽车车身修复质量。

(4)汽车车身前部的抗碰撞结构特性

在汽车正碰撞的冲击能量中，车身前部结构吸收的能量约占80%，驱动部件和车身前围板各占约10%；车身前部机构吸收的能量，约有70%分配给车身纵梁，25%分配给车身前横梁、车身轮罩，5%分配给车身翼子板、发动机罩等。因此，为了实现汽车车身防碰撞结构的第二区段的特性，前纵梁应在能正常发挥支撑和承载作用的前提下，设计成吸能变形模式，即采用“预压缩技术”的构件。

为了减轻重量，汽车车身前部结构应具有一定的刚度并能吸收冲击能量，因此，汽车车身前部结构一般被设计成薄壁盒子形结构。经验表明，这种薄壁盒子形结构直梁的某部位相对其他部位较弱时，轴向碰撞力就会首先使弱化部位触发局部屈曲；屈曲面继续变形，在盒子形直梁的棱边产生应力集中，该应力集中点与屈曲波的半波长相对应。当载荷达到最大值时，梁边开始屈服，于是盒子形梁按刚才屈曲波模式产生折叠压塌；接着产生下一个屈曲和屈服，由于第一个局部屈曲的影响，相继的屈曲平面产生的波较小，相继的载荷峰值也将减小，如此能量被逐步吸收。原来构件受冲击压缩弯曲变形，与此同时可能大量吸收冲击能量，如图17所示，双点划线为原构件的形状，碰撞吸收冲击能量后产生变形为图中实线的形状。

根据吸能机理，设计师采用了“预变形技术”，即设计时预先使结构的某些部位，例如，在构件的某区段设置可以吸收能量的结构(一般长度为30～60cm)，采用弱化某些构件截面的方法。当碰撞发生，碰撞冲击能量使这些构件的弱化部位先行变形，同时吸收冲击能量。有的汽车也在前部结构中设计防碰撞部件，例如，在车身横梁与纵梁的连接件采用“预压缩技术”。如图18所示，图中1就是车身横梁与纵梁连接件；图中符号“△”表示汽车车身碰撞后，车身前部产生的压缩“位移量”。

另一种方法是将纵梁预弯曲并削弱弯曲部位的弯曲强度，如18所示，图中3所指的区域，发生碰撞时，构件在这些强度削弱的部位首先弯曲变形，同时吸收冲击能量，变形的方式和程度决定于设计时的结构，但采用这种弯曲吸能的方法时，如果设计不当(弯曲过早)，会使区段2结构的折叠变形压缩特性丧失，很快结束吸能过程，所以，车身修理人员，在进行修复车身构件时，不能随随便便的更改车身构件的形状、结构和强度大小等。

汽车车身前部不论什么车型都有类似的防碰撞横梁结构，如图19所示，为高级车型(宝马)汽车车身前部横梁。宝马汽车的前部横梁采用一个中间连接件与纵梁连接，横梁与中间连接件之间也是采用螺栓连接方式，连接构件采用“预压缩技术”(见图20)。

汽车车身前部横梁结构，可以在碰撞冲击不太大时，保护汽车前部其它构件不受碰撞损坏。如图21所示，汽车正面碰撞，造成汽车前部保险杠、灯具、栅栏及横梁等损坏。汽车正面碰撞障碍物，造成车身前横梁弯曲变形，汽车乘员室安全空间没受到影响。

汽车车身纵梁是汽车重要构件，车身纵梁不仅是汽车前部所有构件重要的支撑结构，同时在汽车防碰撞的结构中也起着重要作用，也是整体式汽车车身汽车前轿及悬挂系统的主要支撑构件，所以，汽车纵梁碰撞损坏修复是很重要的工艺。

(5)汽车驾驶员的安全保护措施

现代汽车绝大多数都采用整体式汽车车身结构，这是因为能源紧张，汽车要做到质量轻又具有较好的防碰撞性能，采用整体式汽车车身是最好的选择。汽车整体式车身虽然能较好的保护乘员安全，但并不是可以像坦克车那样坚固。汽车车身结构也有薄弱部位，例如，汽车前后风窗就是汽车的薄弱部位。汽车驾驶人员应了解汽车车身结构的这些防碰撞特性，在汽车发生紧急情况时采取合理的应对措施，这样才能更好的保护乘员的安全。

①乘员损伤除了与事故类型密切相关外，在同类事故中，其比例数还与撞车时的相对碰撞速度有很大的关联。如图22所示，汽车在40～60km/h范围内的相对碰撞速度对应的乘员损伤比率最高。任何驾驶员在不同的道路条件下控制好合理的汽车速度是防止事故最可靠的方法。

②驾驶员在应对突发事故时，应对措施合理。遇到突发情况，驾驶员应立即将汽车速度减下来，汽车的防碰撞结构一般针对是汽车在50km/h以下的速度，如果发生汽车正面碰撞都可以保证汽车乘员不受严重伤害。所以，不论发生什么情况，驾驶员应将车速降下来，而不能急打方向盘，造成汽车失控，让障碍物碰撞汽车的薄弱部位。

③通过以上对汽车结构的分析，虽然设计人员在设计汽车防碰撞结构时，综合考虑了碰撞的各种类型，但汽车在正面或汽车中心轴线30°范围内，其防碰撞性能最好。汽车驾驶人员应在突发事故发生时，沉着冷静，尽可能的让汽车在以上区域与障碍物碰撞，其实也就是让汽车稳定前进方向。

④驾驶员在驾驶汽车时，不论在什么情况下都要保持好“安全距离”。那什么是“安全距离”呢？“安全距离”就是在汽车前进方向发生突然情况时，驾驶员能采取正确措施将汽车停下来。根据汽车车身结构可以得知，汽车碰撞与汽车车身高度差不多的障碍物，乘员的安全可以得到保障。汽车在高速行驶过程中，汽车前进方向如果是跟随货运大型车辆更应注意“安全距离”。在许多碰撞案例中，汽车碰撞前方障碍物造成伤亡，这多数因为碰撞前方车辆车身高大，汽车碰撞车身薄弱部位(前风窗玻璃)而造成。高速公路常设小车专用道也是从汽车结构的安全性能考虑。

⑥汽车在驾驶室内设置乘员保护系统(安全座椅、安全带、安全气囊、车窗玻璃、转向系统、内装饰等)，驾驶员应使用好这些安全设置，才能避免二次碰撞或者降低二次碰撞对乘员造成的损伤。