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因”材”施”轎” —碰撞安全的輕與重

2019-03-08 17:47:51·  來源：碰撞與安全  作者：范松  
　
看車安全與否就看它車皮多厚，車身越重越安全...汽車安全性能越來越受到業(yè)界和消費者的重視，坊間有很多關于汽車安全性能的口訣。那么問題來了，碰撞安全性能是
“看車安全與否就看它車皮多厚”，“車身越重越安全”...汽車安全性能越來越受到業(yè)界和消費者的重視，坊間有很多關于汽車安全性能的“口訣”。那么問題來了，碰撞安全性能是否就就像坊間盛傳的那樣的呢？
 
車重與汽車安全的關系較為復雜，對于車身尺寸、車身結構、車身強度相同的車型而言，車輛撞擊固定壁障，一般說來車重越大，初始能量越大，車體變形將越嚴重，乘員受到傷害的可能性增加。但大車與小車對撞時情況又有所不同，如圖1所示，根據(jù)動量守恒定律可知小車質(zhì)量輕，速度變化劇烈，其乘員受到傷害的可能性增大，此時，車輛越重越占優(yōu)勢。
圖1 車-車對碰

實際中各車企將會通過車身結構及強度設計、約束系統(tǒng)匹配等綜合手段，達成相同的乘員傷害保護和星級要求。相關研究也表明車重是影響汽車安全性能的因素之一，但無必然聯(lián)系，碰撞專家及主機廠更為關注車身的強度設計，通過合理的強度設計吸收碰撞沖擊能量，保護乘員。
 
目前多數(shù)乘用車車身結構采用由薄壁梁型結構焊接形成的承載式車身。如圖2為典型承載式車身結構，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構，如縱梁、門檻、地板縱梁、A柱、B柱等。相對于“車皮”（車身覆蓋件），它們材料等級高、厚度大、結構強度高，承擔了絕大數(shù)吸能和承載的功能。“車皮”厚度對碰撞性能無顯著影響，但它與車身的抗凹、振動、造型等有較大關系，所以“大力金剛指”是測不出車輛安全性的啦！
 
圖2 承載式車身典型傳力通道
上述承載式車身的強度也并不是均勻的，越強越好，而是通過碰撞力學合理的匹配各區(qū)域強度。現(xiàn)代汽車的碰撞安全設計理念將車身分為3個區(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)代碰撞車身設計理念
對于前、后部區(qū)域要求恰當?shù)?ldquo;軟”，通過各組成部件的壓潰、折彎、剪斷等變形模式，將碰撞力切斷、吸收，再經(jīng)整體式車身把力量均勻分散傳遞至車身各部分，降低碰撞沖擊對乘員的損傷。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計能力，通常需要數(shù)百萬小時的虛擬驗證和多輪的試驗驗證才能得到一個強度合理，軟硬恰當?shù)奈軈^(qū)域。一個優(yōu)秀的機艙設計應該同時兼顧行人、乘員以及碰撞中對方車輛的安全性能。
圖4 機艙結構強度匹配
對于乘員艙則要求相對較“硬”，需保證其在碰撞過程中保持其結構的完整性，盡可能少地引起結構變形，確保乘員有效生存空間的同時有利于碰撞后乘員的逃脫和車外救助。目前各大主機廠通常在該區(qū)域大量采用高強鋼圍成的籠式安全艙，傳祺新一代GS5車身高強鋼應用比例達六成，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車身材料應用
圖6 沃爾沃XC90熱成型鋼應用比例達30%

隨著碰撞、排放法規(guī)的趨嚴，以及重量、成本、造型因素的限制，智慧的工程師們在車體結構優(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車型，從上一代“人”字形吸能結構，轉變?yōu)榈诙鶪AC“木”字形碰撞吸能控制技術，通過優(yōu)化車身結構、改善碰撞傳力路徑，實現(xiàn)了吸能結構重量降低與吸能效率提升，其中機艙件質(zhì)量減少約40%，變形吸能提升6%。減重降本的同時碰撞性能還進一步改善。充分體現(xiàn)了結構設計優(yōu)化對于碰撞性能提升以及減重降本帶來的巨大優(yōu)勢。
圖7 GS5機艙結構升級
    
此外，通過材料等級的提升對于碰撞性能的改善和減重則更為直接。通常結構的強度由結構形式、料厚及材料強度決定，當結構形式確實時，增加材料強度等級將有助于選擇料厚較薄的鋼板，從而實現(xiàn)減重的目的。熱成型材料在傳祺車上就有很多成功的實踐，A柱、B柱、門檻、地板縱梁等均替換為熱成型材料，減重的同時零件數(shù)目減少、對工程截面的要求也降低了,傳祺某車型通過B柱使用熱成型材料實現(xiàn)減重2kg，A柱采用熱成型減重1.2kg。近年來鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料等輕質(zhì)材料在量產(chǎn)車型上的應用比例不斷提升，為工程師的武器庫提供了更多的選擇。
圖8 側面B柱門檻優(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構強度，特別是搭接區(qū)域的結構強度和傳力效果。寶馬7系通過新型連接方式如激光拼焊、鉚接、膠粘的應用，整車等效焊點數(shù)可達10392，而通常車輛的焊點數(shù)范圍在3000-6000。新雅閣通過優(yōu)化白車身拼裝順序，優(yōu)化搭接處結構設計，實現(xiàn)減重11.9kg。
       圖10 新雅閣搭接結構優(yōu)化
有道是因“材”施“轎”，在合適的地方設計合理的結構、選擇恰當?shù)牟牧?，就可以造出碰撞性能和重量兼顧的好車，車輛的輕重、車皮的厚度對高能的工程師們來說并不是首要考慮的問題。
 
文章 | 范松
編輯 | 杜克楠
 
 
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