防碰撞的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、2004（ 10 ）總182輕型汽車技術(shù)技術(shù)縱橫5技朮緘at設(shè)計(jì)研究© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術(shù)技術(shù)縱橫5防碰撞的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顧文時(shí)梁宏王柏齡（一汽轎車股份有限公司）摘 要在汽車撞車事故中如何保障乘員的生金安全，是車身設(shè)計(jì)的重耍課題。本文在對(duì)各 種碰捶安全法規(guī)中涉及到車身方而的重要技術(shù)要求、碰撞試驗(yàn)及汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展等 方面進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出防碰撞的一般車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，并介紹了幾種防礎(chǔ)撞 的車身結(jié)

2、構(gòu)實(shí)例。主題詞：車身結(jié)構(gòu) 安 全碰撞吸能區(qū)© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術(shù)技術(shù)縱橫5© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術(shù)技術(shù)縱橫51 前 言|'現(xiàn)在全世界每年的汽車產(chǎn)量約50）0-6900萬 輛,雖然目前道路環(huán)這也在捉嶽利改

3、善，但是，由于 保有ift在逐年增加，交通事故還是不斷上升。因此， 汽車安全問題一直受到汽車行業(yè)及全社會(huì)的關(guān)注。 早在上個(gè)世紀(jì)五六十年代就已提出了 “主動(dòng)安全” 和“被動(dòng)安全”的概念，到八九十年代被列為汽車 的“安全、環(huán)保、節(jié)能”三大課題之一，各國(guó)都制定 了嚴(yán)格的汽車安全性法規(guī)。進(jìn)人二十一世紀(jì)，隨著 汽車技術(shù)的進(jìn)步，汽車安全性已經(jīng)發(fā)展成比較完整 的體系了 c這個(gè)體系主要由主動(dòng)安全性、被動(dòng)安全 性和防止傷害擴(kuò)大等構(gòu)成。乘員乘車是被車身包圍著的。汽車車身是最直 接接觸乘員的部件。因此在安全性上車身也最為人 們所關(guān)注。通過多年的實(shí)踐,關(guān)于車身結(jié)構(gòu)的防碰 撞冃前已基本形成了“吸能區(qū)+乘坐區(qū)”的設(shè)計(jì)模

4、式屬于被動(dòng)安全性，在保護(hù)乘員的安全上起到了 重要作用。2 汽車碰撞乘員保護(hù)法規(guī)為了保證汽車行駛安全，世界各國(guó)（地區(qū)）都 制定了汽車安全法規(guī)。在法規(guī)中關(guān)于碰撞試驗(yàn)所提 出的技術(shù)要求可歸結(jié)為試驗(yàn)假人的測(cè)量數(shù)據(jù)和車 身變形程度兩項(xiàng)C試驗(yàn)用假人是在汽車碰撞試驗(yàn)中代替真人進(jìn) 行數(shù)據(jù)測(cè)雖的人體模型，從頭到腳布置著密密麻麻 的i專感器，在試驗(yàn)中所測(cè)出的數(shù)據(jù)非常接近真人的 實(shí)際情況。利用所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)汽車安全 性和提出改進(jìn)建議。車身制造主要是采用鋼板件焊接，目前也有了 鋁合金等輕金屈和塑料的。但是，不管使用了什么材 料,在汽車碰撞中的變形都是復(fù)雜的。在法規(guī)中也只 提主要危及乘員傷害的項(xiàng)目。表1至表3列

5、出了汽 車正面、側(cè)面和后面碰撞的幾種法規(guī)的主要技術(shù)要 表1車輛正面碰撞的主要技術(shù)要求94 R E ECk348.試驗(yàn)用假人傷害性能指標(biāo)指)00指 W 指 W 阮崙PC瞅PC 部IPC部黑腿FKN 頭標(biāo)腳標(biāo)75大標(biāo)10飆S盔1012硼 好胸就大C1轉(zhuǎn)一勿s)Nmw W W 36m.£57xc枚為平 標(biāo)00(數(shù)訶滬V般常位址水 指1()0指onl扭數(shù)力8KT鐵移/ 06V諭WJffi系瀟X睦陰戢宜如 鮒HPC細(xì)TCC酷性唄制似林盒mm向垂川 頭胸頸粘1.0肋肋膝15轉(zhuǎn)80/其他特殊炎求瓠r-虻闕 試試碰撤60婭碰n求C我國(guó)口前已實(shí)施正面碰撞乘員保護(hù)法規(guī)。在國(guó) 外,除正而（包括角度碰據(jù)或偏

6、置碰撞）之外，側(cè)面 碰撞和后面碰撞法規(guī)都已正式實(shí)施。另外，固定柱碰 撞、翻滾、高空跌落、頂蓋碰撞等法規(guī)有的國(guó)家也已 幵始實(shí)施。3 防碰撞的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“吸能區(qū)+乘坐區(qū)“成為車身結(jié)構(gòu)防碰撞設(shè)計(jì)衰2車輛側(cè)面碰撞的主妾技術(shù)要求FMVSS 214ECE R95確撞車速53.6 km/h試驗(yàn)用假人傷害性能指標(biāo)胸部傷當(dāng)指數(shù)（TTI） 4門轎車W85g 2門轎車W9（）g骨盆峰值橫向加速 度 M30g胸部性能指數(shù)胸部變形指數(shù)（RDC）W42 粘性指數(shù)（VC）W1.0m/s 頭部傷吿指數(shù)（HIC）WIOOO 骨盆性能指數(shù)趾骨合成力蜂值（RSPF ） W6KN 渕部性能指數(shù)腹部力峰但W2 5KN內(nèi)力 （等T4.

7、5KNW外力）其 他 特 殊 耍 求在試臉過程中車門不得打開。試驗(yàn)后不用工貝就能9幵足夠數(shù)址的車門保 證所右乘員卅能做出。試臉肩誨假人從保護(hù)系統(tǒng)中釋放出來并移出 車輛-命有內(nèi)部構(gòu)件都不應(yīng)在脫落時(shí)明顯箔岀鋒利的 突岀物或鋸仮邊而增加乘員受傷的可能件。在不增加乘員受傷的悄況下.允許有由永久變 形而產(chǎn)生的斷裂。碰憤后燃油泄漏速度W 30g/min.衷3對(duì)正面碰瞳和后面碰撞車輛結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)要求ECE R32備面碰撞）ECER33（正而施撞）確撞車速36 km/h50kmZh試驗(yàn)用假 人傷害性 能指標(biāo)縱向付移< 7.5mm前排乘員胸部空間450mm腿部空間650nun腳部空間250mm底板到頂蓋

8、距離的減 少 < 10%其他特殊 要求試驗(yàn)后.在車廂內(nèi)不得有剛性部件對(duì)乘員構(gòu)成嚴(yán)重 傷害的危險(xiǎn)在碰撞中車輛測(cè)門不應(yīng)打開在碰據(jù)后要有些車門不用匚具就能打開足以便所 有乘員撤離出來。的基本模式。3.1前部吸能區(qū)如果碰撞旳,象純剛性物體那樣的車身,就會(huì)把 強(qiáng)大的沖擊力直接傳遞到乘員身上，乘員將受到嚴(yán) 重傷害°若是把前部設(shè)計(jì)成有一定空間的能量吸收 區(qū)域,當(dāng)發(fā)生車輛正面碰撞時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)艙周圍形成吸 能空間的部件會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臍?，從而吸收大部?的撞擊力，使在乘坐區(qū)里的乘員所受的撞擊能星極 大地減少。車身前部主要由保險(xiǎn)杠、水箱固定框、發(fā)動(dòng)機(jī) 罩、前翼子板、前懸掛固定件以及支掠利聯(lián)接這些 部件

9、的縱梁，還有支撐動(dòng)力總成的副車駕等所組 成，當(dāng)車輛碰撞時(shí)，這些部件產(chǎn)生擠壓、彎曲、拉伸 等變形,并相互作用,從而能有效地吸收撫擊能量。吸能區(qū)在設(shè)計(jì)上除了吸收碰搦能量外,還要把 剩余的能量分流，不能只集中在一、二點(diǎn)上傳遞給 乘坐區(qū)，以避免因局部破壞而使乘員受傷 正面碰撞的主要受力和變形部件是縱梁,偏置 正面碰撞或柱狀物碰撞時(shí)，主要是橫梁來承受，之 后傳遞到整個(gè)車身上。3.2后部吸能區(qū)后部吸能區(qū)的設(shè)計(jì)比前部有更寬松的條件。由 行李箱和洽部車身縱梁等自然構(gòu)成一個(gè)吸能空間二 在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要注意骨架的斷面形狀和大 小，板料厚度等的選擇，以及后懸架固定處的局部 剛性的保證等問題C3.3高剛性的乘坐區(qū)

10、確保乘員有足夠的乘坐空間是保證生存的重 要條件，因此這個(gè)區(qū)段的壓縮變形量必須受到限 制。乘坐區(qū)是由車身骨架、底板、頂蓋、前圍、后圍 等部件構(gòu)成，各部件的材質(zhì)、板厚、斷面形狀及零件 形狀、聯(lián)接方式等都是影響剛性的因索，目前上要 是通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來完成，并且使用有限元分析和試 驗(yàn)進(jìn)行修改調(diào)整，可能要多次反復(fù)才能確定方案。乘坐區(qū)除了要保證剛性和強(qiáng)度外，還要注意在 這一區(qū)間裝配的其他部件的位移和變形，如座椅、 儀表板、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向盤，以及一些操縱機(jī)構(gòu)等的位 移和變形，因?yàn)檫@些因素會(huì)對(duì)乘員的安全性產(chǎn)生影 響。3.4側(cè)面防碰撞車輛發(fā)生側(cè)面碰撞大多是交叉路口 G這種事故 也具有相當(dāng)大的比重，然而側(cè)面防碰撞卻是

11、非常用 難的。正面和后面碰撞時(shí)都有較長(zhǎng)的緩沖區(qū)，也就 是吸能區(qū)，所以對(duì)車內(nèi)乘員的傷害程度的影響通常 較為緩和，在緩沖區(qū)內(nèi)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修改的條件也相 対寬松。然而乘員與側(cè)國(guó)外部很近，側(cè)面碰憧首先 接觸的是芷柱和車門，與乘員之間允許凹陷的空間 最多也只有300mm （見圖1 ）,可用做變形吸能的空 © 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I6技術(shù)縱橫輕型汽車技術(shù)2004（ 1（）總182間太小，所以不能采用汽車前后部那樣主要是吸能 的方法。這樣，測(cè)面的防碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

12、，只有采用加 強(qiáng)強(qiáng)度和剛度的措施。因?yàn)橥ǔ５那臎r下，側(cè)面下部的門檻和前立柱、 后立柱、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的剛性和強(qiáng)度，車門 窗臺(tái)部位也有加強(qiáng)梁。所以側(cè)面防碰撞的重點(diǎn)是加 強(qiáng)中立柱和在車門里加防碰撞加強(qiáng)梁，用以減少在 發(fā)生側(cè)而碰撞時(shí)向車身的凹陷量C在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性的同時(shí)，還應(yīng)將沖擊力 有效地分散到整個(gè)車身上，減少側(cè)面局部受沖擊力 太大，中立柱要保證不會(huì)從中間斷裂，以避免加重對(duì) 乘員的傷害。車門是通過門較鏈和門鎖與車體聯(lián)系 在一起的，碰撞后要求車門在不用工具的情況下可 以打開，以使乘員自救逃離或救護(hù)人員很方便的救 出傷員。車門在碰撞后要容易打開，但是在碰撞過程中， 車門不能自行打開，避免把乘

13、員拋岀車外。3.5輕金屬結(jié)構(gòu)防碰撞.:J為了車身輕就化，現(xiàn)在已有很多車取的車身采 用部分鋁合金件，也有一些車曳采用全鋁車身。圖1鋁合金車身不是把鋼板換成鋁合金板那么簡(jiǎn) 單,而是對(duì)車身設(shè)計(jì)逬行革命性的改變。全鋁車身除 了鋁合金板以外，還有異型鑄造鋁合金和鋁合金型 材等材料。鋁合金異型鑄件主要用來做節(jié)點(diǎn)聯(lián)接及 大型構(gòu)件。鋁合金鑄件在車身結(jié)構(gòu)中，也要作為吸能件進(jìn) 行設(shè)計(jì)。鋁合金鑄件是使用真空壓力鑄造,以三維方 式使負(fù)荷按不同壁厚,合理分布,并可鑄出局部加強(qiáng) 筋，可以鑄造出“接近最終形狀”的理想部件。在鋁 合金車身設(shè)計(jì)過程中，可以有冃的地對(duì)碰撞時(shí)出現(xiàn) 的變形加以控制。3.6應(yīng)用有限元分析在產(chǎn)品開發(fā)過程

14、中應(yīng)用有限元分析方法，模擬 結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中的行為狀態(tài)進(jìn)行各種分析，其優(yōu) 點(diǎn)在于模擬可以反復(fù)進(jìn)行而不需要耗費(fèi)很多時(shí)間 和大量在樣車制造上的費(fèi)用。因此車身開發(fā)過程 中,在圖紙沒計(jì)階段要充分利用有限元分析。有限尤分析與實(shí)車試驗(yàn)是兩種相輔相成的方 法，因?yàn)橛邢拊Ｐ褪抢硐牖漠a(chǎn)物與實(shí)際存在 偏差，所以分析結(jié)果也會(huì)有誤差的。而且，對(duì)于無法 用有限元分析的狀態(tài)和現(xiàn)象，也要用試驗(yàn)來評(píng)價(jià)分 析的正確性。在車身計(jì)算機(jī)有限元分析和實(shí)車試驗(yàn)中間，還 可以適當(dāng)采用模擬試驗(yàn)，塑漓模型試驗(yàn)和部件試 驗(yàn)，以提高分析的準(zhǔn)確性，減少實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)，降低 開發(fā)成本。4 防碰撞車身結(jié)構(gòu)實(shí)例4.1 Mazda6的高安全性車身結(jié)構(gòu)于2

15、002年推出的Mazda6（或稱M6 ）能滿足世 界上最嚴(yán)格的碰撞法規(guī)，車身前部采用一種稱為 “MAGMA”的框架結(jié)構(gòu)，在吸收大部分碰撞能量 后，通過上F兩條路線分流到后面，在傳到車廂上 時(shí)又向3個(gè)方向分散開，避免受力集中。車身底板F面增加了平行于門檻的貫穿車身 前后的兩條加強(qiáng)梁，并與前圍板上的橫向加強(qiáng)梁相 接，增強(qiáng)了車身承受沖擊力的能力。在前個(gè)描板的上部和中部分別增加了加強(qiáng)板， 主要起到提髙剛性和防止前構(gòu)件撞入乘坐區(qū)。Mazda6的車身結(jié)構(gòu)一個(gè)重要特點(diǎn)是在乘坐區(qū) 采用了立體的“3H”結(jié)構(gòu)。所謂3H是指車身側(cè)面和 頂蓋的骨架都呈顯H形的強(qiáng)化方案。圖2和圖3表 示了這種結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系以及沖擊力傳

16、遞的路線。 在3H立體框架結(jié)構(gòu)上,將頂蓋、前圍、底板、后部等 部件焊接起來就構(gòu)成一個(gè)高剛性的殼體。側(cè)面骨架 即：3個(gè)立柱、頂蓋側(cè)梁和門檻都采用3層板料結(jié)構(gòu) 形式，以提高強(qiáng)度。其骨架加強(qiáng)板根據(jù)不同位置的 不同要求而應(yīng)用不等厚板料，并用激光焊接后成形 （圖4）。頂蓋除中間聯(lián)接左右側(cè)梁的主橫梁外，在 前、后方還各增加了輔助加強(qiáng)梁以提高頂蓋的抗凹 陷能力。而底板是應(yīng)用交叉梁和封閉斷面形成一個(gè) 堅(jiān)固的底板框架來提高強(qiáng)度。底板不但是車身殼體 的基礎(chǔ)，還為車身上象座椅一樣的附件提供牢固的圖2基礎(chǔ)，保證乘員的安全。' 車門的防碰撞梁從水平布置改為斜置， 并且將中立柱和后立柱的根部加寬、增加車門與立 柱

17、的重疊面積，從而有效地防止因側(cè)面碰撞向車內(nèi) 的凹陷，并使碰撞能量分散到整個(gè)車身上去（見圖 3）。后部防碰擦，主要是加大縱梁的斷面尺寸，采用 交叉形式結(jié)構(gòu)，使準(zhǔn)擊力傳遞流暢等措施，能滿足冃 前世界上最嚴(yán)格叢美國(guó)法規(guī)以80km/h的速度斜后 碰撞的技術(shù)要求c , :;-4.2 Volvo轎車的安全柵設(shè)計(jì) f -1'Volvo轎車是以高安全性著稱于世的。其車身的 防碰撞結(jié)構(gòu)是由吸能區(qū)和"安全籠”組成。把車身中 段乘員乘坐區(qū)設(shè)計(jì)成強(qiáng)度和剛度都非常好的籠形， 對(duì)乘員形成一個(gè)保護(hù)罩。在發(fā)生碰播時(shí)側(cè)面門洞形 狀基本不變，車門可以輕易打開。Volvo850型在底板 下的橫向加強(qiáng)梁是采用高強(qiáng)度

18、管狀的梁，并配合座 椅的安裝以及科學(xué)的能最分流。頂蓋與其加強(qiáng)梁用 澈光焊接成一個(gè)整體，從而使頂蓋強(qiáng)度更高,這是在 其他品牌上很少看到的。側(cè)而立柱用2層或3層板 件焊接而成，以提高抗撞強(qiáng)度。在車身的前后部的吸收能量區(qū)域，吸能的功能 主要是由構(gòu)件的皺折和彎曲變形來完成的，吸收大圖4圖3部分碰撞能量后,剩余的一小部分分散傳走。為防止車門在側(cè)面碰撞時(shí)被撞向車身內(nèi)，在車 門內(nèi)焊接了管狀加強(qiáng)梁，而用激光焊接的門檻亦提 高側(cè)面抗碰撞強(qiáng)度C4.3. POLO轎車確定了確佞乘員在任何嚴(yán)重事 故中都使乘員有一個(gè)足夠的生存空間的基本原則。前縱梁由中間厚兩端薄的激光焊接鋼板沖壓 向成，對(duì)前超板下加強(qiáng)板進(jìn)行了優(yōu)化，使前部構(gòu)成 了一個(gè)完善的能最吸收和分配結(jié)構(gòu)。POL