防碰撞的車身結構設計

1、2004（ 10 ）總182輕型汽車技術技術縱橫5技朮緘at設計研究© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術技術縱橫5防碰撞的車身結構設計顧文時梁宏王柏齡（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，是車身設計的重耍課題。本文在對各 種碰捶安全法規(guī)中涉及到車身方而的重要技術要求、碰撞試驗及汽車結構設計的發(fā)展等 方面進行分析的基礎上，總結出防碰撞的一般車身結構設計概念，并介紹了幾種防礎撞 的車身結

2、構實例。主題詞：車身結構 安 全碰撞吸能區(qū)© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術技術縱橫5© 1994-20W China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved I2004（ 10 ）總182輕型汽車技術技術縱橫51 前 言|'現(xiàn)在全世界每年的汽車產量約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)及全社會的關注。 早在上個世紀五六十年代就已提出了 “主動安全” 和“被動安全”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，各國都制定 了嚴格的汽車安全性法規(guī)。進人二十一世紀，隨著 汽車技術的進步，汽車安全性已經發(fā)展成比較完整 的體系了 c這個體系主要由主動安全性、被動安全 性和防止傷害擴大等構成。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 們所關注。通過多年的實踐,關于車身結構的防碰 撞冃前已基本形成了“吸能區(qū)+乘坐區(qū)”的設計模

4、式屬于被動安全性，在保護乘員的安全上起到了 重要作用。2 汽車碰撞乘員保護法規(guī)為了保證汽車行駛安全，世界各國（地區(qū)）都 制定了汽車安全法規(guī)。在法規(guī)中關于碰撞試驗所提 出的技術要求可歸結為試驗假人的測量數(shù)據(jù)和車 身變形程度兩項C試驗用假人是在汽車碰撞試驗中代替真人進 行數(shù)據(jù)測雖的人體模型，從頭到腳布置著密密麻麻 的i專感器，在試驗中所測出的數(shù)據(jù)非常接近真人的 實際情況。利用所測數(shù)據(jù)進行分析和評價汽車安全 性和提出改進建議。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雜的。在法規(guī)中也只 提主要危及乘員傷害的項目。表1至表3列

5、出了汽 車正面、側面和后面碰撞的幾種法規(guī)的主要技術要 表1車輛正面碰撞的主要技術要求94 R E ECk348.試驗用假人傷害性能指標指)00指 W 指 W 阮崙PC瞅PC 部IPC部黑腿FKN 頭標腳標75大標10飆S盔1012硼 好胸就大C1轉一勿s)Nmw W W 36m.£57xc枚為平 標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TCC酷性唄制似林盒mm向垂川 頭胸頸粘1.0肋肋膝15轉80/其他特殊炎求瓠r-虻闕 試試碰撤60婭碰n求C我國口前已實施正面碰撞乘員保護法規(guī)。在國 外,除正而（包括角度碰據(jù)或偏

6、置碰撞）之外，側面 碰撞和后面碰撞法規(guī)都已正式實施。另外，固定柱碰 撞、翻滾、高空跌落、頂蓋碰撞等法規(guī)有的國家也已 幵始實施。3 防碰撞的車身結構設計“吸能區(qū)+乘坐區(qū)“成為車身結構防碰撞設計衰2車輛側面碰撞的主妾技術要求FMVSS 214ECE R95確撞車速53.6 km/h試驗用假人傷害性能指標胸部傷當指數(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系統(tǒng)中釋放出來并移出 車輛-命有內部構件都不應在脫落時明顯箔岀鋒利的 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 形而產生的斷裂。碰憤后燃油泄漏速度W 30g/min.衷3對正面碰瞳和后面碰撞車輛結構的主要技術要求ECE R32備面碰撞）ECER33（正而施撞）確撞車速36 km/h50kmZh試驗用假 人傷害性 能指標縱向付移< 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 要求試驗后.在車廂內不得有剛性部件對乘員構成嚴重 傷害的危險在碰撞中車輛測門不應打開在碰據(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,就會把 強大的沖擊力直接傳遞到乘員身上，乘員將受到嚴 重傷害°若是把前部設計成有一定空間的能量吸收 區(qū)域,當發(fā)生車輛正面碰撞時,發(fā)動機艙周圍形成吸 能空間的部件會產生適當?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杠、水箱固定框、發(fā)動機 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，還有支撐動力總成的副車駕等所組 成，當車輛碰撞時，這些部件產生擠壓、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)在設計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，主要是橫梁來承受，之 后傳遞到整個車身上。3.2后部吸能區(qū)后部吸能區(qū)的設計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成一個吸能空間二 在具體結構設計上，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 等部件構成，各部件的材質、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 是通過經驗設計來完成，并且使用有限元分析和試 驗進行修改調整，可能要多次反復才能確定方案。乘坐區(qū)除了要保證剛性和強度外，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、轉向柱、轉向盤，以及一些操縱機構等的位 移和變形，因為這些因素會對乘員的安全性產生影 響。3.4側面防碰撞車輛發(fā)生側面碰撞大多是交叉路口 G這種事故 也具有相當大的比重，然而側面防碰撞卻是

11、非常用 難的。正面和后面碰撞時都有較長的緩沖區(qū)，也就 是吸能區(qū)，所以對車內乘員的傷害程度的影響通常 較為緩和，在緩沖區(qū)內對構件進行修改的條件也相 対寬松。然而乘員與側國外部很近，側面碰憧首先 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技術縱橫輕型汽車技術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，測面的防碰撞結構設計

12、，只有采用加 強強度和剛度的措施。因為通常的悄況下，側面下部的門檻和前立柱、 后立柱、車身結構設計具有較高的剛性和強度，車門 窗臺部位也有加強梁。所以側面防碰撞的重點是加 強中立柱和在車門里加防碰撞加強梁，用以減少在 發(fā)生側而碰撞時向車身的凹陷量C在加強結構強度和剛性的同時，還應將沖擊力 有效地分散到整個車身上，減少側面局部受沖擊力 太大，中立柱要保證不會從中間斷裂，以避免加重對 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輕金屬結構防碰撞.: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 單,而是對車身設計逬行革命性的改變。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)點聯(lián)接及 大型構件。鋁合金鑄件在車身結構中，也要作為吸能件進 行設計。鋁合金鑄件是使用真空壓力鑄造,以三維方 式使負荷按不同壁厚,合理分布,并可鑄出局部加強 筋，可以鑄造出“接近最終形狀”的理想部件。在鋁 合金車身設計過程中，可以有冃的地對碰撞時出現(xiàn) 的變形加以控制。3.6應用有限元分析在產品開發(fā)過程

14、中應用有限元分析方法，模擬 結構在實際使用中的行為狀態(tài)進行各種分析，其優(yōu) 點在于模擬可以反復進行而不需要耗費很多時間 和大量在樣車制造上的費用。因此車身開發(fā)過程 中,在圖紙沒計階段要充分利用有限元分析。有限尤分析與實車試驗是兩種相輔相成的方 法，因為有限元模型是理想化的產物與實際存在 偏差，所以分析結果也會有誤差的。而且，對于無法 用有限元分析的狀態(tài)和現(xiàn)象，也要用試驗來評價分 析的正確性。在車身計算機有限元分析和實車試驗中間，還 可以適當采用模擬試驗，塑漓模型試驗和部件試 驗，以提高分析的準確性，減少實車試驗次數(shù)，降低 開發(fā)成本。4 防碰撞車身結構實例4.1 Mazda6的高安全性車身結構于2

15、002年推出的Mazda6（或稱M6 ）能滿足世 界上最嚴格的碰撞法規(guī)，車身前部采用一種稱為 “MAGMA”的框架結構，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 時又向3個方向分散開，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 前后的兩條加強梁，并與前圍板上的橫向加強梁相 接，增強了車身承受沖擊力的能力。在前個描板的上部和中部分別增加了加強板， 主要起到提髙剛性和防止前構件撞入乘坐區(qū)。Mazda6的車身結構一個重要特點是在乘坐區(qū) 采用了立體的“3H”結構。所謂3H是指車身側面和 頂蓋的骨架都呈顯H形的強化方案。圖2和圖3表 示了這種結構的立體關系以及沖擊力傳

16、遞的路線。 在3H立體框架結構上,將頂蓋、前圍、底板、后部等 部件焊接起來就構成一個高剛性的殼體。側面骨架 即：3個立柱、頂蓋側梁和門檻都采用3層板料結構 形式，以提高強度。其骨架加強板根據(jù)不同位置的 不同要求而應用不等厚板料，并用激光焊接后成形 （圖4）。頂蓋除中間聯(lián)接左右側梁的主橫梁外，在 前、后方還各增加了輔助加強梁以提高頂蓋的抗凹 陷能力。而底板是應用交叉梁和封閉斷面形成一個 堅固的底板框架來提高強度。底板不但是車身殼體 的基礎，還為車身上象座椅一樣的附件提供牢固的圖2基礎，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面碰撞向車內 的凹陷，并使碰撞能量分散到整個車身上去（見圖 3）。后部防碰擦，主要是加大縱梁的斷面尺寸，采用 交叉形式結構，使準擊力傳遞流暢等措施，能滿足冃 前世界上最嚴格叢美國法規(guī)以80km/h的速度斜后 碰撞的技術要求c , :;-4.2 Volvo轎車的安全柵設計 f -1'Volvo轎車是以高安全性著稱于世的。其車身的 防碰撞結構是由吸能區(qū)和"安全籠”組成。把車身中 段乘員乘坐區(qū)設計成強度和剛度都非常好的籠形， 對乘員形成一個保護罩。在發(fā)生碰播時側面門洞形 狀基本不變，車門可以輕易打開。Volvo850型在底板 下的橫向加強梁是采用高強度

18、管狀的梁，并配合座 椅的安裝以及科學的能最分流。頂蓋與其加強梁用 澈光焊接成一個整體，從而使頂蓋強度更高,這是在 其他品牌上很少看到的。側而立柱用2層或3層板 件焊接而成，以提高抗撞強度。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。為防止車門在側面碰撞時被撞向車身內，在車 門內焊接了管狀加強梁，而用激光焊接的門檻亦提 高側面抗碰撞強度C4.3. POLO轎車確定了確佞乘員在任何嚴重事 故中都使乘員有一個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，對前超板下加強板進行了優(yōu)化，使前部構成 了一個完善的能最吸收和分配結構。POL