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因”材”施”轿” —碰撞安全的轻与重

2019-03-08 17:47:51·  来源：碰撞与安全  作者：范松  
　
看车安全与否就看它车皮多厚，车身越重越安全...汽车安全性能越来越受到业界和消费者的重视，坊间有很多关于汽车安全性能的口诀。那么问题来了，碰撞安全性能是
“看车安全与否就看它车皮多厚”，“车身越重越安全”...汽车安全性能越来越受到业界和消费者的重视，坊间有很多关于汽车安全性能的“口诀”。那么问题来了，碰撞安全性能是否就就像坊间盛传的那样的呢？
 
车重与汽车安全的关系较为复杂，对于车身尺寸、车身结构、车身强度相同的车型而言，车辆撞击固定壁障，一般说来车重越大，初始能量越大，车体变形将越严重，乘员受到伤害的可能性增加。但大车与小车对撞时情况又有所不同，如图1所示，根据动量守恒定律可知小车质量轻，速度变化剧烈，其乘员受到伤害的可能性增大，此时，车辆越重越占优势。
图1 车-车对碰

实际中各车企将会通过车身结构及强度设计、约束系统匹配等综合手段，达成相同的乘员伤害保护和星级要求。相关研究也表明车重是影响汽车安全性能的因素之一，但无必然联系，碰撞专家及主机厂更为关注车身的强度设计，通过合理的强度设计吸收碰撞冲击能量，保护乘员。
 
目前多数乘用车车身结构采用由薄壁梁型结构焊接形成的承载式车身。如图2为典型承载式车身结构，其碰撞力主要承载路径主要是由薄壁钣金焊接形成的若干腔体梁形结构，如纵梁、门槛、地板纵梁、A柱、B柱等。相对于“车皮”（车身覆盖件），它们材料等级高、厚度大、结构强度高，承担了绝大数吸能和承载的功能。“车皮”厚度对碰撞性能无显著影响，但它与车身的抗凹、振动、造型等有较大关系，所以“大力金刚指”是测不出车辆安全性的啦！
 
图2 承载式车身典型传力通道
上述承载式车身的强度也并不是均匀的，越强越好，而是通过碰撞力学合理的匹配各区域强度。现代汽车的碰撞安全设计理念将车身分为3个区域，前部吸能区、中部乘员安全区、后部吸能区。
图3 现代碰撞车身设计理念
对于前、后部区域要求恰当的“软”，通过各组成部件的压溃、折弯、剪断等变形模式，将碰撞力切断、吸收，再经整体式车身把力量均匀分散传递至车身各部分，降低碰撞冲击对乘员的损伤。如何在有限的吸能空间条件下尽可能的提高吸能效率，非常考究工程师们的设计能力，通常需要数百万小时的虚拟验证和多轮的试验验证才能得到一个强度合理，软硬恰当的吸能区域。一个优秀的机舱设计应该同时兼顾行人、乘员以及碰撞中对方车辆的安全性能。
图4 机舱结构强度匹配
对于乘员舱则要求相对较“硬”，需保证其在碰撞过程中保持其结构的完整性，尽可能少地引起结构变形，确保乘员有效生存空间的同时有利于碰撞后乘员的逃脱和车外救助。目前各大主机厂通常在该区域大量采用高强钢围成的笼式安全舱，传祺新一代GS5车身高强钢应用比例达六成，沃尔沃则在热成型钢的使用上更为大胆。
图5 传祺新一代GS5车身材料应用
图6 沃尔沃XC90热成型钢应用比例达30%

随着碰撞、排放法规的趋严，以及重量、成本、造型因素的限制，智慧的工程师们在车体结构优化、轻量化材料、制造工艺等方面作出了大量的探索，充分挖掘安全的潜力。
    
传祺新一代GS5车型，从上一代“人”字形吸能结构，转变为第二代GAC“木”字形碰撞吸能控制技术，通过优化车身结构、改善碰撞传力路径，实现了吸能结构重量降低与吸能效率提升，其中机舱件质量减少约40%，变形吸能提升6%。减重降本的同时碰撞性能还进一步改善。充分体现了结构设计优化对于碰撞性能提升以及减重降本带来的巨大优势。
图7 GS5机舱结构升级
    
此外，通过材料等级的提升对于碰撞性能的改善和减重则更为直接。通常结构的强度由结构形式、料厚及材料强度决定，当结构形式确实时，增加材料强度等级将有助于选择料厚较薄的钢板，从而实现减重的目的。热成型材料在传祺车上就有很多成功的实践，A柱、B柱、门槛、地板纵梁等均替换为热成型材料，减重的同时零件数目减少、对工程截面的要求也降低了,传祺某车型通过B柱使用热成型材料实现减重2kg，A柱采用热成型减重1.2kg。近年来铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等轻质材料在量产车型上的应用比例不断提升，为工程师的武器库提供了更多的选择。
图8 侧面B柱门槛优化减重2kg
图9 A柱优化减重1.2kg

最后，良好的制造工艺、合适的连接方式将有助于提高结构强度，特别是搭接区域的结构强度和传力效果。宝马7系通过新型连接方式如激光拼焊、铆接、胶粘的应用，整车等效焊点数可达10392，而通常车辆的焊点数范围在3000-6000。新雅阁通过优化白车身拼装顺序，优化搭接处结构设计，实现减重11.9kg。
       图10 新雅阁搭接结构优化
有道是因“材”施“轿”，在合适的地方设计合理的结构、选择恰当的材料，就可以造出碰撞性能和重量兼顾的好车，车辆的轻重、车皮的厚度对高能的工程师们来说并不是首要考虑的问题。
 
文章 | 范松
编辑 | 杜克楠
 
 
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