防碰撞的车身结构设计

技术纵横轻型汽车技术 总 防碰撞的车身结构设计 顾文时梁宏王柏龄 一汽轿车股份有限公 司 摘要 在汽车撞车事故中如何保障乘员的 生命安全 , 是车身设计的重要课题 。 本文在对各 种碰撞安全法规中涉及到车身方面的重要技术要求 、碰撞 试验及汽车结构设计的发展等 方面进行分析的基础 上 , 总结 出防碰撞的一般车身结构设计概念 , 并介绍了几种防碰撞 的车身结构实例 。 一 主题词车身结构安全碰撞吸能区 前言 现在全世界每年的汽车产量约 一 万 辆 , 虽然目前道路环境也在提高和改善 , 但是 , 由于 保有量在逐年增加 , 交通事故还是不断上升 。 因此 , 汽车安全问题一直受到汽车行业及全社会的关注 。 早在上个世纪五六十年代就已提出了 “ 主动安全 ” 和 “ 被动安全 ” 的概念 , 到八九十年代被列为汽车 的 “ 安全 、环 保 、节 能 ” 三大课题之一 , 各国都制定 了严格 的汽车安全性法规 。 进人二十一世纪 , 随着 汽车技术的进步 , 汽车安全性已经发展成比较完整 的体系 了 。 这个体系主要由主动安全性 、被动安全 性和防止伤害扩大等构成 。 乘员乘车是被车身包围着的 。 汽车车身是最直 接接触乘员的部件 。 因此在安全性上车身也最为人 们所关注 。 通过多年的实践 , 关于车身结构 的防碰 撞目前已基本形成了 “ 吸能区 十 乘坐区 ” 的设计模 式 , 属 于被动安全性 , 在保护乘员 的安全上起到了 重要作用 。 汽车碰撞乘员保护法规 为了保证汽车行驶安全 , 世界各国地区都 制定了汽车安全法规 。 在法规中关于碰撞试验所提 出的技术要求可归结为试验假人的测量数据和车 身变形程度两项 。 试验用假人是在汽车碰撞试验中代替真人进 行数据测量的人体模型 , 从头到脚布置着密密麻麻 的传感器 , 在试验中所测出的数据非常接近真人的 实际情况 。 利用所测数据进行分析和评价汽车安全 性和提出改进建议 。 车身制造主要是采用钢板件焊接 , 目前也有了 铝合金等轻金属和塑料的 。 但是 , 不管使用了什么材 料 , 在汽车碰撞中的变形都是复杂的 。 在法规中也只 提主要危及乘员伤害的项目 。 表至表列 出了汽 车正面 、 侧面和后面碰撞的几种法规的主要技术要 表车辆正面碰撞的主要技术要求 总轻型汽车技术 技术纵横 求 。 我国目前已实施正面碰撞乘员保护法规 。 在国 外 , 除正面包括角度碰撞或偏置碰撞之外 , 侧面 碰撞和后面碰撞法规都已正式实施 。 另外 , 固定柱碰 撞 、 翻滚 、 高空跌落 、顶 盖碰撞等法规有的国家也已 开始实施 。 防碰撞的车身结构设计 “ 吸能区 十 乘坐区 ” 成为车身结构防碰撞设计 表车辆侧面碰撞的主要技术要求 碰碰撞车速速 , 月 试试试胸部伤害指数胸部性能指数数 验验验刁轿车毛胸部变形指数 毛 用用用 一 轿车毛粘性指数 蕊八八 假假假骨盆峰值横向加速速头部伤害指数 蕊 人人人度蕊骨盆性能指数数 伤伤伤伤趾骨 合成力峰值 害害害害 蕊 性性性性腹部性能指数数 育育巨巨巨腹部力峰值毛内力力 李李 旨旨旨等于的外力 标标标标标 其其其在试验过程中 , 车门不得打开 。 他他他试验后 , 不用工具就能打开足够数量的车门 , 保保 特特特证所有乘员都能撤离 。 殊殊殊试验后 , 将假人从保护系统中释放出来并移出出 要要要 车辆 。 求求求所有内部构件都不应在脱落时明显露出锋利的的 突突突出物或锯齿边而增加乘员受伤的可能性 。 在在在不增加乘员受伤的情况下 , 允许有 由永久变变 形形形而产生的断裂 。 碰碰碰撞后燃油泄漏速度蕊留 表对正面碰撞和后面碰撞车辆结构的主要技术要求 后面碰撞正面碰撞 碰碰撞车速速 试试验用 段段 纵向位移前排乘员员 人人伤害 性性性胸部空间 能能指标标标腿部空间 脚脚脚脚部空间 底底底底 板到顶 盖距离的减减 少少少少 其其他 特殊殊 试验后 , 在车厢内不得有刚性部件对乘员构成严重重 要要求求伤害的危险险 在在在碰撞中 , 车辆侧门不应打开开 在在在碰撞后 , 要有些车门不用工具就能打开 , 足以使所所 有有有乘员撤离出来 。 的基本模式 。 前部吸能区 如果碰撞时 , 象纯刚性物体那样的车身 , 就会把 强大的冲击力直接传递到乘员身上 , 乘员将受到严 重伤害 。 若是把前部设计成有一定空间的能量吸收 区域 , 当发生车辆正面碰撞时 , 发动机舱周围形成吸 能空间的部件会产生适当的毁坏 , 从而吸收大部分 的撞击力 , 使在乘坐区里的乘员所受的撞击能量极 大地减少 。 车身前部主要由保险杠 、 水箱固定框 、发 动机 罩 、前翼 子板 、前 悬挂固定件以及支撑和联接这些 部件的纵梁 , 还有支撑动力总成的副车驾等所组 成 , 当车辆碰撞时 , 这些部件产生挤压 、 弯曲 、 拉伸 等变形 , 并相互作用 , 从而能有效地吸收撞击能量 。 吸能区在设计上除了吸收碰撞能量外 , 还要把 剩余的能量分流 , 不能只集中在一 、 二点上传递给 乘坐区 , 以避免因局部破坏而使乘员受伤 。 正面碰撞的主要受力和变形部件是纵梁 , 偏置 正面碰撞或柱状物碰撞时 , 主要是横梁来承受 , 之 后传递到整个车身上 。 后部吸能区 后部吸能区的设计比前部有更宽松的条件 。 由 行李箱和后部车身纵梁等 自然构成一个吸能空 间 。 在具体结构设计上 , 要 注意骨架的断面形状和大 小 , 板料厚度等的选择 , 以及后悬架固定处的局部 刚性的保证等问题 。 高刚性的乘坐区 确保乘员有足够的乘坐 空间是保证生存的重 要条件 , 因此这个区段 的压缩变形量必须受到限 制 。 乘坐区是 由车身骨架 、 底板 、 顶盖 、 前围 、 后围 等部件构成 , 各部件的材质 、板 厚 、 断面形状及零件 形状 、联接 方式等都是影响刚性 的因素 , 目前主要 是通过经验设计来完成 , 并且使用有限元分析和试 验进行修改调整 , 可能要多次反复才能确定方案 。 乘坐区除了要保证刚性和强度外 , 还 要注意在 这一区间装配的其他部件的位移和变形 , 如座椅 、 仪表板 、 转向柱 、转 向盘 , 以及一些操纵机构等的位 移和变形 , 因为这些因素会对乘员 的安全性产生影 响 。 侧面防碰撞 车辆发生侧面碰撞大多是交叉路口 。 这种事故 也具有相 当大的比重 , 然 而侧面防碰撞却是非常困 难的 。 正面和后 面碰撞时都有较长的缓冲区 , 也就 是吸能区 , 所以对车内乘员的伤害程度 的影响通常 较为缓和 , 在缓冲区内对构件进行修改的条件也相 对宽松 。 然而乘员与侧围外部很近 , 侧面碰撞首先 接触的是立柱和车门 , 与乘员之间允许凹陷的空 间 最多也只有见图 , 可用做变形吸能的空 技术纵横轻型汽车技术 总 间太小 , 所以不能采用汽车前后部那样主要是吸能 的方法 。 这样 , 侧面 的防碰撞结构设计 , 只有采用加 强强度和刚度的措施 。 因为通常的情况下 , 侧面下部的门槛和前立柱 、 后立柱 、车身结构设计具有 较高的刚性和强度 , 车门 窗台部位也有加强梁 。 所以侧面防碰撞的重点是加 强 中立柱和在车门里加防碰撞加强梁 , 用以减少在 发生侧面碰撞时向车身的凹陷量 。 在加强结构强度和刚性的同时 , 还应将冲击力 有效地分散到整个车身上 , 减少侧面局部受冲击力 太大 , 中立柱要保证不会从中间断裂 , 以避免加重对 乘员的伤害 。 车门是通过门铰链和门锁与车体联系 在一起的 , 碰撞后要求车门在不用工具的情况下可 以打开 , 以使乘员自救逃离或救护人员很方便的救 出伤员 。 车门在碰撞后要容易打开 , 但是在碰撞过程 中 , 车门不能自行打开 , 避免把乘员抛出车外 。 , 轻金属结构防碰撞 为了车身轻量化 , 现在已有很多车型的车身采 用部分铝合金件 , 也有一些车型采用全铝车身 。 碰挽反 门凹陷量 生存空间 二二 岁 、 一一 和和和 图 铝合金车身不是把钢板换成铝合金板那么简 单 , 而是对车身设计进行革命性的改变 。 全铝车身除 了铝合金板以外 , 还有异型铸造铝合金和铝合金型 材等材料 。 铝合金异型铸件主要用来做节点联接及 大型构件 。 铝合金铸件在车身结构中 , 也要作为吸能件进 行设计 。 铝合金铸件是使用真空压力铸造 , 以三维方 式使负荷按不同壁厚 , 合理分布 , 并可铸出局部加强 筋 , 可以铸造出 “接近最终形状” 的理想部件 。 在铝 合金车身设计过程中 , 可以有目的地对碰撞时出现 的变形加以控制 。 应用有限元分析 在产品开发过程中应用有限元分析方法 , 模拟 结构在实际使用 中的行为状态进行各种分析 , 其优 点在于模拟可 以反复进行而不需要耗费很多时间 和大量在样车制造上的费用 。 因此车身开发过程 中 , 在图纸设计阶段要充分利用有限元分析 。 有限元分析与实车试验是两种相辅相成的方 法 , 因为有限元模型是理想化的产物 , 与实际存在 偏差 , 所以分析结果也会有误差的 。 而且 , 对于无法 用有限元分析的状态和现象 , 也要用试验来评价分 析的正确性 。 在车身计算机有限元分析和实车试验 中间 , 还 可以适 当采用模拟试验 , 塑料模型试验和部件试 验 , 以提高分析的准确性 , 减少实车试验次数 , 降低 开发成本 。 防碰撞车身结构实例 的高安全性车身结构 于年推出的或称能满足世 界上最严格 的碰撞法规 , 车身前部采用一种称为 “” 的框架结构 , 在吸收大部分碰撞能量 后 , 通过上下两条路线分流到后面 , 在传到车厢上 时又向个方向分散开 , 避免受力集中 。 车身底板下面增加了平行于门槛的贯穿车身 前后的两条加强梁 , 并与前围板上的横向加强梁相 接 , 增强了车身承受冲击力的能力 。 在前围挡板的上部和中部分别增加了加强板 , 主要起到提高刚性和防止前构件撞人乘坐区 。 的车身结构一个重要特点是在乘坐区 采用了立体的 “ , 结构 。所谓 是指车身侧面和 顶盖的骨架都呈显形的强化方案 。 图和 图表 示了这种结构的立体关系以及冲击力传递的路线 。 在立体框架结构上 , 将顶盖 、前 围 、底板、后 部等 部件焊接起来就构成一个高刚性的壳体 。 侧面骨架 即个立柱 、顶盖侧梁 和门槛都采用层板料结构 形式 , 以提高强度 。 其骨架加强板根据不同位置的 不同要求而应用不等厚板料 , 并用激光焊接后成形 图 。 顶盖除中间联接左右侧梁的主横梁外 , 在 前 、后 方还各增加了辅助加强梁以提高顶盖的抗凹 陷能力 。 而底板是应用交叉梁和封闭断面形成一个 坚固的底板框架来提高强度 。 底板不但是车身壳体 的基础 , 还为车身上象座椅一样的附件提供牢固的 总轻型汽车技术技术纵横 图 基础 , 保证乘员的安全 。 车门的防碰撞梁从水平布置改为斜置 , 并且将中立柱和后立柱的根部加宽 , 增加车门与立 柱的重叠面积 , 从而有效地防止因侧面碰撞向车内 的凹陷 , 并使碰撞能量分散到整个车身上去见 图 。 后部防碰撞 , 主要是加大纵梁的断面尺寸 , 采用 交叉形式结构 , 使簿击力传递流畅等措施 , 能满足目 前世界上最严格 的美国法规以亦的速度斜后 碰撞的技术要求 。 。 轿车的安全栅设计 轿车是以高安全性著称于世的 。 其车身的 防碰撞结构是由吸能区和 “安全笼” 组成 。 把车身中 段乘员乘坐区设计成强度和刚度都非常好的笼形 , 对乘员形成一个保护罩 。 在发生碰撞时侧面门洞形 状基本不变 , 车门可以轻易打开 。 型在底板 下的横向加强梁是采用高强度管状的梁 , 并配合座 椅的安装以及科学的能量分流 。 顶盖与其加强梁用 激光焊接成一个整体 , 从而使顶盖强度更高 , 这是在 其他品牌上很少看到的 。 侧面立柱用层或层板 件焊接而成 , 以提高抗撞强度 。 在车身的前后部的吸收能量区域 , 吸能的功能 主要是由构件的皱折和弯曲变形来完成的 , 吸收大 图 图 部分碰撞能量后 , 剩余的一小部分分散传走 。 为防止车门在侧面碰撞时被撞向车身内 , 在车 内焊接了管状加强梁 , 而用激光焊接的门槛亦提 高侧面抗碰撞强度 。 轿车确定了确保乘员在任何严重事 故中都使乘员有一个足够的生存空间的基本原则 。 前纵梁 由中间厚两端薄的激光焊接钢板冲压 而成 , 对前围板下加 强板进行了优化 , 使前部构成 了一个完善的能量吸收和分配结构 。 轿车的副车架 , 在发生正面碰撞时会 自 动与前纵梁脱开 , 避免使动力总成挤人车内 。 对车门和侧围进行了强化 , 使在发生侧面碰撞 时不但总体侵入量小 , 而且侵人速度的时间分布合 理 , 柱变形均匀 , 使 、 柱间的距离几乎保持不 变 。 宝马公司在车型上使用 钢制型材做结构件 。 如前立柱是在加工 中心里 , 将 管型件 内部充满高压液体介质状况下完成成型加 工的 , 其横断面的形状非常理想 , 这种方法减少了 焊接工作量 , 在不增加重量的情况下 , 使强度提高 。 前风窗的骨架也是用这种方法加工