【特約研究院 柏俊波】上兩期周報著重關(guān)注并提出了低速電動車整車電氣安全方面的布置建議和提高正面碰撞安全性的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，詳細參見：

研究周報 | 低速電動車安全布置鋰電池組 必須考慮的關(guān)鍵點有哪些？

研究周報| 做好車身結(jié)構(gòu)四點優(yōu)化，提高低速電動車正面碰撞安全性

本期周報將繼續(xù)圍繞碰撞安全議題進行相關(guān)技術(shù)保障探討。

側(cè)面是整車中強度較薄弱的部位，而且乘員與車門內(nèi)板之間一般只有20?30厘米的距離，這意味著車身側(cè)壁為側(cè)面碰撞提供的緩沖空間比正碰要小很多，提高車身側(cè)面碰撞能力的難度相對較高。這也是低速電動車標準草案中，側(cè)面碰撞測試一項引起廠家爭議的一大原因。本文從側(cè)面碰撞的載荷路徑傳遞進行分析，對側(cè)面結(jié)構(gòu)變形量及變形位置與人體傷害的對應(yīng)關(guān)系進行探討，提出了六點提高車身結(jié)構(gòu)側(cè)面抗撞性的優(yōu)化措施。

一、側(cè)碰試驗的技術(shù)要求及側(cè)碰中乘員損傷原因

我國《GB20071汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》標準中，對汽車側(cè)碰試驗技術(shù)要求是：試驗在駕駛員一側(cè)進行。在碰撞瞬間，被測車輛靜止于試驗地點，移動變形壁障與試驗車輛側(cè)面垂直，并垂直相撞。碰撞時的速度要求是，至少在碰撞前0.5m的范圍內(nèi)移動壁障要保持50±1km/h的速度。如圖1所示。

圖1 整車側(cè)面碰撞試驗

一般來說，車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時都會伴隨有兩個過程，即“一次碰撞”和“二次碰撞”?！耙淮闻鲎病笔侵杠囕v與障礙物之間發(fā)生的碰撞，而“二次碰撞”是指車內(nèi)司乘人員與乘坐室內(nèi)物體之間的碰撞。司乘人員在碰撞過程中受到損傷的主要原因可歸納為以下三點：

(1)一次碰撞過程過分劇烈，以致傳遞到司乘人員身上的加速度值超過了人體的耐受極限，使人體器官受到損傷；

(2)由于一次碰撞過分劇烈，致使司乘人員與車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)發(fā)生多次“二次碰撞”而受傷；

(3)在碰撞過程中，乘坐室變形太大，以致司乘人員缺乏生存空間而傷亡。

因為其中絕大部分的碰撞能量是由車體結(jié)構(gòu)來吸收的，所以“一次碰撞”的特性決定了車輛最基本的碰撞安全性能。

二、側(cè)向碰撞力的傳遞路徑及側(cè)向載荷路徑設(shè)計的關(guān)鍵點

整車發(fā)生側(cè)向碰撞后，碰撞產(chǎn)生的力的傳遞如圖2所示：

圖2 整車側(cè)向碰撞后力的傳遞失意圖

側(cè)向撞擊力傳遞的路徑大致有四種：

(1)車門所受側(cè)向撞擊力向車門框傳遞。如果車門內(nèi)布置了抗側(cè)撞梁，前門受到的側(cè)向撞擊力將主要被傳遞到鉸鏈柱和B柱；后門受到的側(cè)向撞擊力將主要被傳遞到B柱和C柱。

(2)鉸鏈柱側(cè)向力上端向下風(fēng)窗橫梁和儀表板安裝橫梁傳遞，下端向位于該處車身底部的橫向結(jié)構(gòu)梁傳遞。C柱受到側(cè)向力時，情況與此類似。

(3)對B柱向車內(nèi)變形的抵抗，主要來自其彎曲剛度和B柱上、下接頭的剛度。通過B柱上接頭，作用在B柱上的部分力通過車頂邊梁、車頂橫梁和相關(guān)的接頭結(jié)構(gòu)向非撞擊側(cè)傳遞。通過B柱下接頭，作用在B柱上的部分力被傳遞給門檻梁。

(4)作用在門檻梁上的側(cè)向力，一方面來自外部的直接撞擊；另一方面來自B柱的傳遞。門檻梁受到的側(cè)向力通過車身底部的橫向結(jié)構(gòu)被傳遞到非撞擊側(cè)。

側(cè)向載荷路徑的設(shè)計的關(guān)鍵點

由于發(fā)生側(cè)面碰撞時乘員艙允許的壓縮空間十分有限，所以車身結(jié)構(gòu)側(cè)面抗撞性設(shè)計應(yīng)以提高乘員艙剛度、減小乘員艙變形為主要目標。為了減小汽車側(cè)面受到撞擊后對乘員艙的侵入，在設(shè)計側(cè)向撞擊力在車身結(jié)構(gòu)中傳遞的路徑時，要注意如下幾點：

(1)乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對側(cè)向結(jié)構(gòu)向車內(nèi)的運動或變形起到了重要的抵抗作用。

(2)側(cè)圍結(jié)構(gòu)自身的剛度對其向車內(nèi)的運動或變形也起到了重要的作用。

(3)車門抗側(cè)撞梁和B柱將側(cè)向撞擊力分流給側(cè)圍框架，并經(jīng)乘員艙的橫向結(jié)構(gòu)傳遞到非撞擊側(cè)。如何將側(cè)圍結(jié)構(gòu)組織成一個剛性的整體，對于減小車門對乘員艙的侵入非常重要。

(4)采用類似3H形的加強方案車身結(jié)構(gòu)，有利于碰撞力的分流?！?H”是指在車身的底部、側(cè)面和頂部的骨架都呈現(xiàn)“H”形，并組成立體框架的設(shè)計，見圖3。

圖3 3H結(jié)構(gòu)示意圖

德國亞琛工業(yè)大學(xué)在2010年研究了25個車身部件在側(cè)碰中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)：在側(cè)面碰撞時B柱、車門防撞梁、地板橫梁、門檻梁等對側(cè)面碰撞安全的影響較大，各部件剛強度和安全性的相關(guān)性如圖4所示。

圖4 部件剛強度和側(cè)面碰撞的相關(guān)性

三、提高整車側(cè)碰安全性的主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計優(yōu)化建議

建議從六個車身結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化入手，提高低速電動車側(cè)碰的安全性：

(1)       車門：常規(guī)增加板厚的方法會使車重增加太多，更合理的方法是設(shè)置抗側(cè)撞梁，將車門受到的載荷分散給兩側(cè)的立柱，減小車門受撞擊區(qū)域的變形。如圖5中的Y型抗側(cè)撞梁，可以通過車門鉸鏈和門鎖的位置與車身結(jié)合為一體，有利于將車門所受的撞擊力有效地傳給兩側(cè)的立柱。

圖5 車門中抗側(cè)撞梁的布置

(2) B柱：當(dāng)車輛受到側(cè)面撞擊時，承受碰撞的部位一般是被撞側(cè)的車門或立柱，而對于大部分車輛來說，其遭受側(cè)面撞擊時側(cè)面幾乎沒有可以用于緩沖吸能的空間，因此對于車輛來說，理想的側(cè)面碰撞特性是車門和立柱具有足夠大的剛性，從而保證在受到撞擊后不發(fā)生大的變形，也就是說不會由于側(cè)面侵入車內(nèi)而對乘員造成損傷。

在考慮B柱對汽車側(cè)碰性能的影響方面時，應(yīng)該優(yōu)先考慮B柱具有足夠的剛性，同時考慮其受到撞擊后的變形模式，以求盡量減少B柱向車內(nèi)的侵入量并將變形位置放置到對人體傷害最輕的位置。圖6，是B柱側(cè)碰中可能發(fā)生的變形趨勢與人體位置的對應(yīng)圖：

圖6 B柱側(cè)向力變形的幾種可能的模式圖

模式a中B柱中部向內(nèi)侵入嚴重，大約處于人體的胸部位置；模式b中變形較大的部位集中在B柱的下部，大約處于人體的骨盆位置；模式c中變形主要集中在B柱的下部，其上部和中部的變形比較小，基本上是由下部帶動而產(chǎn)生的少量變形。模式c對于乘員的生存是最好的。該模式可以很好的將B柱因沖擊而產(chǎn)生的變形都轉(zhuǎn)移到B柱下端，從而可以有效的避免乘員頭胸部的損傷。

基于以上分析，B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議有以下兩點：

a、對于B柱來說，對其剛度的需求遠大于對其吸能性能的需求，因此B柱應(yīng)優(yōu)先采用高強度鋼材料。

b、通過前面的分析可知，B柱中段抵抗向車內(nèi)彎曲變形的彎曲剛度是非常重要的，這個剛度的設(shè)計要足夠大。同時為防止因局部進入塑性變形階段而產(chǎn)生塑性鉸，通常采取加強措施，圖7中B柱加強板的作用就在于此。

圖7 B柱加強板示意圖

(3)門檻梁：側(cè)撞的門檻梁的變形主要是向車內(nèi)側(cè)的彎曲變形。為防止種變形，門檻梁中部受到側(cè)向撞擊力后向車內(nèi)變形的彎曲剛度大小和分布很重要，增強措施包括增加承載面積、在梁內(nèi)增加加強板以及填充發(fā)泡樹脂等。

比如，可以把門檻加強板移至門檻外板內(nèi)側(cè)以便與其形成強度遞增的變形模式，同時充分利用門檻內(nèi)的潰縮空間，然后門檻加強板加長延伸至車輛前門鉸鏈柱下沿，使之與其搭接上，從而形成封閉的受力關(guān)系，并在與地板橫梁的連接處加上相應(yīng)的誘導(dǎo)槽來抵抗變形。

(4) 接頭結(jié)構(gòu)：為了防止出現(xiàn)鉸鏈效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)提高接頭結(jié)構(gòu)的剛度，以使側(cè)面撞擊載荷可以通過接頭結(jié)構(gòu)傳遞給其它主要承載結(jié)構(gòu)。

(5) 乘員艙底部橫向結(jié)構(gòu)：在側(cè)面碰撞中，乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對側(cè)圍結(jié)構(gòu)起到了支撐作用，其中起主要作用的是橫向的梁結(jié)構(gòu)，如頂蓋橫梁、前風(fēng)窗下橫梁、儀表板橫梁和地板橫梁等。從車身結(jié)構(gòu)抗側(cè)面碰撞設(shè)計要求的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)提高它們的剛度并防止其在受到軸向載荷時發(fā)生彎曲失穩(wěn)。

(6) 頂蓋橫梁：適當(dāng)加寬頂蓋橫梁與車頂邊梁的接觸連接面積，以增大部件受力的傳遞強度，保證車頂不發(fā)生向外的彎曲變形。

編者按：為凝聚新能源汽車行業(yè)的研究力量，發(fā)揮協(xié)作效應(yīng)，第一電動網(wǎng)建立特約研究員機制，邀請行業(yè)知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術(shù)、市場等領(lǐng)域，并定期推出【研究周報】，解析行業(yè)熱點問題。

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