汽车动态碰撞-汽车工程手册(德国版)

1.前碰撞

为检验前照灯、其他灯具和其他部件在前碰撞时的可能损伤和为保证重要部件（如底盘的运动件）的安全性，要进行汽车以很低的速度v对固定墙的碰撞试验和对保险杠的来回撞击试验。在美国有这样的法规要求，而在欧洲只有几个国家有强制要求。在很低速度碰撞时汽车损伤范围由汽车保险等级中的分级间接覆盖。这种试验较少从安全方面考虑，更多从修理成本考虑。碰撞速度达8km/h时不应出现残留的损伤。为确定修理损伤，要检验碰撞速度达16km/h时的情况。

在高碰撞速度时，必须通过汽车组件的变形最大程度降低两碰撞件的动能。在汽车与固定的、与汽车纵轴方向成90°的障碍物发生前碰撞时可得到图6.5-12中所表示的汽车减速度、速度和变形随时间变化的过程。碰撞时的反弹可从图上的负速度识别，表明这时汽车约有10%的弹性份额。汽车以50km/h速度对固定墙碰撞时，总的速度变化约为55km/h。由碰撞汽车传到障碍物上的力是这样测量的：安装在障碍物前的测量板可以测量在325mm×325mm大小面积上的变形力。在约1000kg重的乘用车以50km/h速度对固定墙碰撞时的最大单项力为128kN，再加上各个单项力后约为300kN的峰值力。图6.5-13为前碰撞时汽车前部各构件吸收能量的分布状况。

图6.5-12 前碰撞时减速度、速度和变形行程的基本变化情况

图6.5-13 在前碰撞时汽车前部各构件能量吸收的分布[18]

假设汽车与固定墙为弹性碰撞，则可用下列参数描述碰撞过程：

：在碰撞时的汽车减速度，它是时间的函数f（t）。

：在碰撞时的汽车速度，它是时间的函数f（t）。

：在碰撞时的位移，它是时间的函数f（t）。

F，分别为变形力和平均变形力。

v_i：碰撞速度。

Δ_v：碰撞速度变化。

进一步假定，变形力为常数，并设，s_FZ（t=0）=0，则可得

s_FZ（t）=-a·t+v_i

采用平均变形力F=m_FZ·a，则可从上述方程式中得到有用的关系式

由此可知，在前碰撞时变形力是不同的。汽车质量越大，F=m·a越大。这也适用于乘员的载荷（在相同的减速度时）。在对固定障碍物碰撞时的变形位移与碰撞速度有关，而与质量无关。在碰撞速度约50km/h时变形位移为450～750mm。在碰撞速度为35mph（≈56km/h）时变形位移约要增加100～150mm。

在对障碍物成30°前碰撞时的碰撞性能与汽车—汽车相互前碰撞时的碰撞性能十分相似；与对障碍物前碰撞相比，由于蠕变行程较早导致较低的承受载荷。与此相反，偏碰撞造成汽车构件的很大载荷。需要吸收的最大部分载荷必须由汽车侧面吸收。当时汽车重心的速度变化为Δv_x和Δv_y，它与汽车中心有关。

30°碰撞v_i≈50Δv_x≈57.6Δv_y≈14.4km/h

40%偏移碰撞v_i≈50Δv_x≈52.2Δv_y≈13.7km/h

在质量为m₁和m₂的两汽车前碰撞时有下面的关系式：

式中，u是汽车相撞后的共同速度：

在使用相对初始速度时

v_r=v_i1-v_i2 （3）

由方程式（1）、（2）得到两汽车的相对初始速度

这样汽车1和汽车2的速度变化分别为：(www.xing528.com)

经常讨论的问题是，在对固定墙前碰撞时应选择多大的速度，以模拟两辆初始速度完全一样（v_i1=v_i2）的汽车前碰撞；同样，所观察的这两辆汽车的速度变化也应该是一样的，即在对固定障碍物碰撞时速度变化Δv_1B应等于汽车—汽车碰撞时速度的变化Δv_1FZ。对弹性碰撞有下列关系式：

第一种情况（F_a11Ⅰ）与固定障碍物碰撞：

式中，m₂为固定障碍物质量，m₂=∞；v_i2为固定障碍物速度，v_i2=0。

Δv_1B=v_i1 （8）

第二种情况（FallⅡ）与另一辆汽车碰撞：

式中，m₂=m₁=m；v_i2=-v_i1；Δv_1FZ=v_i1。

这样，汽车以v_i1速度与障碍物碰撞等于与另一汽车碰撞。在汽车—汽车碰撞时，每辆汽车有一个相向速度v_i1或一辆汽车以2v_i1的速度碰撞在停止的汽车上。汽车与固定障碍物以50km/h速度碰撞，前提是弹性碰撞，其碰撞结果与质量相同、相对速度为100km/h的两辆汽车相互碰撞的结果一样。但要考虑在与障碍物碰撞时的弹性状况，这样相对碰撞速度约为110km/h。在正常情况下，在汽车与固定障碍物碰撞时，由于构件的弹性出现回弹时等价的试验速度约要比实际交通事故中的速度低10%。

汽车前碰撞的各种试验方法见图6.5-14。

图6.5-14 前碰撞的各种试验方法

2.侧向碰撞

侧向碰撞还有模拟方法：

1）对2004年9月前生产的汽车，一个刚性障碍物（重1814kg）成90°驶向被试汽车侧面。规范是燃料系统的密封性，见7.6节。

2）按美国FMVSS 214标准，一个重1361kg、成偏斜状的运动障碍物以54km/h速度撞向被试汽车侧面^[19]。

3）25.4cm直径的路桩成75°或90°撞到被试汽车侧面，碰撞速度按FMVSS 201标准为29km/h，按FMVSS 214标准为32km/h。

4）按96/27/EEC标准^[20]碰撞运动的障碍物。障碍物成90°驶向被试汽车侧面。障碍物重950kg。障碍物前部设计成可变形的。法规要求的碰撞速度为50km/h。

5）高速公路安全保险研究所（IIHS—Insurance Institute for Highway）定义了其他的侧向碰撞。在侧向碰撞试验时应改善轻型载货车、多功能运动车（SUV）和乘用车之间的兼容性。

3.车尾碰撞

对车尾碰撞有不少法规要求。在ECE R34中定义的障碍物以38km/h和50km/h速度驶向停着的被试汽车尾部。为试验燃料箱系统，按FMVSS 301规定，障碍物重量为1841kg，碰撞速度约为50km/h。自2006年年中起要按FMVSS 301标准进一步试验。1350kg重的、可变形的障碍物以80km/h速度偏移地驶向汽车尾部。主要的规范是燃料系统的密封性^[19]。

4.汽车翻滚

汽车翻滚在美国又受到特别重视。下面是有关的一些重要试验方法：利用一个“伏虎（即体育运动的回转环）”转动汽车，在90°方向对汽车前部、侧面和尾部碰撞，检验燃料系统的密封性（在每个位置停留5min）。为检查燃料流出状况，在燃料箱和活性炭罐之间的燃料管上安装重力阀。重力阀在倾斜位置闭锁（见7.6节）。

与检验乘员在交通事故中的状况相关，要进行汽车的动态翻滚试验。将汽车放在23°的滑板上。利用精确定义的减速度将滑板在30mile/h（≈48.3km/h）速度时制动，汽车则多次翻滚，如图6.5-15所示。有趣的是与汽车前碰撞和侧面碰撞不同，这种翻滚是动态的、非常缓慢的过程，持续多达几秒钟时间，这种翻滚在乘员系好安全带和保存车内存活空间的条件下，乘员有很高的存活机会且不会受伤。

图6.5-15 汽车翻滚试验的运动过程

从NHTSA方面，应该强化与翻滚有重大关系的准静态法规FMVSS 214、206、216，并为头侧安全气囊制订一个“安全室试验（Containment-Test）”。这时标准中要删除针对点燃的头部安全气囊的头部形状条款^[21]。

5.车身

受设计条件限制的现代紧凑型汽车的变形范围要求变形件具有尽量高的单位体积能量吸收能力，而力—时间变化过程尽可能不变。一些解决方案是：折叠式隆起件、翻口变形、改变动力装置布置、稳固的横向连接（动力装置下沉）。

在交通事故时为使破碎的风窗玻璃留在框架内，采用粘贴的复合风扇玻璃。

为满足法规没有包含的要求，在发生重大交通事故后仍能不费劲地打开车门，门锁的设计是关键。车门锁应保证在限定的相对运动发生错位时仍应完整地留在汽车纵向方向和开启机构不应失效。在侧向碰撞时除了坚固的A柱、B柱构件和侧面加强外，柱子间的横向支撑要稳固。为此，通过座椅横梁和其他的横向部位加固（如仪表板下部或汽车后部范围）达到必要的强度（见6.1.1小节）。