汽车车身结构安全性设计理念

决定车身结构的碰撞特性主要有两方面的因素，即车身结构的能量吸收特性和坚固的坐舱结构，设计中应采用相应的结构措施给予实现。而不论是承载式车身还是有车架势车身，车身结构的能量吸收特性都取决于其主要结构件的设计，主要承载结构件如图6-11所示。车身结构碰撞安全性实际上就是车身结构承受碰撞的能力、变形模式以及吸收碰撞能量等综合能力的体现。良好的车身结构碰撞安全性，意味着在一定的变形模式下结构应能承受较大的撞击载荷，并吸收较多的碰撞能量，使结构的变形向有利于保护乘员生存空间的方向发展，使乘员所受到的冲击损伤符合有关的法规要求。

图6-11 主要承载结构件

应该指出的是，安全坐舱的结构不仅要考虑车身前部和后部的碰撞特性，以及座舱的强度要求，而且还应考虑车辆正面碰撞时转向盘的向后移动量、车辆后面碰撞时造成燃料系统泄漏等对安全不利的因素，即对车身各部分的变形量都应给予控制。

从整个车辆的构成来看，发动机、变速器、悬架等总成质量较大，刚度较大，不易产生变形，在车辆碰撞中承受并传递冲击能量。因此，设计中应分析它们的布置形式及位置、安装结构等，这对车身的碰撞特性有着很大的影响。

汽车发生碰撞会导致乘员与车内部件的碰撞。汽车与其他物体发生的碰撞称为一次碰撞，乘员与车内部件的碰撞称为二次碰撞。除了车内应采取对乘员二次碰撞的约束与保护措施，如设置安全带、安全气囊等以外，车身结构缓冲和吸能措施也是碰撞安全性设计的关键技术。

汽车碰撞安全性与车身结构的强度有直接的关系。一般来说，车身结构的强度越高，安全性越好。但是具有足够承载强度的车身并不能充分保证车辆碰撞时乘员或交通参与者的安全性。因为对于车身结构的碰撞安全性来说，一方面必须要求座舱（乘员部分）应有很高的强度，以保证碰撞过程中乘员具有足够的生存空间；另一方面，座舱以外的部分还应具有柔性结构，以便在碰撞过程中尽可能多地吸收碰撞能量，减少残余碰撞能量对乘员造成的伤害。这就是车身结构碰撞安全性设计的基本思想——“安全座舱结构”。即用车身的前、后溃缩部分可因撞车而产生的变形，有效地吸收碰撞能量；而座舱设计得十分坚固，以确保乘员的生存空间，如图6-12所示。另外，被动安全性还涉及对车内凸出物的限制和对乘员的约束与保护系统，以减少乘员在二次碰撞中的伤亡。

图6-12 安全座舱结构

1.车身结构与耐撞性设计分析

车身耐撞性设计的核心内容就是合理组织车身结构各部分的刚度。因此，可以将车身耐撞性设计的主要内容分为以下3个方面。

（1）车身结构刚度对汽车的平顺性、操纵性、耐久性和被动安全性等很多重要性能都有影响，因此，进行车身结构刚度设计时，应当综合考虑它们的要求。但是，此处仅从被动安全性角度阐述车身的刚度组织。

车身结构刚度组织是从各种碰撞形式中乘员保护的角度出发，考虑到车身结构的特点，合理布置车身的主要承载结构（如主要的梁形结构和接头结构），并合理配置它们的刚度。

根据车身耐撞性设计的基本原则，车身结构刚度组织主要包括两项内容。

①合理组织结构的吸能，就是将吸能要求合理地分解为对相应吸能部件的要求。考虑到车身结构的特点，车身前后部分各结构的吸能能力是不一样的。因此，要求在理解各部分结构特点的基础上，区分它们在吸能能力上的不同，使主要吸能部件吸收主要的碰撞动能，次要吸能部件少量吸能，并使尽可能多的结构参与吸能，以提高材料的使用效率。

②合理组织碰撞载荷的传递，即合理设计碰撞载荷的传递路径。这部分工作主要应以满足如下要求为目的：减小乘员舱的变形或对乘员舱的侵入；为吸能结构提供牢固、稳定的支撑，保证吸能部件吸能能力的实现；使承载能力强的部件分担较多的载荷，承载能力弱的部件分担少量的载荷；使尽可能多的结构部件参与载荷的传递，以提高材料的使用效率。

（2）车身结构刚性设计的目的是减小乘员舱在各种碰撞形式中的变形，保证乘员的生存空间。其主要工作是在车身结构刚度组织设计完成后，进行主要梁形结构和接头结构的设计，在满足重量约束的条件下，达到在刚度组织中对部件刚度特性提出的要求，进而满足乘员舱的刚度要求。

（3）车身结构吸能设计在正面和后面碰撞中，允许通过车身前部或后部结构的变形来缓冲撞击，并减小碰撞过程中车身的减速度。如何在车身前部或后部结构允许变形区有限的情况下很好地完成这一任务，就是车身结构吸能设计要完成的工作。

如何由结构设计参与实现法规要求，通过多年的研究与实践，已逐步探索出应对不同碰撞形式下的理想碰撞特性，并形成了基本的设计模式。

2.纵向碰撞理想特性和安全设计

目前，轿车车身通常是承载式车身，在车身结构中存在着许多薄壁梁形的结构，它们一般是由薄板件经点焊连接后形成的，其截面有封闭的，也有不封闭的。薄壁梁形结构相交汇接头部位的特性对车身结构的性能有较大的影响。除此之外，车身结构中还存在大量的板壳结构，如车门内板、车门外板、发动机舱盖、行李箱箱盖、顶盖、翼子板等。研究表明，车身结构的耐撞性主要是由薄壁梁形结构和接头组成的框架结构决定的，它们在碰撞过程中吸收大部分的碰撞动能，为乘员舱提供大部分的刚性。

将车身结构分为乘员安全区和缓冲吸能区的两类区域设计模式，如图6-13所示。车身的乘坐舱应有足够的刚度，不允许发生大的碰撞变形，以保证乘员有足够的生存空间。此外，发动机、变速器等刚性部件不得因碰撞而侵入驾驶区，转向柱、转向盘以及一些操纵机构的碰撞位移不得威胁乘员的安全；碰撞后车门仍旧能正常开启，以确保营救乘员。乘坐舱以外的车身前部结构和后部结构，在前后碰撞时允许有较大的变形，以便合理地吸收撞击能量，使得作用于乘员身体上的力和加速度不超过规定的人体忍耐极限。

图6-13 车身结构的碰撞安全区和缓冲吸能区

因正面碰撞事故的车速一般都高于追尾碰撞，所以对于车身前部结构的设计尤为重要。主要分为3个部分：低速碰撞与行人保护区、碰撞能量吸收区和自我保护区，如图6-14所示。对于A区的要求是在低于15 km/h的车速下，能保证车头零部件尽可能不发生损坏。车头几何形状和尺寸能保证与行人碰撞时，行人的头部落在发动机罩中央部分，最大限度地降低伤亡程度。对于B区的要求是零部件刚度相对较低，在发生正面碰撞过程中，尽可能多地吸收碰撞能量，以使作用于乘员的惯性力减少，降低乘员在二次碰撞中的伤害程度。对于C区的要求是零部件刚度相对增大，以抵御正面碰撞过程中发动机等大质量总成向乘坐舱内地侵入，保证乘员有足够的生存空间。

图6-14 车身前部安全结构设计要求

图6-15显示了一辆丰田车的前后碰撞时的力流方向和变形位置（箭头为力流方向，圆圈为主要变形部位）。

图6-15 丰田车碰撞时的力流方向和变形位置

为此，车辆前碰撞的理想特性曲线应如图6-16所示。图中表示了在碰撞中车头的3个变形吸能区段。第1区段表示的是低速碰撞，其车辆的变形及变形力值都应比较小，以利于保护行人和车辆；第2区段为相容区，变形力值应均匀，即在中速碰撞过程中能量比较均匀地被吸收，尽量降低撞击加速度峰值；第3区段表示在高速碰撞时，使汽车乘员室具有自身保护能力，车身结构在这个区段应有较大的刚度，从悬架到车身前围板之间的变形力值急剧上升，阻止变形扩展到乘员室；而且要求在这个碰撞过程中，必须通过相应的结构措施使汽车动力总成向下移动而不致挤入乘员室。

图6-16 车辆前碰撞的理想特性曲线

为了实现图6-16中第1区段的特性，保护行人的碰撞安全，需采用吸能材料的保险杠和软质发动机罩。但这同时必须使发动机罩与舱内的硬质部件保持一定的空间（一般约为10cm）；其他措施如风窗玻璃采用软支承和玻璃刮水器采用埋入式安装等。随着行人保护法规融入汽车开发流程，将导致目前汽车设计相应的变化，特别是造型和总布置的变化。

在汽车正碰撞的总动能中，车身前部结构吸收的能量约占80%，驱动部件和车身前围板各占约10%。车身前部结构吸收的能量，约有70%分配给纵梁，25%分配给轮罩，5%分配给翼子板、发动机罩等。因此，为了实现图中第2区段的特性，前纵梁应在能正常发挥支撑和承载作用的前提下，设计成吸能变形模式。

对于吸能装置有如下要求。

（1）碰撞动能应尽量不可逆地转换成变形能，对于金属梁主要转换成塑性变形能。

（2）在碰撞过程中，能量吸收结构的变形模式应当稳定，具有可重复性和可靠性，即吸能结构在随机的碰撞事件中能以相对固定的模式吸收碰撞能量。

（3）在能量吸收的过程中应能够控制质心加速度以保护乘员的安全，将加速度引起的惯性力过载控制在人体伤害极限范围内。

（4）为了吸收更多的总动能，吸能结构应能提供足够长的变形行程，而且在变形前不占据过大的空间，变形后不造成次生破坏（例如侵穿或碎片飞裂等）。

（5）由于节能等要求，装置在汽车上的能量吸收结构应该质量较轻，具有良好的“比吸能”，即单位质量所吸收的能量较高。

（6）能量吸收装置通常是一次性使用结构，应该成本低廉，易于制造和更换。

经验表明，当薄壁直梁的某部位相对其他部位较弱时，轴向碰撞力就会首先使弱化部位触发局部屈曲；屈曲面继续变形，在梁的棱边产生应力集中，该应力集中点与屈曲波的半波长相对应；当载荷达到最大值时，梁边开始屈服，于是梁按刚才屈曲波模式产生折叠压塌失效。接着产生下一个屈曲和屈服。由于第一个局部屈曲的影响，相继的屈曲平面产生的波较小，相继的载荷峰值也将减小，如此能量被逐步吸收。因此，根据吸能机理，设计师采用了“预变形技术”，即设计时预先使结构的某些部位，如图6-17中的2所指区段（一般长度为50～80 cm），用图6-17右下所示方法弱化某些截面。

另一种方法是将纵梁预弯曲（见图6-17右上），并削弱弯曲部位的内凹陷处，如图6-17中的3所指，或加强外凸起处，则碰撞时构件发生进一步弯曲变形，变形的方向和程度决定于设计的引导。但采用这种弯曲吸能的方法时，如果设计不当（弯曲过早），会使区段2结构的折叠变形压缩特性丧失，很快结束吸能过程。

图6-17 纵梁的变形

对于后碰撞，其理想的碰撞特性与前部相似，但一般相对碰撞速度较低，且由于行李箱和后部车身纵梁等可构成一个吸能空间，所以后部吸能设计比前部更容易些；其吸能能力主要与构件的截面形状和尺寸大小、板料厚度的选择等有关。但要注意后悬架支承处（后轮罩）局部刚性的加强。

3.侧面碰撞的安全设计

当汽车受到侧面碰撞时，受到撞击的部位一般是车门或立柱。由于车门、立柱与乘员之间的空间很小，在乘员胯点水平面上，内板允许凹陷量最多也只有300 mm左右（见图6-18），而在正面碰撞中这种变形吸能的位移可达80 cm左右。此外，乘员在侧面碰撞的受伤机理也是与在正面碰撞中不同的。正是因为汽车的侧面碰撞与正面碰撞相比具有很大的差异性，所以在汽车正面研究碰撞中获得的经验便不能完全套用于侧面碰撞研究。

图6-18 轿车以50km/h车速侧碰撞的变形

因此，侧面碰撞的理想特性只能是要求侧面结构有足够大的刚性，确保车门和立柱不发生大的变形，加强B柱的铰链柱刚度及其与门槛的接头刚度尤其重要。此外，车门设置抗撞梁，地板下面设置横梁，加大门槛梁，车门下边缘与门槛重叠以加强车门的支承等，使门槛梁和地板能更好地起到承受侧向力和吸能的作用。

汽车侧面碰撞的复杂性是由许多因素所决定的，其中主要的因素有：参与碰撞车辆各自的质量、结构刚度和结构几何形状等，撞击位置和撞击角度，撞击速度，乘员就座情况，乘坐舱构造；约束系统的使用等。要弄清楚这些因素在汽车侧面碰撞中对乘员受载的影响，以往就得求助于大量的试验研究。

现在我们以典型的两车垂直侧面碰撞过程为考察对象，分析碰撞参与车各个结构件和乘员的运动响应情况。如图6-19所示为与碰撞相关的汽车主要构件和乘员的示意图以及它们的简化力学模型。

图6-19 侧面碰撞结构模型

0—受撞车对侧 1—乘员 2—车门内饰件 3—车门内板 4—车门外板 5—主撞车保险杠 6—A柱下端

为了简化分析，假设各结构件和车门内饰件的受力—变形曲线为完全塑性的，并且不考虑各结构系统的振动影响。这样所得到的加速度响应a=f（t）和位移响应s=f（t）会与实际情况有所偏差，但这并不妨碍研究问题的主要方面，运用这样的简化模型完全可以对汽车侧面碰撞情况进行定性的分析。图6-20表示的是各构件和乘员的速度—时间曲线。

图6-20 各构件和乘员的速度—时间曲线

当主动撞击车以速度υ0垂直撞向一静止车的侧面时，车门外板4经极短的时间后便与主撞车保险杠5具有相同的速度，车门内板3在时刻t2达到与主撞车保险杠5同样的速度。乘员1与车门内饰件2在时刻t1开始接触。在时刻t2车门与乘员1之间的相对速度达到最大，其值大于受撞车的总变化速度。乘员1受车门内饰件的作用而加速。乘员1与主撞车保险杠5在时刻t3达共同速度，侧面结构的变形过程在时刻t4的结束，这时已不再存在可变形空间（如座椅已闭锁）。直到时刻t 5乘员和各结构件才达共同速度。

从上面的分析也可看出，撞击车在碰撞过程中的动能损失除一部分转化为受撞击车的动能以外，其余的部分则为各结构部件和乘员所吸收。实际研究表明，49%～57%的碰撞能量被受撞车的侧面结构所吸收，5%～10%的能量为撞击车的前部结构所吸收，29%～35%的能量转化为受撞车的动能。要减轻碰撞对乘员的伤害，就得采取适当的措施，尽量减少乘员所吸收的能量。

在汽车的侧面碰撞中，由于乘员与车门之间的距离较小，对乘员采取特殊的保护的可能性便受到限制。这里可以考虑的侧面安全性措施主要涉及两个因素：一个是车身的侧面刚度，另一个是车门内饰件。

首先我们来分析一下关于上述两个因素的两个设计极限情况。这里仍然采用上节所用的碰撞分析模型进行分析。在第一种设计极限情况中，受撞车的侧面刚度相对较小且车门内饰件较薄，各结构件和乘员的速度变化情况如图6-21（a）所示；在第二种设计极限情况中，受撞车的侧面刚度相对较大且能够吸能的车门内饰件较厚，各结构件和乘员的速度变化情况如图6-21（b）所示。

图6-21 两种设计极限比较

在第一种设计极限情况下，乘员与车门内饰件之间的空隙相对较大。而较大的间隙则意味着乘员在侧碰中将要承受较高的冲击载荷。当车门内饰件在时刻t2完全变形时，乘员便被突然加速到与撞击车前部结构5相同的速度，而这个速度因为受撞车的侧面结构能量吸收能力小（侧面刚度小）还未被明显降下来。

在第二种设计极限情况下，乘员由于较厚的车门内饰件的保护和自身与车门内侧之间较小的相对速度作用而受载小，大部分的撞击能量因为受撞车侧面刚度的提高而预先转化为了变形功。车门内饰件的作用也进一步降低了乘员的受载。

图6-22表明了汽车结构设计中所有在侧面碰撞时对汽车司机和乘员安全有影响的因素。

图6-22 对侧面碰撞时汽车司机和乘员安全影响的因素

在具体的汽车设计中，可以据此通过许多措施来提高汽车的侧面刚度，如采用合适的门槛梁、立柱结构，增加车门防撞杆，在仪表板后面或后座椅下面增加侧向加强梁等。对于侧面车门内饰件来说，其能量吸收特性必须适当，而其厚度的增加同时也会影响乘员的自由空间，因此必须进行优化。(www.xing528.com)

不论采取何种措施，在具体车型开发中都应全面考虑实现这些措施的空间布置可能性、工艺可能性、重量影响、成本因素等诸多方面。

最后值得提出的是，从碰撞相容性的观点来看，软化汽车的前部结构，即降低汽车前部结构的刚度，也是改善汽车侧面安全性的一个可以考虑的措施。这从整个侧面碰撞参与车辆系统的层次上来说是与提高汽车侧面结构的刚度相统一的。

4.基于传统安全理念的典型轿车的耐碰撞试验设计

汽车行驶中的安全性意义的重要性不言而喻，为保护车内乘客和车外交通参与者，在长期的设计实验中积累了很多安全性设计经验，对此，各国已有相应的汽车法规。因此，着手设计一辆轿车时，满足这些法规的要求，是首先应考虑的。

当汽车受低速碰撞时，车身设计要注意降低修理费用及使汽车的损害最小。以1992年上市的一种典型轿车的设计为例，为使乘客有最优化的碰撞保护，车辆耐撞性设计特点如下。

（1）乘客有安全带及安全气囊等保护装置。

（2）高强度及高刚度的轿车乘坐舱设计，能经受多个方向碰撞。

（3）车身前部及后部配置大的碰撞变形区域，以吸收大部分碰撞能量。

（4）车身地板及车门具有碰撞承载结构，以便传递其余的碰撞能量。

（5）车身前部有高强度的横向连接件，以便承受正面的碰撞能量。

（6）车门有极坚固的防撞支架，可传递侧面撞击的能量。

（7）顶盖处采用多层壳体、加强壳体及车顶框架结构，以承受顶盖碰撞。

（8）客厢内的构件尽可能表面光滑及松软。

（9）轿车纵向结构从前面至客厢的变形阻力逐渐增大，以避免或减少汽车的碰撞损害，降低修理费用。

（10）受各方面碰撞后，将起火燃烧的可能性降低到最低甚至没有。这是近年来被动安全性要求的重大变化，即注意车内油箱输油管等易燃物的安全配置及密封。

（11）当正面承受速度为55 km/h或后面承受碰撞车（净质量为1600 kg）速度为50 km/h的碰撞后，保证车内乘客无伤害，车门能自由打开。

（12）侧面承受速度为50 km/h的碰撞试验车的碰撞后，保证车内乘客无伤害。车身上加强措施有：车门内添横向防撞管，座椅支承面的地板下添横向防撞梁，增加座椅的侧向受压刚性；增加A柱、中柱及后柱的强度，改进它们的横截面形状，如制成双层壳形的立柱，以便提高抗弯刚度，增加顶盖框架的撕裂强度等。

（13）汽车纵向无论从头部至客厢或尾部至客厢，车身结构上的受压刚度逐渐变大；即考虑纵梁在接受碰撞能量时，从车身头部至客厢或车身尾部至客厢，纵梁截面是逐渐呈线性增大的，或在靠近客厢处焊接加强板。

（14）车身本体后部经净质量为1000 kg的碰撞试验车以车速度为15 km/h和40%覆盖面的碰撞试验，除了车身本体后部零件外，其他车身本体零件不需要再更换，使修理价格便宜。

5.基于现代安全性理念的典型轿车的耐碰撞设计

自1995年后，基于碰撞能量最大吸收的汽车车身三段式安全性设计的理念，普遍应用于汽车安全性设计，即车辆必须给予人最大可能的安全性，将事故中对人造成的伤害降至最小。它是集设计经验、汽车碰撞、计算机模拟及试验和生理力学等方面分析，得出对新轿车的重要要求，使乘客有最优的保护。不但考虑自身车内的乘客安全，还要顾及对方车内的乘客安全，或是车外交通参与者的安全，使碰撞双方都有安全性。换句话说，就是在发生碰撞时，应该让车头及车尾尽量吸收碰撞能量（就是破坏变形），让乘客受到较小的冲击，乘客的存活空间要尽量保持完整（驾驶舱不变形，车门可以打开）。这里再以一辆1995年生产的典型轿车为例，除了与上述第一种典型轿车类似的设计特点外，它还另有如下设计特点。

（1）车身前部相对软的碰撞变形特性，即使碰撞力不大，如和小型轿车碰撞，也会发生变形，从而增加小型轿车内乘客的安全性。

（2）碰撞力主要作用于车内乘客的安全带卷缩、保持系统，使作用于乘客身体上的力及加速度降至最小。安置人体骨盆处的安全带，要充分考虑生理力学原理，使受力优化。在车门处装置容积为14L的侧面安全气囊，增加侧面安全性。

（3）刮水器几乎完全被发动机罩遮盖。

（4）车身本体碰撞承载结构采用轻量化设计。由于考虑受力优化，40%的结构应用高强度钢，与过去相同的车型相比，强度提高了3倍，所采用的各种高强度钢有：ZSTE180BH、ZSTE220BH、ZSTE260BH及ZSTE300BH（德国牌号）。

（5）采用先进成型方法制成的A柱，提高了强度及刚度。

（6）前围板内及转向盘立柱用螺纹加强管连接，增加它们承受正面碰撞的能力。

（7）车辆受到最恶劣的正面碰撞时，速度为64 km/h，重叠率40%，使车内乘客不致受伤。

（8）为了使车辆碰撞后不引起燃烧，燃油系统采用密封性良好的材料。车辆发生碰撞时，即使发动机与车身间有较大的相对运动时，燃油系统仍能密封，不致使燃油泄漏引起火灾。

（9）自1997年起，增添顶盖内保护头部的安全气囊。

（10）门内的防撞杆由高强度铝合金制成。

6.基于行人保护的耐碰撞设计

如前所述，在汽车车身安全性设计中，还要考虑对车外交通参与者的安全性，比如人、骑自行车人和摩托车驾乘者等。而这些交通参与者在与汽车发生碰撞时，更是处于弱势，对他们的保护，是对车身设计的又一大挑战。根据汽车撞行人的过程特征可知，前保险杠首先撞击行人小腿，因重心较高，行人倒向发动机罩或风窗玻璃处，之后还会因速度被抛起再落地。所以，行人保护设计特点有以下几方面。

（1）设计有利于行人保护的车身造型，并通过造型来减小碰撞测试区域，例如前保险杠下端向前凸出，可以减小小腿碰撞时的剪切位移；或像BMW5和BMW6那样采用圆滑的头部造型，头灯布置在测试区之外，后移锁扣、锁扣加强板、散热器上横梁的位置，降低接触刚度，增大变形空间。

（2）在碰撞区域内（如图6-23所示的参考线围成的头部碰撞区），保留足够的变形、吸能空间。

（3）硬质零件、特征（如车灯、分缝线）等危险点尽可能布置在测试区之外，如图6-23所示。

图6-23 碰撞区域和危险点

（4）发动机罩铰链的强度通过壁厚来保证，采用折弯、开孔等诱导变形结构如图6-24（a）、图6-24（b）所示，增强其变形吸能能力，加长铰链臂，使铰点避开头部测试区域；如果铰链位于头部碰撞测试区内，则铰链的设计与安装应保证有足够的变形空间（自由变形空间十可压溃空间）。并且可以在铰链上加安全销，当撞击力达到一定值时，销被剪断，这样铰链则可以绕另一安装轴转动，从而可以提供一部分空间。

图6-24 基于行人保护的发动机罩铰链的设计

（5）发动机罩外板设计需将前参考线避开头灯，发动机罩盖锁柱与车灯支架横梁在WAD1000线前；后参考线避开发动机罩盖铰链、雨刮器转动轴；侧参考线，位于发动机罩盖翼子板分割线外侧。

（6）发动机罩内板设计需要通过增加加强筋数量或其他均匀结构设计使刚度均匀分布，各同向加强筋之间尽量保持平行，凹槽（或孔）成线性排列，尽量避免出现容易造成刚度不均匀的“马蹄形”孔。孔（或凹槽）的布置应考虑前舱内硬点，如空气滤清器或蓄电池等的位置，保证最大的可变形空间，并且内板加强筋本身也应当设计成易于变形的形状。

（7）前保险杠中的小腿防撞件（泡沫或结构）应覆盖整个测试区域，中心高度与小腿关节中心平齐，有足够的厚度，达到最佳吸能效果。根据宽度、高度来优化保险杠的刚度和结构，合理分配冲击力。

前保险杠的小腿支承件应覆盖整个测试区域，高度应位于下腿部质心下方，刚度与保险杠泡沫刚度合理匹配。

7.乘员约束与保护系统

乘员约束与保护系统主要包括安全座椅、安全带、安全气囊、可溃式转向管柱、可溃式踏板等装置，所起的作用就是人为地控制与约束乘员在碰撞过程中的运动响应，用各种保护装置尽可能地降低伤害。

（1）安全座椅

随着科技的进步，汽车的设计和研究也越来越细密和人性化。汽车座椅的安全研究就是其一。不仅座椅的外观必须具有吸引力，一定要让人赏心悦目；而且应符合最严格的安全和人机工程效应标准，使它的设计能适应各种身材和高度的男女驾车人，并且无论短途还是长途旅行时都十分舒适。因此，座椅的科技含量、人机工程效应、安全以及美观同时备受关注，应借助于图纸、模拟样品、撞击试验的结果、强度试验的结果等资料设计并制造，以确保座椅的舒适性、耐振性、安全性、多样性和多功能性。

出于安全性的要求，座椅结构由坚固的骨架和柔软的坐垫组成。骨架主要是承载人体重量和碰撞过程中的动载荷；坐垫的形状需要按照包裹人体表面形状设计，并且保证在受到惯性作用时人体不易滑下座椅。

出于增强安全性的考虑，很多座椅，特别是前排座椅，还配置了安全带、翼侧安全气囊、颈椎保护装置、安全头枕和座椅固定装置等设施。其中，丰田公司研制的“WIL概念座椅”以及VOLVO公司开发的“主动式安全座椅”，都极大地提高了行车的安全性。

“WIL”就是英文“whiplash Injury Lessening”的缩写，即“挥鞭伤减轻”之意，这是一个医学术语。据专家介绍，在交通事故所引发的人身伤害中，有七成包含有颈椎损伤。特别是常发生的追尾撞击事故就是造成颈椎受伤害的主要元凶之一，当一辆汽车遭到行驶在后面的另一辆车撞击时，人体上半身的激烈运动会使相对脆弱的颈部造成严重扭伤，即医学上所称的“挥鞭式损伤”，这种损伤会引起颈椎功能混乱，产生剧烈的颈部和头部疼痛，而且往往成为慢性疾病，给人们带来生理上和心理上的痛苦。丰田和VOLVO的这两种安全座椅都是为了减轻这种颈部伤害而设计的。其设计原理就是在碰撞发生时对整个脊椎和头部提供同步安全支撑。通过新颖的靠背工程结构和头枕设计，有效地维持颈椎和座椅之间的角度，使头部和脊椎拥有妥善的承托保护。当追尾发生时，靠背会提高身体与座椅的吻合度，同时头枕也相对前移，缩短头部和头枕的距离，缓解颈椎摆动幅度，从而避免给颈椎带来的伤害。同时，还可配备“预紧三点式限力式安全带”，在发生碰撞时，预紧装置会瞬间将安全带收紧，将乘客固定在座位上，当安全带的收紧力达到上限时，限力装置就会自动发生作用，安全带将自动放松，缓解对乘客胸部可能造成的伤害。

（2）安全带

安全带是20世纪50年代开始作为选装件装备汽车的，但直到现在，它仍然是最基本的乘员保护装置。它的作用在于能够在正面碰撞、追尾碰撞、斜角碰撞以及翻车事故发生时防止乘员从座位上被甩出，帮助乘员减少受伤的风险。

现在，在安全带的设计过程中引入了许多先进技术，从而使今天的工程师能够根据车辆的构造对安全带系统进行设计。安全带系统的重要部分——安全带收缩装置总成，可以根据车辆的设计而有不同的变形。安全带收缩装置的首要目的是发生碰撞或强烈制动的过程中将安全带锁紧在恰当的位置，在不使用安全带时储存安全带。根据车辆的设计，还可以增加一些附加的功能，以增强性能或提高便利性。例如，紧急锁紧装置，在正常的驾驶过程中，安全带的紧急锁紧式伸缩装置允许安全带随着乘员一起小幅移动，从而使安全带的使用能够紧贴合身，而且舒适。当车辆紧急减速时，伸缩卷筒锁止，从而使卷绕在卷筒上的安全带也锁止。

（3）安全气囊

安全带是最基本的乘员保护装置，但为了更好地提高对乘员的保护效果，汽车工程师们又为安全带配备了一种补充装置——安全气囊，从而大大降低了中等至严重正面碰撞时乘员受伤的风险。

安全气囊的结构主要由传感器、气体发生器、气囊系统三大部分组成，它只能在足够大的减速度的碰撞中爆发（充气），而且只能使用一次，不能重复使用。传感器检测汽车发生碰撞时的车速、冲击参数；气体发生器根据传感器指令释放高压气体，或引爆固体燃料，瞬时产生高压氮气或氩气并迅速向气囊充气，使气囊膨胀，从而达到保护乘员的目的。另外，安全气囊还有一些排气孔，使安全气囊撞到乘员时压力有所减小，以达到缓冲效果。安全气囊的设计是在发生前面撞车事故时避免乘员的头部、颈部和胸部强烈撞击在仪表盘、转向盘或风窗玻璃上。在遇到后面碰撞、翻车或大多数侧面碰撞的情况下，它不会被引发。安全气囊的触发条件等同于一辆车以13～23 km/h的速度撞在坚硬的墙壁上。

大多数安全气囊系统都在车辆的前端附近装备一个或更多的传感器，在乘坐舱附近安装“安全”传感器。前端传感器和安全传感器必须同步对引发安全气囊的碰撞进行检测，这样，就能防止由于轻微碰撞引发不必要的安全气囊爆发。在传感器的内侧，一个镀金的钢球被磁性物质吸附在一个短管尾端的适当位置。在正面碰撞中，钢球挣脱磁性束缚并沿着管路向两个电触点移动。如果碰撞达到足够的强度，给钢球以足够的能量达到触点，则构成引发回路，安全气囊被引发。可以说，车用安全气囊是新近发展起来的最有效的被动安全装置，在碰撞事故中显示出对乘员的巨大的保护功效。据美国有关部门统计，自20世纪80年代后期引用安全气囊到1997年11月1日，安全气囊已经挽救了2620人的生命。可以预测，随着安全气囊的应用越来越普遍，它将挽救更多人的生命。

车上配置的安全气囊分为正面碰撞驾驶员气囊和副驾驶座气囊，它们因为两位乘员的乘坐位置不同，而大小和形状各异；侧面安全气囊，它们因为需要保护的部位不同而又分为侧面头部保护气帘、胸腹部气囊和头部气囊等。

（4）可溃式转向管柱

通常，在发生正面碰撞时，驾驶员最易受到伤害，因为他可能遭受发动机和转向柱后移造成的冲击。为此，现代有些汽车上将转向柱设计成可溃式：当转向柱的两端受到撞击力时，即碰撞过程中发动机后移撞击转向管柱底部，或乘员向前俯冲撞击转向盘时，它能够溃缩。这样，就通过限制转向柱冲撞驾驶者和减小驾驶者与转向盘接触产生的作用力，为驾驶者提供保护功能。例如，POLO轿车的可溃式转向管柱，当驾驶员在碰撞过程中向前俯冲与转向盘发生撞击时，上管柱可向后缩进50 mm；当转向管柱底部受到冲击时，它能沿管柱方向使得下管柱缩进38 mm，上管柱缩进50 mm，保证前围板向乘坐舱内的最大侵入量小于150 mm。这对于小型车是十分重要的，对保证驾驶员的生存空间起着至关重要的作用。

（5）可溃式踏板

当驾驶员遇到紧急情况时，第一反应一定是死死地踩踏制动踏板，所以在正面碰撞事故中，如果发动机等大质量的刚体被向后挤压，侵入乘坐舱时，或是前部零部件有很大的向后冲击速度时，最容易伤害到向前用力的腿部和脚部。可溃式踏板就是为避免和降低这种伤害而设计的装置。当踏板受到过大力时，下支架会自动弯折，使得驾驶员脚自然落地呈自由状态，以减小腿部受力。

8.行人保护系统

（1）主动式发动机罩：当行人撞击在发动机罩上时，及时弹起罩盖，增加变形空间，以使对行人的撞击力降低。

（2）行人安全气囊：缓冲碰撞力。

（3）带有红外系统的立体相机或雷达测试技术的行人探测仪：及时探知行人碰撞安全性，与主动式发动机罩或行人安全气囊以及车辆自动制动系统相结合而共同发挥作用，进一步提高行人安全性。

（4）柔软式车头：车头采用新型复合材料制造，如前保险杠和发动机罩以及风窗玻璃下沿都采用可吸能的泡沫材料，当碰撞到行人时起到缓冲作用。

（5）吸能式保险杠：将前保险杠中加入缓冲吸能装置或材料，以此缓和车辆对行人的冲击力，这类保险杠基于相同的原理有很多种形式，如带有液压缓冲减震器的保险杠、带有阻尼缓冲材料的保险杠、由横杠以及缓冲吸能件和加强件等组成的保险杠等。