车体前方耐撞性要求–汽车碰撞安全工程中的重要指标

车体是在碰撞事故中保护乘员的第一道屏障。乘员受到伤害的原因主要有两种。

第一种是挤压伤害。当车室内空间被压缩得比人体体积还小的时候，人体必定要受到组织损伤。以平头卡车为例，碰撞后的生存空间就是车体耐撞性的主要测试目标。卡车驾驶室内部挤压效果如图3.1所示。

图3.1　卡车驾驶室内部挤压效果

第二种是肢体与车室内部之间的碰撞引起的伤害。如果把车体与障碍物发生的碰撞称为一次碰撞，那么乘员与车室内部发生的碰撞则被称为二次碰撞，这种碰撞一般发生在头、胸与方向盘、仪表板、挡风玻璃之间。也有人把人体内部器官与体腔之间的碰撞称为三次碰撞（见第2章　乘员伤害评价）。碰撞安全工程上用车体耐撞技术解决一次碰撞的吸能问题，用乘员约束系统（安全带、安全气囊）解决二次碰撞的吸能问题。

从上述两种伤害形式出发，车体耐撞性能的总体设计原则是：

（1）车室以外的前端结构（发动机舱、前悬架）要有足够的塑性，以便利用前部变形充分吸收掉车体的碰撞动能，把传入车室的碰撞能量降低到最小。车体最主要的吸能标志就是降低撞击加速度的峰值。为此，需要把车体设计分为两个区来考虑：一个是前端的塑性变形区，保证碰撞时获得最小的加速度峰值；另一个是车室内的刚性不变形区，保证基本的乘员生存空间。

（2）车室的刚度要尽量高，以便在碰撞事故中保证给乘员留有足够的生存空间，避免发生挤压伤害。同时，把乘员阻挡在车室之内，避免乘员被抛出车外遭受更严重的伤害。车室还要保持形状完整，以便在车辆事故后乘员能轻易从内部自行开启车门逃生，或接受外部救援的时候能够顺利从外部开启车门将乘员安全撤出。

（3）在结构完整的车室内部，再用弹簧与阻尼把乘员和车室隔开，降低二次碰撞的强度。

车辆耐撞性设计概念如图3.2所示。

图3.2　车辆耐撞性设计概念

碰撞后车室的生存空间可以用车室前墙向内的塌陷量来衡量。欧洲新车安全等级评价EuroNCAP^[1]采用40%部分重叠的正面碰撞试验，美国新车评价NCAP试验也开始采用25%重叠度的正面碰撞试验，这些试验的撞击载荷集中在驾驶员一面的单侧，这对车室抗塌陷变形能力是一项严峻的考验。低重叠度碰撞也被称作偏置碰撞ODB（Offset Deformable Barrier）。各种重叠度的正面碰撞试验如图3.3所示。

图3.3　各种重叠度的正面碰撞试验

（a）25%重叠度；（b）40%重叠度；（c）100%重叠度

全宽刚性壁（FRB）的碰撞工况最简单，对称性、一致性较好，可利用的公开数据量较大（如美国高速公路运输与安全管理局NHTSA的NCAP），比较适于用来作解析模型验证。本书范围内的碰撞能量分析将以这种工况为基础，所用分析方法可按照此原理移植到其他各种碰撞模式。

图3.4　尺寸示例

用图3.4中的尺寸可以衡量碰撞后驾驶室的整体空间变形程度。表3.1所示为这些监控点在碰撞试验前后的变化举例^[2]。

表3.1　监控点在碰撞试验前后的变化举例(www.xing528.com)

图3.5所示为驾驶员前部地板与立墙的局部变形测量方法。尤其关注这个区域是因为在偏置碰撞中这部分的变形最为严重，可能对乘员下肢造成伤害，并推动方向盘和转向柱，压缩生存空间，对乘员胸部造成伤害。

图3.5　驾驶员前部地板与立墙的变形测量方法^[2]

其他考察车室完整性的方法还有：观察碰撞后前风挡是否有脱落、不借助其他工具是否就可以徒手将车门打开，等等。

IIHS（Insurance Institute for Highway Safety）评价试验是美国除了NCAP之外的另一项重要评价试验，整体的最终结果分为“差、边缘、可接受、好”四个等级。各个级别对前地板变形的规定见图3.6。

图3.6　IIHS对前地板变形的规定

在保证完整的车室生存空间的基础上，剩下的任务就是如何保证乘员不与车室内部发生严重磕碰，基本的办法是在乘员与车室之内加一个弹簧—阻尼约束系统（见图3.2）。这个弹簧的刚度不能太大，因为太硬的弹簧同样会给乘员带来伤害；也不能太软，弹簧刚度过小仍然可能会让乘员与车室前方部件发生磕碰（弹簧触底）。最佳的弹簧刚度应当可以使乘员比无约束碰撞状态更缓慢地冲向前方，最后，在即将接触前方部件的那一瞬间完全停止下来。这个设计原则可以获得最大的乘员制动距离（相对于车室），最大限度地利用室内空间。显然，长距离制动会减小乘员身上的冲击载荷，因此图3.4中所示的各个尺寸参数越大，对乘员保护越有利，但是车辆的空间设计对这些尺寸都有严格制约。

如何选择这个弹簧的刚度，并与有限的室内空间取得平衡，就是乘员约束系统的设计任务。约束系统设计的另外一个难点是，如何控制乘员的碰撞姿态，在有空间的地方应尽量让肢体受控地往前移动，在没有空间的地方应马上让肢体停止运动。在车辆中，各个肢体部位的前移空间是不同的，有的肢体可以往前移动多一些，有的肢体的前移空间就很小^[2]（见图3.2和图3.4），肢体前移距离的差异带来的直接后果就是造成乘员的关节过度弯折导致关节、神经伤害和肢体甩动角加速度，尤其是颈部，如果头部向前、后甩动过大，惯性弯矩就会超出颈椎的承受力，严重时会引起中枢神经伤害。从关节损伤的角度来看，乘员保持原有姿态往前平移最为理想，但是这显然和“肢体制动距离最大化”原则相冲突，因此，解决肢体转动与空间利用最大化之间的冲突是约束系统设计的另外一个重要任务。

在用弹簧吸收约束乘员动能的同时，还需要加入阻尼单元，用途是防止弹簧回弹，否则弹簧会把已经通过压缩变形吸收进去的动能重新“吐回”给乘员，再次对乘员造成伤害。

应当注意，图3.2中弹簧系统左端的安装基点A是固定在车体上，而不是固定在一个静止的基础上的。在碰撞过程中，这个基点随车体经历了一系列的加速度历程，所以弹簧—阻尼约束系统的设计一定要考虑A基点提供的动态输入，也就是车体碰撞的减速动态过程。

A基点的动态输入特性可以用车体碰撞加速度的时间历程来描述。如果采用图3.2中所示的SAE坐标系定义，碰撞时车体加速度将被标记为负值。典型的车体加速度响应碰撞波形如图3.7所示。每个车型都有自己独特的加速度历程曲线，如同每个人的个性签名一样，反映了各自不相同的结构特征，我们将其称为该车型的“碰撞波形”。对应不同的碰撞波形，即不同的A基点振动特性，同样一个弹簧—阻尼约束系统的响应是不一样的，因此对乘员的保护作用也不同。这就意味着，约束系统不是普适的，必须对某个特定的车体碰撞波形进行“匹配”设计才能发挥其最好的保护效果。“弹簧—阻尼”约束系统与A基点动态冲击的联合作用叫作车体与约束系统之间的“耦合”效应。

图3.7　典型碰撞波形

“耦合”设计首先要回答这样一个问题：什么样的碰撞波形最有利于车体与约束系统之间的耦合？这个问题将在下节进行详细讨论。

碰撞安全性能设计由两大部分工作内容组成：车体耐撞性设计与约束系统耦合匹配设计。车体耐撞性设计有两大目标，一是控制挤压变形，二是控制碰撞加速度的波形。

对碰撞安全设计任务的总结如图3.8所示。

图3.8　碰撞安全设计任务构成