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不过大家也别觉得汽车车身安全设计很神秘

点击: 109 次  来源:http://www.freshstuff.cc 时间:2020-03-12

此前关于白车身安全设计关注度最高的就是材料使用问题了,高强度钢甚至超高强度钢的使用似乎成了评价白车身安全设计的唯一准绳,作为消费者这么理解也无可厚非,毕竟我们希望找到一些简单明了的标准来快速评价一款车的安全设计水平。

但是汽车设计哪能这么简单,这就像盖房子一样,材料使用的好那是基本,但设计水平次一样容易倒塌。不过大家也别觉得汽车车身安全设计很神秘,其实它也有一些通用方法,而且我们也比较辨别。

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本文会先按车身前中后三个区域分别介绍,再给大家介绍关于结构设计的一些通用规则。

一、车身前部安全设计

发动机前部结构俯视图如下,我们通常称这部分为碰撞吸能区或者溃缩吸能区,以下会重点介绍前防撞梁、吸能盒、前纵梁和发动机盖的设计原则。

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▎前防撞梁和吸能盒设计

前防撞梁和吸能盒属于低速安全碰撞设计,它的作用是希望能够尽可能多的吸收能量,在结构设计上,封闭槽结构会比开放式结构好,一来结构受力会更均匀不容易发生应力集中产生完全变形,再来封闭槽结构能够承受更多的力,强度也会更大。

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▲第二张图这种开放式的薄壁结构就不太好了,一般受力不能很大。另外,有的人喜欢通过防撞梁的厚度来评价它的安全水平,其实这种方法不太恰当,比如第一张图这种在多框架结构对安全提升反更有利。

吸能盒的作用和它的名字一样,最大的作用是在受力强度不太大时充分吸收碰撞能量,所以在简单的薄壁框架结构上还有很大的发挥空间,比如采用溃缩引导设计。

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另外,它作为前防撞梁和前纵梁的连接件,吸能盒变形后需要更换,因此有拆卸功能会比直接焊死会更好。

▎前部薄壁梁设计

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车身前纵梁通常是薄壁梁焊接结构,在轴向受到冲击后,有两种基本的变形模式:轴向压溃和弯曲。

轴向压溃是效率最高的变形模式,不过这种形式在受力后通常很不稳定,很容易在溃缩中途就会因应力集中直接发生弯曲。所以在前纵梁处设计一些小槽口,如角台、凹台、凸台能够较好地避免这些问题。

▎发动机盖

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按理说发动机盖不是主要的吸能件,这里没必要多讨论,不过发动机盖在受到冲击后有铰链断裂脱落的风险,碰撞严重时发动机盖有可能直接被撞入发动机舱,危及车内人员,所以就需要我们在发动机盖内板上设计一些溃缩引导设计。

有的人以为上述这种设计是用来起到轻量化的目的,确实是这样没错,不过更重要的它还能起到溃缩引导,使得撞击力尽可能集中在这块区域,这样发动机盖在碰撞后就不会伤及车内人员了。比如下图这种就是较理想的溃缩状态。

另外,考虑到行人碰撞安全,发动机盖上尽量不要出现过多的棱线,特别是在中后部区域,因为行人在碰撞后头部首先接触这块区域。

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▲虽然道奇的引擎盖很帅,不过这种设计对行人其实不太友好。

二、车身中部安全设计

车身中部结构安全水平如何直接关系到乘客的安全,特别是没有缓冲的侧面区。

▎驾驶舱骨架受力引导

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在汽车受到较大碰撞力时,碰撞力会传递到发动机舱,通常我们希望力能够顺畅地通过,不要有明显的应力集中区域,而把力引导到纵梁上和各“大梁”汇集的区域是比较好的选择,因为这块区域通常最厚大,强度最高。

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比如马自达SKYACTIV-Body和老结构相比,在结构改进上就很明显,可以看到新结构在力传递上会更通畅,在车身中部没有明显的应力集中,新结构应力最集中的是中纵梁和后纵梁的连接处,而这块区域也是最厚大的区域。

▎中通道设计

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关于中通道设计大家平时可能不太关注,虽然它像纵梁那样需要承受很大的冲击力,但对于承载式车身而言,由于其位置居中避免不了受到冲击力。

所以中通道的强度也必须得到保证,比宝马7系采用的碳纤维混合车身就在中通道处采用了碳纤维加强处理。

▎侧面碰撞

面对侧面碰撞冲击,B柱首当其冲,所以B柱本身以及上下接头的强度和刚度很重要。另外这个力会传递到门栏上,所以对门栏强度也有要求。除了建议以上区域使用高强度钢外,多层结构也是较佳的解决办法。

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▲比如上图,我们可以看到B柱采用了两种不同的材质,一方面强度提升了,另一方面中空结构给门锁、安全带预警器等装置都能安装在这个中空部件上。

侧面碰撞中的结构很重要,一般在下图黄色方框区域最容易出现应力集中,所以通常这块区域需要进行加强处理。

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三、车尾设计

▎后防撞梁

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关于后防撞梁到底对汽车安全性的贡献有多大,大家说法不一,不过随着现代汽车对空间要求越来越大,车身后部区域被进一步压缩,所以装配后防撞梁是很好的缓解办法。

不过不少后防撞梁长度较短,吸能盒溃缩区域不够,这点就不太好了。

▎后纵梁

车尾受到碰撞后,撞击力向车前传递的路径通常有两条,第一条是由后保险杠经后纵梁传递给门栏梁;第二条由后车轮后部结构,经后车轮传递给门栏梁。

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▲现在汽车由于趋向越来越短的尾箱设计,这时候对尾箱的结构强度要求更高。

第一条路径的原理和前部区域类似,就不再累述了;我们讲讲第二条路径,轮胎参与碰撞后,它会与轴向刚度较大的门栏梁接触,导致对撞击的抵抗明显增加,因此碰撞吸能区布置在后车轮后部区域会更好,而将后轮作为变形限制器加以利用。

四、通用设计

以上是按照区域来进行讨论的,另外通常汽车上还有一些通用设计。

▎框架结构有利提高扭转刚度

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车身扭转刚度是衡量汽车安全和舒适性的重要指标之一,其数值越大越好。而想要获得较大的扭转刚度,最好的设计方法就是增加框架结构。这并不难理解,其实很多建筑中采用了这种设计,比如过山车。

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关于框架结构设计各家都有所使用,不过要说最典型的还是奥迪ASF框架结构。以奥迪A8L为例,ASF白车身重量只有241kg,但其结构刚性与抗扭强度较上代提升了25%。

▎接头设计

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白车身是有各种形状、材质的钢材或者铝材通过焊接在一起的,所以焊接接头的重要性也就不言而喻了。不过关于这部分,我们一般很难用肉眼观察,所以这里仅从大方向上给大家做一些介绍。

小结:

车身安全设计是门大学问,本篇旨在用比较简单语言来给大家讲解有关安全设计的惯用手法,考虑到车身设计中还有重要的CAE力学分析环节,以此来调整各部分材料及力学结构设计。

虽然我们不能绝对对号入座,不过作为惯用手法,我们还是能使用这些准则作为参考。所以以后再有人给你白车身的结构图,别只顾盯着都用了哪些材料,不妨也留意一下车身结构设计水平如何吧。