側(cè)面是整車中強(qiáng)度較薄弱的部位，而且乘員與車門(mén)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(duì)較高。這也是低速電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)草案中，側(cè)面碰撞測(cè)試一項(xiàng)引起廠家爭(zhēng)議的一大原因。本文從側(cè)面碰撞的載荷路徑傳遞進(jìn)行分析，對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)變形量及變形位置與人體傷害的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行探討，提出了六點(diǎn)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(yàn)的技術(shù)要求及側(cè)碰中乘員損傷原因

我國(guó)《GB20071汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)汽車側(cè)碰試驗(yàn)技術(shù)要求是：試驗(yàn)在駕駛員一側(cè)進(jìn)行。在碰撞瞬間，被測(cè)車輛靜止于試驗(yàn)地點(diǎn)，移動(dòng)變形壁障與試驗(yàn)車輛側(cè)面垂直，并垂直相撞。碰撞時(shí)的速度要求是，至少在碰撞前0.5m的范圍內(nèi)移動(dòng)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(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)都會(huì)伴隨有兩個(gè)過(guò)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(guò)程中受到損傷的主要原因可歸納為以下三點(diǎn)：

(1)一次碰撞過(guò)程過(guò)分劇烈，以致傳遞到司乘人員身上的加速度值超過(guò)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(guò)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(guò)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?yàn)槠渲薪^大部分的碰撞能量是由車體結(jié)構(gòu)來(lái)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(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

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(mén)所受側(cè)向撞擊力向車門(mén)框傳遞。如果車門(mén)內(nèi)布置了抗側(cè)撞梁，前門(mén)受到的側(cè)向撞擊力將主要被傳遞到鉸鏈柱和B柱；后門(mén)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(shí)，情況與此類似。

(3)對(duì)B柱向車內(nèi)變形的抵抗，主要來(lái)自其彎曲剛度和B柱上、下接頭的剛度。通過(guò)B柱上接頭，作用在B柱上的部分力通過(guò)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(guò)B柱下接頭，作用在B柱上的部分力被傳遞給門(mén)檻梁。

(4)作用在門(mén)檻梁上的側(cè)向力，一方面來(lái)自外部的直接撞擊；另一方面來(lái)自B柱的傳遞。門(mén)檻梁受到的側(cè)向力通過(guò)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(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

由于發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)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(jì)應(yīng)以提高乘員艙剛度、減小乘員艙變形為主要目標(biāo)。為了減小汽車側(cè)面受到撞擊后對(duì)乘員艙的侵入，在設(shè)計(jì)側(cè)向撞擊力在車身結(jié)構(gòu)中傳遞的路徑時(shí)，要注意如下幾點(diǎn)：

(1)乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)向車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(duì)其向車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)或變形也起到了重要的作用。

(3)車門(mén)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(gè)剛性的整體，對(duì)于減小車門(mén)對(duì)乘員艙的侵入非常重要。

(4)采用類似3H形的加強(qiáng)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(jì)，見(jiàn)圖3。

圖3 3H結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4 部件剛強(qiáng)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(jì)優(yōu)化建議

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

(1) 車門(mén)：常規(guī)增加板厚的方法會(huì)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(mén)受到的載荷分散給兩側(cè)的立柱，減小車門(mén)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(guò)車門(mén)鉸鏈和門(mén)鎖的位置與車身結(jié)合為一體，有利于將車門(mén)所受的撞擊力有效地傳給兩側(cè)的立柱。

圖5 車門(mén)中抗側(cè)撞梁的布置

(2) B柱：當(dāng)車輛受到側(cè)面撞擊時(shí)，承受碰撞的部位一般是被撞側(cè)的車門(mén)或立柱，而對(duì)于大部分車輛來(lái)說(shuō)，其遭受側(cè)面撞擊時(shí)側(cè)面幾乎沒(méi)有可以用于緩沖吸能的空間，因此對(duì)于車輛來(lái)說(shuō)，理想的側(cè)面碰撞特性是車門(mén)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(shuō)不會(huì)由于側(cè)面侵入車內(nèi)而對(duì)乘員造成損傷。

在考慮B柱對(duì)汽車側(cè)碰性能的影響方面時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮B柱具有足夠的剛性，同時(shí)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(duì)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(shì)與人體位置的對(duì)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(yán)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(dòng)而產(chǎn)生的少量變形。模式c對(duì)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(diǎn)：

a、對(duì)于B柱來(lái)說(shuō)，對(duì)其剛度的需求遠(yuǎn)大于對(duì)其吸能性能的需求，因此B柱應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)度鋼材料。

b、通過(guò)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(gè)剛度的設(shè)計(jì)要足夠大。同時(shí)為防止因局部進(jìn)入塑性變形階段而產(chǎn)生塑性鉸，通常采取加強(qiáng)措施，圖7中B柱加強(qiáng)板的作用就在于此。

圖7 B柱加強(qiáng)板示意圖

(3)門(mén)檻梁：側(cè)撞的門(mén)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(mén)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(qiáng)措施包括增加承載面積、在梁內(nèi)增加加強(qiáng)板以及填充發(fā)泡樹(shù)脂等。

比如，可以把門(mén)檻加強(qiáng)板移至門(mén)檻外板內(nèi)側(cè)以便與其形成強(qiáng)度遞增的變形模式，同時(shí)充分利用門(mén)檻內(nèi)的潰縮空間，然后門(mén)檻加強(qiáng)板加長(zhǎng)延伸至車輛前門(mén)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(lái)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(guò)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(duì)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(jì)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(shí)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(qiáng)度，保證車頂不發(fā)生向外的彎曲變形。