浅谈汽车总布置中碰撞控制设计

摘要

碰撞是汽车总布置设计中的关键性指标，也为汽车关键部位尺寸及零部件结构设计提出了更高的要求，保证汽车发生碰撞时，按照设计过程进行碰撞，以减少对人员及汽车的损害。本文对汽车总布置中碰撞设计的关键步骤进行探讨，希望为同行提供借鉴。

一、总布置设计碰撞控制设计的基本思想

汽车的车身从安全的角度出发可分为前撞区域、后撞区域和乘坐区域三部分，在设计这三部分时，所需要达到的标准各不相同。在发生车辆碰撞时，为了保护乘坐区域人员的安全，车身的“碰撞区域”要尽可能的产生变形，尽量吸收撞击能量，而撞击能量的其余部分要传至立柱、大梁等处，所以在设计车身的前、后撞区域的结构时，要比乘坐区域的设计“软”一些。乘坐区域是车辆最为重要的部分，在发生车辆碰撞时，此区域要尽量降低变形量，减少由于车辆变形对乘员的直接伤害或增加在发生事故后乘员逃脱的可能性，所以车身的车室区域要坚固可靠，结构要设计的“硬”一些。总而言之，车身的总体设计原则为：中间“硬”，两头“软”，并具有良好的能量传递环境，碰撞能量要尽可能少的作用在乘坐区域。当发生侧面碰撞时，车身的变形量较小，对乘员造成的危害较大，所以车门、立柱和门槛的设计要为刚性结构，提高车室的刚度要求，增加乘员的有效生存空间。同时增设防侧碰安全气囊，降低二次碰撞对乘员的伤害。车身侧面碰撞防护设计的基本思路为：车身的梁、地板和其它部件，要尽可能的吸收、分散由于侧碰力所产生的撞击能量，以此最大限度将损害程度降至最低。通常在车身设计时，多采用增加门槛梁的强度、侧围构件的强度等方法来增加承受侧碰撞的能力。

二、车身总体碰撞参数设计的控制

车身在正面碰撞时，准确判断构成各种动力学模式的物理量如速度、载荷和位移等，以便在模拟碰撞时确保力的传递途径和方向的精确性，再分析出碰撞的时间、变形量和溃缩长度等参数，进而对零件的强度和结构的合理性进行判断。
1.整车尺寸的布置 前悬、后悬、轴距等尺寸的总体布置，要根据已经确定的整车长度、高度和宽度来进行分配。在确定前悬的长度后，再确定发动机机舱中动力总成的姿态和位置。正碰的速度很高而且和时间短，所以车身的结构要具有足够的变形和吸能空间。根据以往汽车设计经验，若要达到4星以上的碰撞效果，吸能空间L值要≥420mm，L=L1+L2，L1为动力总成与前保险杠外沿的最小距离；L2为动力总成与前围板的最小距离。见图1。当吸能空间受整车的长度和动力总成尺寸限制时，为了达到良好的吸能效果，可对零部件的材料性能进行分析，采用更换零部件材料的方法来拟补这一问题。例如将进气歧管的材质更换为塑料，不仅可以降低成本，还可以增加吸能空间的效果。吸能空间L值受发动机的机舱X轴和零件尺寸等因素的影响很大，所以当碰撞速度为50～51km/h时，L≥420mm；碰撞速度为56km/h时，L≥560mm，此时的L值大小由碰撞的评价方法决定。由于吸能盒与前保险杠的溃缩距离较大，因此L1的距离通常为280～300mm。

2.悬置系统的结构及位置设计 悬置系统的主要作用是承载动力总成和降低动力总成对车身产生的震动，是动力总成的主要配备附件。其结构和位置的确定直接影响着正碰效果，悬置系统通常布置于不影响吸能空间的区域，并尽可能的降低由于悬置系统的移动造成对乘员区域的破坏。在碰撞过程中，悬置点的安装方式和数量对动力总成的移动形式有很大影响，且决定着前围板的侵入量和前纵梁的变形形式。所以，在设计悬置系统的结构时，要经过模拟分析后再确定，并对正碰时悬置系统的位置和断裂时间进行计算，确保动力总成向斜后方移动的畅通性。

3.纵梁的设计 纵梁是在碰撞过程中起最大作用的构件，是发动机机舱内的主要承载零部件。在碰撞时，所产生的冲击力由纵梁向后部传递，动力总成等零部件跟随纵梁向后移动，并最终弱化，同时纵梁也具有一定的吸能和缓冲作用，如图2所示。纵梁的结构、强度等因素决定碰撞效果的好坏，而一旦纵梁的设计不合理，碰撞能量将会集中于部分结构和局部区域上，造成局部结构崩溃式变形，引起碰撞的不良效果。所以在对纵梁的结构设计前，一定要认真分析碰撞载荷的传递分配形式，避免不合理的载荷分配。通常为了避免在碰撞时，纵梁根部发生崩溃式变形，其根部的结构表面都不超过纵梁的中心线，这主要是因为一旦超过了中心线，根部位置就易出现应力集中现象，从而趋势纵梁沿中心线向后溃缩。另外，X轴方向上的纵梁平行度也对碰撞时的纵梁变形效果有影响。纵梁距离地面的高度由悬架、底盘的布置等因素影响，由于40%偏置碰的可变形壁障上沿高度为530mm，因此纵梁的高度需≤530mm，以确保前纵梁和可变形壁障能够充分接触，从而获取最佳的碰撞效果。另外，纵梁的截面形状对碰撞的产生效果也有很大的影响。

4.上纵梁的设计 上纵梁的作用是与前纵梁、侧围形成封闭式结构，有效避免在碰撞过程中，由于悬臂结构的失稳而导致车身变形，同时其可以传递由前纵梁传输的载荷，对前纵梁具有极好的补充性。但由于上纵梁的周围具有很多其他的结构部件，因此在初期布置时，就要充分考虑上纵梁的设计结构，以免后期无法更改。

5.座椅的设计 座椅是在碰撞过程中，支撑和保护乘员躯干的最为重要的部件，其包含坐垫倾角、深度及座椅的刚度和强度等参数，这些参数对乘员在碰撞时的运动姿态有很大的影响，并影响着其他约束部件的保护效果。

6.人机工程的布置 人机工程在安全碰撞及对乘员的保护方面上也有很大的效能，人机工程的布置，要充分考虑乘员在碰撞时，其相对整车的碰撞受力和移动加速度等因素。包括风挡倾角、座椅靠背角、转向盘的倾角、胸部和仪表板的距离、胸部与转向盘中心的距离等，在对其布置时，可参考已有优良型车的参数来进行设计。

7.转向系统的布置 由于正碰时，转向系统会与驾驶员进行碰撞，所以转向盘的刚度不可过大，避免驾驶员的挤压损伤。而转向管柱的布置要具有一定的压溃距离，确保在碰撞时，转向盘对人体胸部较小的挤压力，其值通常设至为50～100mm。管柱的下护套内，不得存在硬点，确保驾驶员的腿部在碰撞时，所受的碰撞力低于标准要求。

三、结束语

总而言之，车身的总布置设计不仅是对碰撞效果进行约束，而且还是对整车的综合性能和关键性参数等进行控制的过程。在设计新车型的初期，要对整车的参数、尺寸及性能等参数进行定义，后期再分析和控制前期所确定的尺寸和性能等参数。由于安全性能要求是整车其他性能要求的前提条件，因此初期设计时，总布置要对影响安全碰撞性能的关键零件的尺寸和结构进行约束，力求碰撞效果满足设计要求。