田國紅，孫立國，齊登科（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

汽車被動安全側(cè)碰方面的研討

田國紅，孫立國，齊登科
（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

摘 要：中國側(cè)碰法規(guī)的實施以及汽車側(cè)碰事故中的高傷亡率，使汽車側(cè)面的碰撞安全性越來越受到人們的注意。為了更好的保護乘員安全和提高汽車的側(cè)面碰撞性能，可以對B柱、前地板橫梁等車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，也可以對側(cè)面安全氣囊和側(cè)氣簾進行探究，使乘員在側(cè)面碰撞中將傷亡降到最低。

關(guān)鍵字：側(cè)面碰撞；車身結(jié)構(gòu)；側(cè)氣囊；側(cè)氣簾

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.018

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-44-04

前言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，現(xiàn)在汽車越來越成為人們生活中必不可少的工具。2014年，中國乘用車汽車的保有量突破一億輛，并且以增長的趨勢發(fā)展。汽車在給我們帶來方便的同時，對我們的人身安全造成了嚴重的威脅。據(jù)統(tǒng)計，在交通事故中發(fā)生最多的就是碰撞事故，碰撞有正碰、追尾、側(cè)碰、翻滾等形式，車輛側(cè)面碰事故發(fā)生率約占30%，正面碰撞的死亡率居首，側(cè)面碰撞造成的死亡和重傷事故達到35%，其致傷率則居第一位 。對于城市交叉路口較多的中國來說，車體側(cè)碰事故概率與高于汽車的正碰事故。

2006年7月1日起，《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》在我國實施，將汽車側(cè)面碰撞試驗列入新車上市之前的強制檢測項目。在汽車被動安全領(lǐng)域，尤其是側(cè)碰成為今后研究的重點。

1、側(cè)碰事故中的高傷亡率分析

與正面碰撞不同的是，汽車發(fā)生側(cè)面時，座椅側(cè)面空間較?。ㄒ话阕闻c車門內(nèi)板之間的距離只有20—30mm）并且能夠消耗側(cè)碰沖擊能量的構(gòu)件比較少。這樣車身側(cè)面在安全范圍的可變形量變小。當車身收到來自側(cè)面方向的撞擊時，會將撞擊產(chǎn)生的沖擊載荷傳給乘員。在側(cè)面碰撞事故分析知道，頭、胸、腹、下肢、頸部、脊椎和骨盆在側(cè)面碰撞中人體傷害嚴重的部位，甚至?xí)斐伤劳?。其中對乘員傷害最嚴重的部位是頭部和胸部。研究表明，駕駛室（乘員艙）側(cè)面的侵入是乘員受到傷害的直接原因，汽車側(cè)面碰撞時乘員死亡和傷害與駕駛室(乘員艙)側(cè)面侵入量有很大關(guān)系。據(jù)美國國家車輛采樣系統(tǒng)NASS統(tǒng)計的側(cè)面碰撞時駕駛室側(cè)面侵入量與重傷率的關(guān)系顯示：駕駛室側(cè)面侵入量與傷害程度等級基本上成線性關(guān)系，即侵入量增大時，乘員死亡和傷害的比例也就增大，側(cè)面撞擊時乘員艙侵入量為8cm時，重傷率為22%，侵入量達61cm時，重傷率為100%。傷害的主要形式包括：側(cè)碰橫梁上門內(nèi)板及B柱中上部結(jié)構(gòu)的潰塌變形導(dǎo)致乘員頭胸部的傷害；堅硬、突起的內(nèi)飾件會導(dǎo)致乘員腹部的傷害；同時駕駛室內(nèi)的儀表板同樣會對乘員的頭部、膝部以及下肢造成不同程度的傷害。

2、汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我國在制定側(cè)碰標準時，以歐洲相關(guān)法規(guī)（即ECER95)為藍本，同時才考了日本的相關(guān)法規(guī)。通過側(cè)面碰撞移動變形壁障(MDB)對側(cè)碰進行研究，如下圖1。

二次碰撞是造成人體損傷的主要原因，但二次碰撞的劇烈程度一般由一次碰撞決定。一般對側(cè)面碰撞性能優(yōu)化通過兩種途徑一方面是對車身結(jié)構(gòu)、材料尺寸及種類等進行合理的設(shè)計優(yōu)化；另一方面是考慮采用側(cè)面安全氣囊來減輕二次碰撞造成的傷害。

2.1 側(cè)面車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)碰結(jié)構(gòu)主要有B立柱、門檻和地板橫梁等相關(guān)零件構(gòu)成，碰撞發(fā)生時，首先收到撞擊力的是B柱下部和門檻梁部，中立柱收到撞擊力吸收能量并產(chǎn)生變形，撞擊力從外蒙皮、中立傳到內(nèi)蒙皮，門檻梁得到撞擊力吸收能量并產(chǎn)生變形，撞擊力從門檻側(cè)內(nèi)板傳到地板橫梁、再由地板橫梁傳到車身另一側(cè)。因此，這需要我們對下列結(jié)構(gòu)的強度和抗彎能力進行評價和優(yōu)化，如B柱、地板橫梁、門檻梁、上邊梁、車門防撞梁、頂蓋橫梁等結(jié)構(gòu)，進而使整體車身的強度得到提升，發(fā)生側(cè)碰時，減小側(cè)碰侵入量和侵入速度的目的。碰撞時力的傳遞如圖2 。

2.1.1 對B柱的優(yōu)化

B柱是距離乘員或者駕駛員最近，碰撞的首要撞擊部位。它在受到撞擊力時，能夠產(chǎn)生一定的變形（變形量要求在標準的范圍內(nèi)），吸收撞擊過程中的能量，并有相當?shù)膹姸群蛣偠葋砭S持側(cè)圍的變形量和變形速度在標準的范圍內(nèi)。

一般B柱的結(jié)構(gòu)是中空’口‘字形，分為內(nèi)外兩部分焊接而成。為了加強其強度和剛度，在內(nèi)外兩側(cè)之間加入增強構(gòu)件使結(jié)構(gòu)成為圖3式，優(yōu)化抗彎、抗扭剛度，以保持車身良好的變形空間，并且將撞擊力有效的傳送給門檻梁和側(cè)圍上邊梁，以滿足乘員安全和法規(guī)的要求。

2.1.2 門檻結(jié)構(gòu)

在撞擊力經(jīng)B柱后，會緊接著將力傳給門檻，它的結(jié)構(gòu)方式和結(jié)構(gòu)強度會直接影響側(cè)碰時乘員的安全。門檻主要是有側(cè)圍外板、加強件、門檻內(nèi)板構(gòu)成，分別構(gòu)成空腔，與B柱結(jié)構(gòu)相似，有利于在碰撞過程中分段變形，在變形中消耗掉一部分撞擊能量。同時增加加強板并且在局部進行強化，以提高局部的剛度和是撞擊力能夠按照要求引導(dǎo)力傳給地板橫梁上。

2.1.3 前地板橫梁

前地板橫梁是傳遞和吸收側(cè)面撞擊力的關(guān)鍵零件，而且也是保障乘員艙不產(chǎn)生變形的最關(guān)鍵的機構(gòu)。前底板橫梁將左右兩邊的車體結(jié)構(gòu)連接在一起，使撞擊力沿橫梁傳遞過去。同時橫梁前部通過變形時可以吸收大量的能量。橫梁上會沖壓出加強筋以保證橫梁有足夠的剛性而不產(chǎn)生變形，保證乘員身體的安全空間。同時可以對焊接技術(shù)改善焊接點的密度和強度，降低焊接處的應(yīng)力集中，從而提高抗碰撞能力（如激光焊，焊縫組織均勻，氣孔少)。

為了提高橫梁構(gòu)件的剛度，不只是可以增加構(gòu)件厚度和高強度材料，可以在在橫梁設(shè)置加強筋。對于加強筋要滿足以下幾點：

①加強筋一般設(shè)計與橫梁面的對稱線重合成直線，盡量避免桿件振動發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而且沿支撐構(gòu)件之間距離最短；②有些桿件采用交叉式的加強筋，如果交叉點過渡比較直接，會引起應(yīng)力集中，使剛性降低，通常要求過渡圓滑讓過渡圓角半應(yīng)大于筋的寬度的兩倍；③對于彎曲的的橫梁，加強筋應(yīng)垂直于彎曲軸線布局；④加強筋的剛度取決于它的深度。

2.1.4 前、后車門防撞結(jié)構(gòu)

車門不僅要承載車窗玻璃等掛件飾品，還要承受碰撞時產(chǎn)生的撞擊力。需要對前、后車門進行優(yōu)化，主要采用門內(nèi)增加加強兩的方式，上、下不同部位加入加強梁機構(gòu)能夠保證在側(cè)碰過程中，門內(nèi)門外及加強梁通過變形吸收能量，并能保證在側(cè)碰中外物不侵入乘員的空間，更好的保護乘員，并且發(fā)生碰撞后車門能夠正常打開。前后門的防撞橫梁有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是鋼管狀結(jié)構(gòu)，另一種是波紋狀板式?jīng)_壓構(gòu)件。

2.2 安全氣囊的探究

在側(cè)面碰撞中，為了降低二次碰撞給乘員帶來的傷害，在座椅和汽車內(nèi)側(cè)位之間加了另一個防護裝置---側(cè)安全氣囊（安全氣囊在被動安全系統(tǒng)中最后一道保障)。

在側(cè)碰中，乘員收到傷害后容易致命的部位主要是頭部、胸部、腹部、下肢、頸部、脊椎和盆骨，但是人體頭部和胸部構(gòu)造復(fù)雜，即使是受到輕微沖擊，也有可能會造成嚴重的傷害，甚至導(dǎo)致傷者死亡，所以在側(cè)碰中，應(yīng)當重點保護頭與胸部。據(jù)交通事故統(tǒng)計，致命的傷是頭部和胸部損傷，其引起的致命事故占全部致命傷事故總數(shù)的 1/2 以上，胸部損傷引起的死亡大概占到1/2。在側(cè)面添加側(cè)面氣囊，一個是保護胸部的側(cè)氣囊，另一個是保護頭部的氣囊。

2.2.1 頭部側(cè)氣囊（CAB）

頭部氣囊也叫側(cè)氣簾，在碰撞發(fā)生時彈出隔離乘員與車身，以達到保護乘客的效果。如果發(fā)生側(cè)面碰撞，由于人體頭部的復(fù)雜構(gòu)造甚至安全帶側(cè)面支撐扣都有可能成為車禍中的殺手。那么側(cè)氣簾就會把乘員和車身隔離開保護乘員。側(cè)氣簾安裝在車頂弧形鋼梁內(nèi)，通常貫穿前后車門部位，受車身內(nèi)橫向加速度傳感器控制用來保護。當橫向加速度超過一定值，傳感器就會發(fā)出信號氣囊打開。對于側(cè)撞、翻車等嚴重事故有著很好的人員保護功能。側(cè)氣簾中的主要的模塊包括氣囊發(fā)生器、導(dǎo)氣管、氣袋、拉帶、線束等，如圖6。

對側(cè)氣簾的研究主要注意一下幾個方面：

①氣囊的有效厚度：一般側(cè)氣簾前排座椅部位與后排的厚度是不一樣的，前排座椅氣囊厚度通常比后排座椅氣囊厚度大點，厚度的最佳尺寸要通過假人仿真碰撞試驗所得的數(shù)據(jù)來決定；②安全氣囊的打開時間，由于頭部空間的活動范圍較小，氣囊打開必須迅速；③氣囊展開時的覆蓋面積：一般長度是乘員前后俯仰角度所掃過的最大角度，上要高于頭部，下部要滿足肩部的要求；④包裹存放氣囊的試件和車頂側(cè)柱不要有鋒利的部分，以免在氣囊彈出時被劃破；⑤注意氣簾前后部分的折疊方式。要在接受碰撞信號時兩個部位的氣囊迅速打開，來保護乘員頭部。

2.2.2 側(cè)氣囊（SAB）

側(cè)安全氣囊主要起到保護乘員的胸、腹部，可將氣囊模塊安裝在B柱、車門或者座椅側(cè)邊。

在座椅上的側(cè)氣囊比其他部位有更多的好處：

1）氣囊安裝在座椅側(cè)面，能使氣囊在調(diào)節(jié)座椅前后上下時候隨著座椅移動，并且安全側(cè)氣囊的打開面積較小，與身體的相對位置不會變化，使乘員能夠始終處在氣囊的最好的保護位置。

2)氣囊在碰撞過程中能對乘員最易受傷的胸部提供有效的保護；還可以使車門與乘員的身體距離拉大，緩沖撞擊力，同時保護頭部和腹部。

3）安裝在座椅上的氣囊能夠在接受大碰撞信號時迅速展開，不會像安裝在其他部位的氣囊因為車門變形而失效。傳感固定在座椅上，而不會因重重拍一下門而誤被引發(fā)。

座椅側(cè)氣囊有隱藏式和可見式如上圖。隱藏式被縫制在座椅側(cè)面的座椅蒙皮內(nèi)，并對座椅蒙皮縫線及其相關(guān)部分弱化，是氣囊能夠突破蒙皮迅速打開?？梢娛绞菍饽夷K鑲嵌在座椅側(cè)面，當傳感器接受碰撞信號后會直接彈出。并且滿足以下要求：

①氣囊保護范圍，應(yīng)該將不同尺寸的乘員考慮在內(nèi)，有足夠的保護區(qū)域。②在發(fā)生側(cè)碰時，由于乘員與車身內(nèi)側(cè)的距離很小，這要求側(cè)氣囊展開時間相對正面氣囊短且迅速。③對氣囊的要求是能夠疊放在座椅側(cè)面狹小的空間內(nèi)，為了減小展開阻力，要一層薄的涂層更容易展開。④氣體發(fā)生器，要求展開迅速，囊內(nèi)氣壓適中，對于隱藏式的氣囊模塊應(yīng)盡量與蒙皮縫合線方向一致，有利于彈出。⑤氣囊位置。氣囊模塊的位置盡量對正肋骨，保證氣囊對人有效保護；氣囊發(fā)生器盡量與肋骨、脊椎保持一定距離，避免在碰撞過程中模塊引起對人的負傷害。

在我們生活中會發(fā)生安全氣囊事故，會被氣囊擊傷或者失效等故障。要對氣囊的參數(shù)進行精確的設(shè)計。

3、結(jié)論

本文對被動安全中側(cè)面碰撞的進行了系統(tǒng)的介紹。對側(cè)碰的高傷亡率進行了分析，從而進一步對其進行優(yōu)化處理。了解了側(cè)碰中車身起主要作用的構(gòu)件，并探討了對車身結(jié)構(gòu)進行強化以達到側(cè)碰法規(guī)的要求。同時對二次碰撞起主要側(cè)氣囊進行介紹，對氣囊開發(fā)進行指導(dǎo)性意見。

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Discussion on passive safety side of automobile

Tian Guohong, Sun Liguo, Qi Dengke
( Institute of automobile and traffic engineering Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

Abstract:The implementation of the Chinese side impact regulations and the high casualty rate in the automobile side impact accident, so that the side of the vehicle safety is more and more attention. In order to better protect the occupant safety and improve the performance of the side impact of the car, you can optimize the structure of the B column, front floor beams and other body, and can also explore the side airbags and side air curtain. Minimize the casualties in the side impact.

Keywords:side impact; body structure; side airbag; curtain airbag

作者簡介：孫立國，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-44-04