第7章 轿车车身结构安全性设计

第七章轿车车身结构碰撞安全性第一节车身结构安全性设计第二节车身被动安全装置第三节汽车碰撞安全试验第四节轿车被动安全性计算机仿真第一节车身结构安全性设计一、碰撞安全性车身结构•碰撞安全的车身结构设计原则是利用车身前、后部、侧围构件的变形有效地吸收碰撞能量，而车身座舱坚固可靠，从而确保乘员的有效生存空间。•车身结构变形区域吸收碰撞能量的特性应包含以下三方面的含义：（1）车身前、后部结构要尽可能多地吸收碰撞能量，使碰撞过程中作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内；（2）车身前、后部构件在碰撞中产生变形应根据碰撞强度逐级发生，控制受压各构件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入座舱；（3）车身座舱结构必须坚固可靠，这是保证车辆发生侧面碰撞或翻车时，乘员安全的主要手段碰撞力在车体结构的传递二、车身前部结构的碰撞安全性美国各种事故形态的分布•因此，研究车辆正面碰撞特性，合理设计车身前部结构，采取必要的正面碰撞保护措施，可有效提高车辆正面碰撞时的安全性。变形区I既第可保护行人，也可避免车辆在低速下碰撞的破坏性；第II变形区为相容区，保证两车相撞时，具有最佳的能量吸收。第III变形区用于撞击固定障碍（如墙壁）时，对座舱的完整性保护，称为自身保护区。碰撞相容性•车身前部结构的安全措施：（1）有效利用车身前部的压溃变形以吸收碰撞能量，缓解碰撞加速度；（2）加固座舱前壁结构，保证座舱的生存空间；（3）利用安全带、安全气囊等乘员保护装置，防止乘员因二次碰撞造成的伤害。1、车身前部结构吸能机理•车身前部构件主要依靠其弯曲变形和压溃变形吸收碰撞能量（实际上两种吸能方式往往同时发生）；•应用前纵梁的不同变形形式，能有效增加其能量吸收的能力。2、加强座舱结构强度的措施•提高座舱梁框架的承载能力。•车身前部纵向梁构件应在不大的集中力流情况下与座舱连接，防止座舱前壁局部压溃，一般采用叉型或三叉型布置结构3、防止车辆前部部件浸入座舱内•车辆前部部件，如发动机、变速箱、差速器、行走部分等质量较大，且碰撞中几乎不产生变形。•在车辆正面碰撞时，这些部件可能使车身前部的实际轴向压溃变形量减小。•为防止这些部件侵入座舱内，必须采取结构措施使其在车辆碰撞时向下移动。三、车身侧面结构的碰撞安全性•由于车身侧面碰撞时允许的变形（凹陷）空间小，因此，车身侧面结构的碰撞安全性设计原则是：提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形，保证座舱的完整性及生存空间。•保证座舱在侧面碰撞下的完整性，其结构设计一般采用以下方法：（1）合理设计座舱的梁框架结构，将侧向撞击力有效地转移到车身结构上具有承载能力的梁、柱、门槛、地板、车顶及其他构件上；（2）加强车门强度，如设置车门横向加强梁；车门防撞杆（3）增加车身侧围框架的抗冲击强度。除保证各梁构件的强度外（通过板厚、断面形状设计），各梁构件之间的连接部位强度也要提高，从而使侧向撞击力传递到整个车身部分；（4）增加门槛强度，如增大门槛梁的断面面积，在封闭断面内设置加强板，以及用发泡树脂填充门槛梁的空腔；（5）加强地板中部的地板通道，提高车身抗弯强度；（6）合理设计及布置门锁与铰链，防止撞击时车门自动开启，又要保证撞击后，车门能容易被打开。立柱、门槛梁与内、外蒙皮的搭接焊点布置门槛梁结构及断面形状四、车身后部结构的碰撞安全性•对于车身后面碰撞安全性，其结构设计思想基本与正面碰撞相同。•一般来说，后面碰撞时乘员的加速度效果较小。但应强调的是，由于车辆的燃油箱多布置在车身后部地板的下部，结构设计中应尽量减小油箱的损坏状况，避免燃油泄漏产生火灾。后碰时能量的传递第二节车身被动安全装置一、外部防撞装置1、保险杆保险杠系统的主要作用是保证汽车在低速条件下（8km/h以下）车身不受损和车内乘员不受到伤害，而在较高车速条件下通过自身的损坏失效吸收碰撞动能。按材料和作用原理常见的保险杆有：1）弹性型，如在保险杆内填充泡沫材料或蜂窝结构材料2）阻尼型，如液压型保险杆3）波纹管型，通过波纹管的有效变形吸收碰撞能4）主动作用型，与主动防撞探测系统结合，通过缓冲气缸将保险杠自动弹出一定距离2、侧围保险杆3、救护网一般设置在汽车前部，以防止撞击后的行人跌倒路面继而被车碾压4、减轻撞击行人的弹性装置一般设置在发动机罩上部及前风窗玻璃周围，减轻行人撞击后再次受冲击的强度。二、内部防护装置1、安全转向柱（吸能式转向柱）在汽车发生正面碰撞时，能够充分吸收汽车的碰撞动能，减小转向柱的后移量，以减小对驾驶员的伤害2、安全座椅•座椅的安全性指：汽车座椅在碰撞事故中，能最大限度地减少对驾驶员及乘员造成伤害的能力。•座椅安全功能失效时会引起各种形式的乘员伤害：座椅与车身的连接强度不够而在碰撞中脱离；在正撞时使乘员沿靠背下滑，使腰部安全带移到胸部，造成不利的约束状态。座椅的安全性3、安全带在正面碰撞中，对乘员起到约束作用，减小对乘员的伤害程度。一般采用三点式安全带。一般由卷收器、织带和所扣组成。4、安全气囊在发生一次碰撞后，二次碰撞前，防止乘员与车内车体结构发生直接碰撞，缓冲二次碰撞的强度。安全气囊系统由传感器、控制器、气体发生器和气袋等组成。传感器控制器气体发生器气袋气袋模块工作原理：当碰撞发生时，控制器根据传感器发出的信号，识别和判断碰撞的强度，判断是否触动气体发生器。气体发生器点火后迅速产生大量气体，在乘员和汽车车体结构之间展开一个充满气体的气袋。需要强调的是，安全气囊必须和安全带一起使用，才能起到保护作用。气袋模块第三节汽车碰撞安全试验一、汽车碰撞安全主要法规美国的FMVSS欧盟的ECENCAP评价程序碰撞安全法规0°碰撞左30°碰撞右30°碰撞偏置碰撞，重叠系数为40%、50%、60%100%重叠率刚性固定壁障试验40%重叠率的偏置变形固定壁障碰撞我国的碰撞法规或标准•正面碰撞安全法规CMVDR294（关于正面碰撞乘员保护的汽车设计规则），即GB11551-2003•GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护•C-NCAP中国新车评价程序二、正面碰撞试验1、试验方法•正面碰撞试验也称为固定壁障碰撞试验，是把试验车辆加速到指定的碰撞速度，然后与固定壁障进行碰撞。•根据碰撞范围的不同，有全宽碰撞和偏置碰撞。法规号FMVSS208(美国)ECER94/00ECER94/01项目名称碰撞时的乘员保护正面碰撞乘员保护（1995年）正面碰撞乘员保护（1998年）适用车辆轿车轿车轿车碰撞形式1.0°碰撞2.左30°碰撞3.右30°碰撞驾驶员侧与30°带楔壁障碰撞，并带防滑装置与可变形吸能障碍壁偏置碰撞，重叠系数为40％、50％、60％碰撞初速度48.3km/h50km/h56km/h车辆质量空车质量＋行李质量＋假人（2个）空车质量＋假人（2~3个）空车质量＋假人＋测试系统（36kg）安全带佩带与不佩带两种佩带佩带测试假人HybridIII(50百分位)HybridIII(50百分位)HybridIII(50百分位)假人数量及乘坐位置前排2个前排2个，驾驶员座后1个前排2个，驾驶员座后1个门窗状态关闭，不锁止关闭，不锁止关闭，不锁止法规号FMVSS208(美国)ECER94/00ECER94/01头部HICHIC≤1000（36ms间隔以内）HIC≤1000（36ms间隔以内）HIC≤1000（15ms间隔以内）胸部a3ms≤60g≤60g≤60g大腿轴向压力≤10kN≤10kN≤9kN胸部压缩量≤76.2mm≤75mm配备自动安全带的车辆≤50mm；气囊加普通安全带的车辆≤65mm损伤评价指标2、评价指标对比三、侧面碰撞试验在各种汽车碰撞事故形式中，侧面碰撞事故约占事故总数的30％，仅次于正面碰撞，而在造成死亡和重伤的事故中，侧碰事故约占35％。1、实验方法•按相关法规、标准要求，移动变形壁障以一定速度按规定方式与汽车侧部碰撞。•实验假人：侧碰假人EuroSID（欧洲），侧碰假人SID（美国）；•移动车：包括主车和可变性壁障。移动障碍尺寸要求质量/kg950轴距/mm3000轮距/mm1500Honeycomb6部分长度/mm1500离地间隙/mm300宽度/mm500美国FMVSS214碰撞法规侧面碰撞试验27°94054km/h•重950kg的可移动变形障碍壁MDB以50±lkm／h的速度垂直撞向某静态的试验车的侧面•移动壁的中心线与汽车的中心线垂直，碰撞中心点通过座椅的R点。•在被碰撞侧的驾驶位放置假人EuroSID，欧洲ECER95碰撞法规侧面碰撞试验GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护2、评价方法（以GB20071-2006为例）头部性能指标(HPC)应小于或等于1000；肋骨变形指标(RDC)应小于或等于42mm；在试验过程中车门不得开启；在碰撞试验后，如果燃油供给系统出现液体连续泄漏，其泄漏速度不得超过30g/min；四、C-NCAP介绍•移动台车前端加装可变形吸能壁障,冲击试验车辆驾驶员侧。•移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R点。•碰撞速度为50km/h～51km/h(试验速度不得低于50km/h)。•在驾驶员位置放置一个EuroSIDII型假人,用以测量驾驶员位置受伤害情况。侧碰试验评分项目表附加评分项目(满分3分)•前排安全带提醒装置(2分)•侧气囊和气帘(1分)正面100%碰撞（16分）正面40%偏置碰撞(16分)侧面碰撞(16分)评分项目评分评分项目评分评分项目评分头5分头4分头4分颈2分胸4分胸4分胸5分大腿4分腹部4分大腿2分小腿4分骨盆4分小腿2分星级划分表评分结果星级≥50分5+≥45且50分5≥40且45分4≥30且40分3≥15且30分215分1C-NCAP与我国侧碰法规相比要求更严格，主要表现在：①用试验假人不同。C-NCAP采用EuroSIDII型假人，而侧碰法规要求采用50百分位HybridⅢ型假人。②C-NCAP要求碰撞速度更高为50km/h~51km/h(试验速度不得低于50km/h)，而侧碰法规要求碰撞速度为50km/h。第四节轿车被动安全性计算机仿真研究汽车碰撞安全性有很多种手段。而在计算机仿真技术运用到汽车被动安全性研究之前，汽车产品的开发设计只能依靠传统的手段—通过实车碰撞来分析评价汽车的安全性，一般推出一项新产品需要5～7年。进行汽车的碰撞仿真研究，具有以下几个重要意义：（1）费用低廉；（2）周期较短；（3）可重复性好。但同时应该指出，任何仿真结果的准确性都必须经过试验来验证。一、主要研究方法1、多刚体动力学研究方法建模方便，计算速度快。但不能得到结构的变形情况，不能对结构的耐撞性进行分析。2、非线性有限元法符合汽车碰撞的特征。汽车碰撞仿真研究的有限元方法几何非线性材料非线性状态非线性大位移大转动大变形材料弹塑性变形接触摩擦汽车碰撞的特征二、主要商用软件进行碰撞仿真研究最常用、最成功的仿真软件是LSTC公司的LS-DYNA3D。目前多数有限元软件都集成了LS-DYNA软件的计算模块，如：ANSYS,NASTRAN等。作业1、什么是汽车主动安全性和被动安全性；2、碰撞安全性较好的车身应具有什么碰撞特性？