側(cè)面是整車中強度較薄弱的部位，而且乘員與車門內(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較高。這也是低速電動車標(biāo)準(zhǔn)草案中，側(cè)面碰撞測試一項引起廠家爭議的一大原因。本文從側(cè)面碰撞的載荷路徑傳遞進(jìn)行分析，對側(cè)面結(jié)構(gòu)變形量及變形位置與人體傷害的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行探討，提出了六點提高車身結(jié)構(gòu)側(cè)面抗撞性的優(yōu)化措施。

一、側(cè)碰試驗的技術(shù)要求及側(cè)碰中乘員損傷原因

我國《GB20071汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)中，對汽車側(cè)碰試驗技術(shù)要求是：試驗在駕駛員一側(cè)進(jìn)行。在碰撞瞬間，被測車輛靜止于試驗地點，移動變形壁障與試驗車輛側(cè)面垂直，并垂直相撞。碰撞時的速度要求是，至少在碰撞前0.5m的范圍內(nèi)移動壁障要保持50±1km/h的速度。如圖1所示。

圖1 整車側(cè)面碰撞試驗

一般來說，車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時都會伴隨有兩個過程，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。司乘人員在碰撞過程中受到損傷的主要原因可歸納為以下三點：

(1)一次碰撞過程過分劇烈，以致傳遞到司乘人員身上的加速度值超過了人體的耐受極限，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。

因為其中絕大部分的碰撞能量是由車體結(jié)構(gòu)來吸收的，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)計的關(guān)鍵點

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

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

(4)作用在門檻梁上的側(cè)向力，一方面來自外部的直接撞擊；另一方面來自B柱的傳遞。門檻梁受到的側(cè)向力通過車身底部的橫向結(jié)構(gòu)被傳遞到非撞擊側(cè)。

側(cè)向載荷路徑的設(shè)計的關(guān)鍵點

由于發(fā)生側(cè)面碰撞時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)面受到撞擊后對乘員艙的侵入，在設(shè)計側(cè)向撞擊力在車身結(jié)構(gòu)中傳遞的路徑時，要注意如下幾點：

(1)乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對側(cè)向結(jié)構(gòu)向車內(nèi)的運動或變形起到了重要的抵抗作用。

(2)側(cè)圍結(jié)構(gòu)自身的剛度對其向車內(nèi)的運動或變形也起到了重要的作用。

(3)車門抗側(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)組織成一個剛性的整體，對于減小車門對乘員艙的侵入非常重要。

(4)采用類似3H形的加強方案車身結(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，見圖3。

圖3 3H結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4 部件剛強度和側(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)計優(yōu)化建議

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

(1) 車門：常規(guī)增加板厚的方法會使車重增加太多，更合理的方法是設(shè)置抗側(cè)撞梁，將車門受到的載荷分散給兩側(cè)的立柱，減小車門受撞擊區(qū)域的變形。如圖5中的Y型抗側(cè)撞梁，可以通過車門鉸鏈和門鎖的位置與車身結(jié)合為一體，有利于將車門所受的撞擊力有效地傳給兩側(cè)的立柱。

圖5 車門中抗側(cè)撞梁的布置

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

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

a、對于B柱來說，對其剛度的需求遠(yuǎn)大于對其吸能性能的需求，因此B柱應(yīng)優(yōu)先采用高強度鋼材料。

b、通過前面的分析可知，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，這個剛度的設(shè)計要足夠大。同時為防止因局部進(jìn)入塑性變形階段而產(chǎn)生塑性鉸，通常采取加強措施，圖7中B柱加強板的作用就在于此。

圖7 B柱加強板示意圖

(3)門檻梁：側(cè)撞的門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，增強措施包括增加承載面積、在梁內(nèi)增加加強板以及填充發(fā)泡樹脂等。

比如，可以把門檻加強板移至門檻外板內(nèi)側(cè)以便與其形成強度遞增的變形模式，同時充分利用門檻內(nèi)的潰縮空間，然后門檻加強板加長延伸至車輛前門鉸鏈柱下沿，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度，保證車頂不發(fā)生向外的彎曲變形。