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汽车安全结构与碰撞论文

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毕业论文

题　　目:

　汽车安全结构与碰撞

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摘要

本文介绍了在汽车碰撞事故中,车身不同部位的刚性对其安全性有不同的影响提出了合理的车身刚性设计结构,即前后部为弹性中部为刚性结构。

阐述了车身骨架以及强化钢梁在汽车碰撞时的作用。

分析了在汽车发生前部撞击，侧面撞击，后部撞击时受力的传导。

以及汽车喷漆对汽车保护的作用

关建词：

汽车车身、汽车碰撞、车身变形

引言

一种现代的汽车车身必须符合很多的要求。

汽车的车身，最初主要是单纯地用来防风挡雨的，但现在，作为对车的形态和功能都有很大影响的基本骨架，已经逐渐变为一项十分重要的困素。

对于现在的车身，除了要求能够保舒适安全的个人空间、良好搭载动力装置之外，还要求其有高强度、最优化利用变形量、特别刚性的座舱、在座仓部最大限度的给乘客提供空间、前部的布局要非常紧凑、高效的护身制动系统、具备靓丽的外形设计等。

为了最优地实现所有的上述的要求，在设计布局的时候要给予特别的注意车身安全与舒适的兼容性。

一．车身结构简介

一般来说，车身结构被分为以下几种类型

1.1非承载式车身

将发动机和悬挂系装置等安装在用厚板做成的车架上，并在该车架上通过橡胶缓冲支架等安装车身的构造,由于车身和车架之间是通过橡胶制缓冲材结合的，所以来自发动机和路面等的震动、噪音不易传到车身上，从而提高驾乘的舒适性。

1.2承载式车身

承载式是指类似于鸡蛋单体的外壳，通过车身外板和框架组等使得应力被广泛分散出去。

乘用车多采用车室部较坚固，由前后部分来吸收大部分撞击能量的构造。

承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头、侧围、车尾、底板等部位，发动机、前后悬架、传动系统的一部分等总成部件装配在车身上设计要求的位置，车身负载通过悬架装置传给车轮。

承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷力的作用。

承载式车身不论在安全性还是在稳定性方面都有很大的提高，它具有质量小、高度低，装配容易，高速行驶稳定性好等优点，但是产生的噪声和振动相对较大，大部分轿车采用这种车身结构。

1.3半承载式车身

只是一种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构，因此被称为办承载式车身。

它的车身为半承载式车身。

它的车身本体与底价用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架上，车身与底架成为一体同承受载荷。

这种形式实质上是一种无车架的承载式车身结构。

因此通常人们只将汽车车身结构划分为非承载式车身和承载式车身

二．汽车车身结构的安全性

安全车身是在这三种车身结构的基础上，有针对性的对其安全性进行改进与优化。

在事故调查中，正面及侧面碰撞造成乘员死亡的比例是最大的。

经计算可知，在车速8km／h发生碰撞时．这部分能量占总碰撞能量的70％。

因此，在发生正面碰撞时，车身前部结构吸能与车室变形关系重大。

所以，首先应该对汽车车身前部和侧面结构进行优化。

安全车身应该包括：

前后碰撞变形区和高强度乘员舱。

前后碰撞变形区应拥有柔软的吸能区．吸能区在正面碰撞中变形越大，对于碰撞能量的吸收就越多，产生二次碰撞的能量也就越小，可以尽可能小的避免撞击力传到乘员舱中。

同时．应采用高强度乘员舱，保证碰撞后乘员舱的有效空间．避免乘员受到挤压，减少乘员受伤的危险。

特别是在遭受侧面碰撞时由于轿车侧面与外界只有一扇车门之隔，因此车门的抗冲击能力和乘员舱的框架强度成为保护乘员的根本。

除此之外，车身的材料对其安全性同样起的非常重要的作用。

安全车身结构通过使用不同强度的钢材分为：

普通、高强度、超高、特高四种。

将车身的前后分为多个变形吸能区域．乘员舱用超高强度钢，保证其强度，在侧面增加了特高强度钢的加强筋，将侧面碰撞力有效地转移到车身具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其他部件，使撞击力被这些部件分散、吸收，从而极大限度地把可能造成的损害降低到最小程度。

安全车身通过吸能变形区的设计．让车体的前部在碰撞时吸收大部分能量．让坚固的乘员舱尽量减少变形以避免乘员受到挤压。

最重要的是要使以下三种情况得到保证：

1．发生碰撞后乘员舱的变形量极小或者不变形车身前部变形明显．发动机盖向上翘弯，叶子板也向两旁弯曲，发动机室里的机件则向上方及两侧移动，惟独不朝客舱的方向溃缩。

如图3所示的阴影线部分就是撞车变形的理想区域。

2碰撞后车门是否能顺利打开：

车厢的刚性结构，在将传至乘员的冲击力减小的同时也使车厢的变形减至最小。

这样能够保护乘员舱的完整性及保护乘员安全逃离。

既要防止汽车发生侧面碰撞时车门自动打开，又要保证碰撞后．车门能够容易开启，以利于乘员的车外救护。

3．能量吸收机构是否可以降低对成员造成二次碰撞的撞击力：

把冲撞力切断、吸收，再经由整体式车身，把力量均匀分散至车身各部分骨架。

现代车身的安全设计以自我牺牲的方式．当车子在重撞击的瞬间，尽可能降低部空间的变形程度，最大限度保护坐舱中的乘驾者。

2.1前部能量分散、吸收构造

为了能够合理分散、吸收前部碰撞时的能量，强化了前部骨架并利用汽车前部的压溃变形吸收能量，以缓解碰撞加速度，汽车前部（特别是纵梁）常设计威s形纵梁或Y形纵梁。

（如图2.1）

图2.1强化了前部骨架

2.2侧面能量分散、吸收构造

为了能够合理分散、吸收侧面碰撞时的能量，强化了侧面构造并采用了适当的补强（如图2.2）增加车门强度，采取的具体办法有增加板厚或增加防撞横梁；增加侧围物件的强度．包括增大A柱、B柱、c柱的截面形状及板厚；增加门槛梁强度，增强措施包括增大承载面积；在车身B立柱高度上安装横梁系统，在仪表板下面以及后风窗下面安装加强横梁；合理设计门锁及门铰链，有利于将车门所受的撞击力有效地传给立柱。

图2.2强化了侧面

2.3后部能量分散、吸收构造

为了能够合理分散。

吸收后部碰撞时的能量。

强化了后梁（如图2.3）

图2.3强化了后梁

2.4保险杠

汽车保险杠是吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。

据关教授讲，许多年以前汽车前后保险杠是用钢板冲压成槽钢，与车架纵梁铆接或焊接在一起的，与车身有一段较大的间隙，看上去十分不美观。

随着汽车工业的发展和工程塑料在汽车工业的大量应用，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的道路。

今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能外，还要追求与车体造型的和谐与统一，追求本身的轻量化。

目前轿车的前后保险杠都是塑料制成的，人们称为塑料保险杠。

塑料保险杠具有一定强度、刚性和装饰性，在汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用，保护车体、灯具、乘客等不受损伤。

从外观上看，可以很自然地与车体结合在一块，成为装饰轿车外型的重要部件。

2.5前发动机罩

发动机罩，是指覆盖了发动机室的可能进行开闭的罩子。

发动机罩外板，发动机罩板以及加强件类两面都采用电镀钢板。

使其具有足够了的防锈功能。

此外，还采用了发对机盖隔音材料，以提高发动机外板的隔热和安静性。

在小型车系列的一部分车型当中，采用了铝制发动机罩。

发动机罩板和外板的四周以折边连接取代焊接。

为了确保发动机罩铰链和发动机罩、锁支架的刚性和强度，将加强梁点焊于板上。

在发生碰撞时，发动机罩由受到撞击而发生弯曲变形，这也是汽车发生碰撞时吸收能量的一个重要部件，而不是把它做得很坚硬（如图2.5）。

图2.5前发动机罩

三．汽车碰撞时受力的传导

为了保证对车人员和部物品的在碰撞时有最大的安全，在富士公司的车身开发和研制中注重了下列的事宜：

-承载的结构有高强度

-最优化利用变形量

-特别刚性的座舱

-在座仓部最大限度的给乘客提供空间

-前部的布局要非常紧凑

-高效的护身制动系统

除了下面讲的条件外，在斯巴鲁的车身上面还要实现最低车身重量的要求。

碰撞试验时按照法律的要求进行的真正仿真的试验。

实际的事故状态在实验室事先是难以预测的，所以在车身开发和研制中要分析公司原来的有关事故的调查资料。

只有能够达到这些要求的车才是用户满意的车。

采用在实验室再现式的碰撞试验，可以使车身的结构和乘客护身系统实现优化，以便让乘客在车祸的时候得到最大限度的防护。

3.1正面碰撞

正面碰撞有两种，一种针对美国的，一种针对欧洲的目的都是为了尽可能最真实表现车祸事故的状况。

两种方法是有区别的。

3.1.1按照欧洲的NCAP规程进行的正面碰撞：

在欧洲的NCAP规程里面，车速是以64km/h的车速开行,40%的障碍物横在正面，车有四个假人，两个成年人，一个三岁小孩和一个六岁小孩，障碍物是可变形的铝制管架（如图3.11）。

图3.1.1按照欧洲的NCAP规程进行的正面碰撞

3.1.2按照美国的NCAP规程进行的正面碰撞：

在美国的NCAP规程里面，车速是以56km/h的车速开行,100%的障碍物横在正面（如图3.1.2）。

有两个假人，障碍物是全刚性不可变形的。

但在美国还可以按照高速公路安全保险协会的规定试验，也即车速也是以64km/h的车速开行，40%的障碍物横在正面。

在这两种方式里面，对于不同的地区把单项伤害评估和总体伤害评估放在一起就是进行的评估的主要准则。

图3.1.2按照美国的NCAP规程

进行的正面碰撞

3.1.3在正面碰撞时受力的传导：

在正面碰撞时外力经过保险杠的支架传进车身。

固定在保险杠撑架上的抗碰撞件把力又传到发动机支撑座上。

它和前桥撑架以及弹簧减震支座一起会产生碰撞后的变形。

车和障碍物的碰撞接触面较小的时候，这些力经过横梁从保险杠侧面抗碰撞件，前板和前桥支撑座传导分配到车的左右两面。

然后，受的力再同时经过发动机支撑座传导到底板组件，经过发动机到正面板加强板到变速箱通道，经过车轮传到轮罩的门槛加长件的可变形件，传到A柱加强段和侧面框架上（如图3.1.3）。

同样的重要传导路径是，承受的负荷经过弹簧减震座和轮罩上的支撑座传到侧面框架上。

经过在弹簧支撑座后面的可变形围区限定了传到在A柱上的力，在A柱周围区间乘客座舱不受力。

图3.1.3在正面碰撞时受力的传导

3.2侧面碰撞

欧美的方法是不一样的。

NCAP“新车评估规划”对车的结构和乘客护身系统提出了最高的要求。

在前两种方法里面，都是采用两个假人，一个在司机座位上，另外一个在司机座位后面。

在这三种方法中，对于不同的地区把单项伤害评估和总体伤害评估放在一起就是进行的评估的主要准则。

另外这些试验还使人们了解了可能会受到很高负荷的一些局部的结构部件的一些特性。

3.2.1按照欧洲NCAP规则的侧面碰撞：

在按照欧洲NCAP规则的侧面碰撞，以50km/h的速度，在司机座位一侧的可变形的铝制管架障碍物和车进行碰撞（如图3.2）。

图3.2按照欧洲规则的侧面碰撞

3.2.2按照美国的LINCAP规则的侧面碰撞：

这个规则的英文全文是LINCAPLateralImpactNewCarAssessmentProgam，即新车侧面碰撞规划。

碰撞障碍物的速度为38.5mph（每小时迈），角度为27度（如图3.2.1）。

图3.2.1按照美国的LINCAP规则的侧面碰撞

3.2.3在侧面碰撞时受力的传导：

如果在侧面碰撞是行驶的障碍物碰撞到车上，首先是碰撞力传到车门加固板和门锁上面，然后传到A柱，B柱和C柱上进行分担。

在继续变形时再传到在B柱和C柱的车门加固板的保险挂钩。

此外由于构件已经相互挤压也使车门板压到门槛上，侧面车身面板被压死。

这就使框架的座舱受力变形（如图3.2.2）。

如果这种挤压变形继续加大的时候，门槛上的力就继续传给座位下横梁板，再传给连接板梁，变速箱支撑座和底板板梁直到车身的另外一侧，同时对顶棚也加力了。

对于不带天窗的车身来讲顶棚向另外一侧传力，对于带天窗的车身则是由很高强度的天窗分担了很大一部分力量。

如果B柱靠在座椅旁，则高刚度的座椅框架会传到车的另外一侧。

图3.2.2在侧面碰撞时受力的传导

3.3车尾部碰撞

按照美国的法律，联邦各州机动车安全标准，尾部碰撞是70％的碰撞面，碰撞物的速度是50mph（每小时迈）（80km/h），它的质量为1368kg（如图3.3）。

障碍物上带有可变形的铝合金管架。

碰撞试验是在油箱加油口侧进行，也用于对燃料加油系统的密封进行检验。

另外也检测了在这种负载下的车结构，座椅结构，后桥和行厢里面的各个部件的情况。

图3.3按照美国规则的尾部碰撞

3.3.1在车尾部碰撞时的受力传导：

在障碍物和车的尾部相碰撞时，碰撞力经过保险杠架子可变形构件分配到车的两边。

在碰撞速度大约是15km/h的时候，这些被碰撞的可变形构件非常容易更换，费用不高。

在更高的速度时则会使纵向支撑架产生变形。

这个力再经过后桥支撑和车轮子，在全车身宽度上分布，作用在后部底板和门槛成形构件上。

在车身侧板后上部区域有受力分布和力的衰减变化。

力传导到C柱上，再到顶棚，一部分传到车门，向前传递（如图3.3.1）。

在侧面框架的高负载区域和后桥支撑架连接处还有附加的加强构件。

还有一部分力要传到万向轴，到发动机和变速箱以及排气装置和电池上面。

在万向轴的区间有专门的可变形件。

铝制的万向轴在中间轴承上有锥形法兰，但钢制的万向轴带有外罩长管。

由于油箱是在后桥前面的最佳位置，在尾部碰撞时不会对油箱有损坏。

图3.3.1在车尾部碰撞时的受力传导

四．安全车身的发展

富士公司已经对安全身进行了研究，包括刚性乘员单元和车头、车尾部的变形区域，并将其安全车身注册专利。

随着技术不断发展，各大厂商不断在车身安全性方面进行研究。

如丰田公司的碰撞安全性车身GOA和本田公司的G-CON车身技术等。

丰田公司的GOA车身技术采用最新的有限元法和计算机模拟控制技术，开发具有高强度乘员舱和冲击能量高效吸收的车身结构。

通过碰撞实例研究，对车身结构进行设计，使用高强度钢板，在不增加车辆重量和制造成本的前提下，提高车身刚度，优化车身结构，提高车身刚度，优化车身结构，提高车辆的综合安全性。

GOA车身的核心技术是具有高强度乘员舱和冲击能量高效吸收能力的车身结构，它可实现车辆碰撞发生时，吸收碰撞能量的车身和高强度驾驶室能够有效吸收碰撞能量，并将其分散至车身各部位骨架，将驾驶室变形减少到最小程度，确保座舱中驾乘者的安全。

位于车前后的可溃缩车体，不仅能应对撞击事故，还能全方位加强座舱防护，缓和二次撞击，利于驾驶者逃逸或被救。

本田公司的G-CON是轻型轿车采用的车身技术。

通过车体框架的复合配置，充分地分散和吸收来自前方的撞击力。

这种车体结构不仅能在碰撞发生时提高自我保护，同时也考虑到减轻给对方车辆及行人的伤害。

全新CIVIC车型采用本田独有的G-CON碰撞安全车身技术，达到了欧洲新车评价规程（NCAP）的安全五星标准

结论:

如今的汽车通过巧妙的设计，一旦发生事故车身会采取溃缩等方式来消解外力，因此所造成的破坏力反而大大下降，安全性也有大幅度提高。

当然，由于撞击部位与力量的不同，个别部位在猛烈的撞击下，或许可能比较容易发生断裂之类的事故。

对于车身的安全，其实是各家车厂都在不断认真研究与改进的重大课题。

有一点是肯定的，只有在比较极端的情况下，才可能发生汽车在撞击后断裂成两节的事情。

只要小心驾驶所有的汽车包括比较小型的汽车都是非常安全的。