車輛小重疊碰撞探討

王翼 楊桃

（奇瑞汽車股份有限公司車身技術研究院）

車輛小偏置正面碰撞過程中，碰撞形式與傳統100%正面碰撞和50%重疊偏置碰撞完全不同，主要承力構件縱梁完全不起作用，對車內乘員造成傷害極大，因此正受到全世界汽車安全領域愈來愈多的關注，而國內各汽車廠商在此方面的研究剛剛起步。為提高車輛正面偏置碰撞安全性，最大限度保護乘員安全，有必要開展小重疊率正面偏置碰撞安全性的研究工作。

1 25%重疊面碰撞測試簡介

目前各國法規(guī)和新車碰撞安全評估標準中，都設立了正面偏角碰撞、側面碰撞、車頂強度測試以及追尾對頸部的影響等測試項目，這些測試對車輛安全起到了很大作用。即便如此，根據美國公路安全保險協會（IIHS）統計數據，小偏置正面碰撞在正面碰撞死亡事故中約占1/4，但此類正面碰撞形式并沒有包含在各種汽車碰撞安全的法規(guī)和新車安全評估系統中。因此，IIHS于2012年，加入了一項全新的碰撞測試項目——25%重疊面碰撞測試。圖1示出IIHS 25%重疊面碰撞設置示意圖[1]。

在測試中，被測汽車以64 km/h的速度，用前端駕駛員一側大約車寬25%的面撞擊一個5英尺（1.5 m）高的剛性屏障，將一個50百分位混合Ⅲ假人用安全帶固定在駕駛席上代替真實的受害者來收集數據。另外，25%重疊剛性壁障碰撞試驗考察的位移點除駕駛席部分外，還增加了車門上下鉸鏈及門檻位置，共16個位移點。碰撞成績分為“優(yōu)秀、良好、及格、差”4個等級。

2 存在的問題

在IIHS官網公布的首批碰撞測試的11款車型中，僅有2款車型（沃爾沃S60和謳歌TL）的總分獲得了“優(yōu)秀”的評級，如表1所示。

表1 第1批IIHS 25%重疊面碰撞測試成績

縱觀這些車型的碰撞成績，在25%重疊面碰撞的特殊情況下，對現有的車身結構設計、腿部生存空間，以及氣囊和氣簾等約束系統都提出了新的挑戰(zhàn)。主要表現在以下4個方面。

1）碰撞形式。與40%正面偏置碰撞測試相比，25%重疊面碰撞測試碰撞面積大大減小，如圖2所示[2]。對于多數全承載車身結構，壁障面避開了汽車的前縱梁，因此碰撞的能量無法通過前縱梁的變形來吸收。

2）侵入量。碰撞對汽車的損壞最先從保險杠蒙皮、懸掛及車輪等非承載力結構部位開始，隨即直接破壞車身A柱結構，造成假人一側的結構嚴重受損變形，乘員艙侵入量大大增加，如圖3所示。潰縮不足的轉向柱、變形的內飾零部件，以及車輪和懸掛都會加大對假人的傷害。

3）加速度。在25%重疊面碰撞中，壁障直接撞擊A柱區(qū)域結構，與40%正面偏置碰撞相比，如圖4所示[2]。產生加速度峰值更大，易于加大對假人的傷害。

4）被動約束系統。在25%重疊面碰撞中，因碰撞位置離汽車質心縱向距離相對較遠，碰撞產生的沖擊力通過質心形成了一個力矩，使汽車產生旋轉，假人的頭部因慣性撞向左側A柱區(qū)域，如圖5所示[2]，正好失去了正面氣囊和側面頭部氣囊的保護，如圖6所示。

3 設計方向探討

針對目前碰撞中存在的結構問題，分析IIHS碰撞過程，觀察發(fā)現獲得“優(yōu)秀”評級的車型與其他車型在碰撞過程中存在截然不同的現象。以沃爾沃S60（“優(yōu)秀”評價）和奧迪A4（“差”評價）2款車為例，將碰撞過程劃分為4個階段，如圖7～圖10所示。

1）在碰撞第1階段，當前保險杠蒙皮與壁障接觸時，壁障所占車寬比例兩車并沒有任何區(qū)別，如圖7所示；

2）在碰撞第2階段，即壁障穿過保險杠蒙皮、懸掛及車輪等非承載力結構部位到達A柱結構區(qū)域時，沃爾沃S60車身較奧迪A4已經發(fā)生了明顯的右側平移，A柱乘員艙與壁障的重疊量大大減少，其產生的碰撞力也降低了，如圖8所示；

3）在碰撞第3階段，由于沃爾沃S60車身A柱所受碰撞力相對奧迪A4低了許多，則沃爾沃S60表現為擦過壁障邊緣繼續(xù)向前運動，而奧迪A4因A柱受碰撞力較大，則表現為車身繞著碰撞接觸點產生明顯旋轉運動，如圖9所示；

4）在碰撞第4階段，由于兩車在前面碰撞中的形式不同，因而碰撞最終停止的位置也不盡相同，如圖10所示。

通過上述分析可以得出：在目前現有類似的車身結構下，碰撞第2階段是影響碰撞結果的一個關鍵過程。

在車身前碰耐撞性（100%正面碰撞和40%正面偏置碰撞）設計中，力的傳遞主要通過前縱梁、副車架及shotgun[3]3條路徑，其中大部分能量被前縱梁變形所吸收，如圖11所示。而在25%偏置碰撞中，傳統的車身結構傳遞路徑僅有shotgun這一條，因而可得出：shotgun結構特點決定了汽車在25%偏置碰撞中的運動變形形式。

對比沃爾沃S60與奧迪A4前艙結構（如圖12所示）可以發(fā)現，沃爾沃S60的shotgun結構截面設計與前縱梁相當，并在前縱梁之間新增了封閉的連接梁，三者進而形成封閉環(huán)狀梯形結構，而奧迪A4為懸臂設計。沃爾沃設計大大提高了shotgun在25%重疊碰撞第2階段的x，y向的承載力，在碰撞第3階段開始前使車身產生足夠的側向位移而減少與壁障的重疊量，從而減少第3階段碰撞對A柱結構的沖擊。

另外，相關資料顯示，本田CRV早期針對小偏置兼容性正面碰撞做過相關研究，其設計思想是使shotgun、前縱梁及前保險杠橫梁之間形成封閉環(huán)狀結構，使之能更高效地傳遞碰撞載荷[4]。

通過上述分析可知，車身shotgun封閉環(huán)狀結構對于25%重疊面碰撞起到重要作用，是未來車身結構設計優(yōu)化的一個方向。另外，底盤懸掛擺臂結構件在碰撞中的變形趨勢，以及氣囊和氣簾的匹配彈出形狀和位置等都是未來車輛被動安全提升的方向。

4 結論

按照傳統設計，在IIHS 25%偏置碰撞中，車身縱梁與壁障錯開，起不到碰撞變形吸能作用，僅通過shotgun和側圍等極少結構件進行吸能，車身將出現巨大的侵入量以及加速度峰值；另外由于車身繞垂直軸轉動，假人頭部有可能偏離氣囊中心而撞擊方向盤的左側或A柱區(qū)域，進而引起更大的傷害。

針對碰撞測試中的這些問題，對車身結構設計，尤其是shotgun結構、乘員艙腿部生存空間的維持、底盤懸架擺臂結構件在碰撞中的變形趨勢，以及氣囊和氣簾等現存約束能力等方面都提出了新的改進方向，促進各主機廠對安全性投入研究，逐步提升車輛未來安全。