汽車側(cè)面碰撞車門可靠性優(yōu)化設(shè)計

王鑫

安徽江淮汽車集團股份有限公司 安徽省合肥市 230601

現(xiàn)如今為了便于出行提高生活舒適度，家用轎車已經(jīng)成為必需品。很多家庭擁有不止一輛轎車，部分家庭甚至更多，這種出行方式在方便人們出行的同時，也積極的推動了國家汽車工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，與此同時人們也應(yīng)該關(guān)注到轎車數(shù)量的增長所帶來的不良后果：道路堵塞增多、交通事故增長以及發(fā)動機燃燒廢氣排放造成的環(huán)境污染等，這些不良后果與我國倡導(dǎo)的節(jié)能減排規(guī)劃以及打造友好型環(huán)境相違背。其中，交通事故頻發(fā)，給我們生活帶來了恐慌。根據(jù)交通部門的有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，側(cè)面碰撞是引發(fā)交通事故的主要原因之一，所以，為了降低汽車給人們帶來便利的同時所帶來的的負面影響，我們需要不斷對汽車的各個部位進行優(yōu)化和升級。

1 我國當(dāng)前汽車側(cè)面碰撞問題的現(xiàn)狀

方便、安全是我們對汽車的兩個最基本要求。相關(guān)部門發(fā)布的數(shù)據(jù)資料顯示，轎車側(cè)面撞擊是出現(xiàn)次數(shù)最高的交通事故之一，在我國全部撞擊類交通事故中，側(cè)面撞擊以32%的比率遠遠高于其它類交通事故；在交通事故所造成的傷亡事故里面，側(cè)面撞擊也是導(dǎo)致乘客傷亡最嚴(yán)重的事件，高達30%。于是，全球各國陸續(xù)頒布了對應(yīng)的條款，中國在2006年開始施行國家強制法規(guī)《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》，這項標(biāo)準(zhǔn)依照歐洲的ECER95規(guī)范實施[1]。側(cè)面撞擊是導(dǎo)致交通事故的主要因素之一，為了降低轎車發(fā)展帶來的不良后果，更好地滿足人們對安全、節(jié)能環(huán)保的需求，我們需要不斷地對汽車進行改造和升級優(yōu)化。

2 汽車車門可靠性優(yōu)化的方式

車門是汽車車身中一個相對獨立卻又十分重要的零部件，對車輛本身以及乘車人員的安全性具有十分重要的作用。當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)面的碰撞事故時，車門能最大程度地較少對車身以及乘車人員造成的傷害，具有保護乘客生命安全的重要作用。因此，在保證車門的碰撞安全性和結(jié)構(gòu)性能的條件下，選擇合適的材料、應(yīng)用合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是提高汽車車門碰撞安全性、可靠性的重要方法。

如今我國研究汽車車門碰撞可靠性、安全性主要是根據(jù)車門靜態(tài)擠壓、扭轉(zhuǎn)剛度、靜態(tài)剛度載荷等方面進行研發(fā)考慮。針對車門碰撞安全性的改進方案主要包括汽車車門輕量化、提高汽車車門剛度、改善側(cè)面碰撞安全性能等方面[2]。

2.1 汽車車門輕量化

目前大部分車門使用的材料是普通鋼，車門設(shè)計時的強度標(biāo)準(zhǔn)參照美國FMVSS214中側(cè)面碰撞靜態(tài)試驗規(guī)范[3]。在車輛設(shè)計中，汽車的傳統(tǒng)使用材料中鋼材依然占有很大比重。鋼的結(jié)構(gòu)強度比較高、可塑性強、碰撞時可以很好的吸收能量，但是具有密度大、抗腐蝕性能低的缺點。經(jīng)多方實驗表明，鋁合金相對來說具有低密度、強度高、抗腐蝕能力強、利用率高等優(yōu)點，但是鋁合金的彈性模量較小、延展性差，在制造過程過需要一定的技術(shù)能力。如今隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制造能力顯著提升，汽車工業(yè)中已經(jīng)攻克鋁合金的制造技術(shù)，將鋁合金材料應(yīng)用在車門制造上，這是達成汽車車門輕量化的重要手段之一。車門材料采用鋁合金來代替原來的普通鋼板，改變了車門內(nèi)外板的厚度，在滿足車門碰撞安全性要求的前提下實現(xiàn)車門輕量化。

目前60%以上的鋼制車門采用內(nèi)外板結(jié)構(gòu)：用車門的內(nèi)板和車門的外板作為框架，中間留有安裝車窗、保證車窗上下?lián)u動的空間。然后將車鎖、車把手、車窗升降器等部件在車門內(nèi)板安裝，這種結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，不利于車門輕量化；還有一小部分鋼制車門采用單板結(jié)構(gòu)：在車門內(nèi)板上只安裝一些功能用的支架和零件，這種結(jié)構(gòu)相對內(nèi)外板結(jié)構(gòu)來說剛度低、性能不足；此外，開放式結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋁合金材料的應(yīng)用，用鋁合金制成車窗框架相對成本減小，而且有一定的輕量化效果。為了達到更好的輕量化效果，一種框架式車門逐漸得到展現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的車門的外框架是由液壓塑造的管制成的，它將側(cè)面防撞桿和管材充分結(jié)合在一起，不僅可以完善車門框架結(jié)構(gòu)，而且縮減了車門材料的使用量，可以有效的降低質(zhì)量。由于管材和防撞桿設(shè)計在一起，在受力時，通過變形緩沖減小了碰撞作用力同時還具有引導(dǎo)外力方向的作用。

2.2 汽車車門高剛度

車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其剛度是結(jié)構(gòu)性能的主要評價指標(biāo)，車門剛度分為車門內(nèi)板對窗框的擠壓剛度、車門外板對窗框的擠壓剛度、窗框最上角橫向彎曲剛度、窗框中部橫向彎曲剛度、密封條處剛度、垂直剛度和窗框最下角緩沖塊橫向彎曲剛度等7個方面[4]。

其中，車門內(nèi)板對窗框的擠壓剛度、車門外板對窗框的擠壓剛度與腰線處剛 度有關(guān)，窗框最上角橫向彎曲剛度、窗框中部橫向彎曲剛度、密封條處剛度與窗框處剛度有關(guān)。垂直剛度受鉸鏈處安裝板影響極大，主要提升方向是優(yōu)化鉸鏈安裝板和加強板；窗框最下角緩沖塊橫向彎曲剛度受緩沖塊附近型面影響較大，主要提升方向是優(yōu)化局部型面。

此外，應(yīng)用模塊化的車門設(shè)計將車門分為內(nèi)、外兩個模塊。內(nèi)模塊應(yīng)用高強度鋼、外模塊采用高強度鋁合金做為材料。模塊化的車門采用液壓成型的管材做為材料將側(cè)面防撞桿集合為一個整體，同時車門上框采用滾軋成型技術(shù)。這種滾軋成型的車門具有質(zhì)量小、強度高的優(yōu)點；車門外板采用液壓成型技術(shù)也具有抗凹陷能力強的特點；在整個車門的組合工藝中，利用激光焊接裝配技術(shù)，在一定程度上的提高了車門整體的剛度。

2.3 汽車側(cè)面碰撞安全性能的改善

中國人口密度較大，道路交通狀況錯綜復(fù)雜，車輛的安全性能參差不齊，這些種種，都是造成交通事故頻發(fā)的原因。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年車禍造成的經(jīng)濟損失中，有將近1/3是由于側(cè)面碰撞引起的，人員的死亡率也較大，嚴(yán)重地威脅著人們的生命安全，因此我們需要對側(cè)面碰撞進行深入的了解，爭取通過技術(shù)手段改善當(dāng)前的汽車結(jié)構(gòu)，提高汽車的安全性能。

根據(jù)汽車側(cè)面碰撞試驗的性能指標(biāo)，假如想增加汽車側(cè)面碰撞的可靠性，就要針對汽車側(cè)面的車身構(gòu)造展開一定的優(yōu)化，優(yōu)化思路是：最大程度降低車門的凹陷深度，確保撞擊變形后乘客盆骨周圍剩余充足的空間；最大程度地減少側(cè)面撞擊過程中傳遞給乘客的碰撞，也就是降低二次撞擊速度，進而減少側(cè)面撞擊對乘客造成的傷害[5]。主要有以下幾點：

2.3.1 降低車門形變手段

從車門內(nèi)側(cè)到座椅外側(cè)留有一個最小距離，發(fā)生側(cè)面撞擊時車門發(fā)生的凹陷量不得超過這個最小距離，這種情況下才能夠讓乘客在遇到側(cè)面撞擊后擁有充足的生存空間，避免被擠壓在車內(nèi)。為了保障這一條件，最主要的方式是在車門中安裝車門防撞桿；另外也要對座椅橫梁、門檻加強梁、窗臺加強板、B柱采取一定的強化措施；同時，要確認A、B、C柱與門檻、頂蓋安裝完好，包含門鉸鏈以及門鎖的安全性。由于碰撞時產(chǎn)生的沖擊力通過車門傳遞到門框，導(dǎo)致門框受力，因此車門的凹陷程度由門框的強度決定，門鉸鏈以及門鎖的安全性決定了在碰撞發(fā)生時車門是否會掉落或者打開。

2.3.2 降低二次碰撞速度方法

在增加了車身側(cè)面強度的同時，導(dǎo)致汽車發(fā)生側(cè)向撞擊時具有較大的側(cè)方加速度，車身的強度與碰撞后的二次速度成正比，所以在設(shè)計車身結(jié)構(gòu)時要考慮到車身強度和碰撞二次速度的關(guān)系[6]。

根據(jù)以往外部試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映，側(cè)面撞擊過程中乘客胸部遭到的傷害大小與B柱腰帶（乘客胸部高低距離）裝機假人的速度成正比。而且，在研究試驗過程也關(guān)注到B柱在變形的情況下，腰帶處的變形速度是最高的。因此，欲減少側(cè)面撞擊過程中對乘客胸部形成的損傷，一定要減少B柱腰帶處的塑性變形速度[7]，為了減小人體腹部以及盆骨傷害則要求必須降低其所對應(yīng)的人體腹部所在位置和盆骨所處位置車身的變形速度，我們可以將吸能材料添加在汽車的內(nèi)部對應(yīng)位置，減少在傳遞過程中車內(nèi)板的撞擊能量，用此方法來降低車門內(nèi)側(cè)的變形速度；通過加固車身四周門框、加大乘車人員座椅架的剛度，依靠座椅的支撐和緩沖力量，來降低二次碰撞速度。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著時代的不斷進步，汽車行業(yè)在給我們帶來便利的同時，也給我們提出了新的要求。汽車設(shè)計者、生產(chǎn)者一定要不斷更新生產(chǎn)理念，在保障汽車安全性能的基礎(chǔ)上，利用新材料、新技術(shù)、新工藝減少交通事故的發(fā)生。在充分了解我國汽車現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，不斷實踐，不斷實驗和仿真分析，將汽車車門可靠性優(yōu)化的幾種方式投入于生產(chǎn)，一定可以提高汽車的側(cè)面碰撞安全性，為開發(fā)滿足實際道路交通狀況的汽車側(cè)面碰撞安全性設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)提供有效參考。