淺析汽車重量與安全性的關系

楊波波

摘 要：汽車已經走進了普通大眾的生活，路面上車水馬龍非常熱鬧，人們駕駛著自己的愛車，奔向目的地。車里載著親人或朋友，人們都希望能安全的到達目的地。汽車給我們帶來便利的同時也隱藏著潛在的危險。2019年中國發生交通事故24.8萬起，直接導致財產損失13.46億元。汽車安全是人們買車用車最為關注的問題。

關鍵詞： 汽車;重量;安全

汽車的安全性是人們選車的決定性因素。談起安全，人們認為質量大的汽車，堅固抗撞，應該比較安全。確實，絕大多數由相同金屬材料制成，形狀相同的物體質量越大，它的強度、硬度越大，越容易抵抗外界的沖擊力。當受到外界同方向、同大小的沖擊時，物體的形變量就越小。這樣可以通過增加汽車各零部件的質量來增強車身的強度、硬度，從而增大汽車的安全性。

汽車車身A、B、C柱是保持汽車整車形狀的三根支撐柱，A、B柱是保持主駕駛與副駕駛位置空間的支撐柱，B、C柱是保持后排座空間的支撐柱，這三根支撐柱是保持汽車車內空間的主要支撐柱。汽車受到外界不同方向沖擊時，只要A、B、C三個支撐柱不發生太大地形變或斷裂，就會為車內人員留下寶貴的生存空間，很大程度上降低了交通事故的傷亡率。相反A、B、C三個支撐柱斷裂就直接威脅到駕乘人員的生命安全。2020年上半年，中保研做了一個實驗，一輛汽車時速60千米，做二分之一偏置碰撞時，A柱斷裂，出現了假人爆頭的危險一幕。試想駕駛這樣的車輛人們能安心嗎？您會選擇這樣的車輛嗎？

制造車輛的材料不變的情況下，要保證車輛具有一定的強度和硬度，就得保證汽車具有一定的重量，從這個角度考慮，汽車的重量越大就越安全。所以很多人基于這樣的考慮，在選擇車輛時把汽車重量作為最重要的依據，這樣真的靠譜嗎？汽車發動機、車身底盤各零部件形狀材料相同條件下，各零部件質量越大，汽車的牢固程度越大，抵抗外界沖擊能力就越強，這樣車輛的安全性能就好嗎？其實汽車安全受多種性能影響。

對加速前進的汽車受力分析，由地球對車輛吸引而產生的重力、地面給車間的支持力、來自發動機的牽引力、地面給車輛的摩擦力（兩驅汽車，驅動車輪受到的摩擦力是驅動車輪加速行駛的動力，而從動車輪受到地面的摩擦力是阻力）、行駛中的空氣阻力（車輛行駛中的主要阻力）等，由牛頓第二定律a=F/m（F車輛受到的合外力，m汽車質量，a汽車加速時的加速度）可知，當汽車在行駛環境相同且汽車受的F合理不變的情況下，汽車的質量m越大，汽車的加速a就越小。由運動學公式V=Vo+a.t（V汽車加速要達到的速度，Vo汽車加速開始時的初速度，a汽車加速時的加速度）可知，汽車的加速度a越小，汽車要達到目標車速就需要越長的時間，汽車車速增加的就越慢，即汽車加速性能就越差。而汽車在超越同向行駛車輛時，需要在短時間內將車輛的速度提到較高的車速，這樣才能保證超車行駛的安全性。從這個角度來看，汽車質量越大，越不利于汽車的安全行駛。

對制動過程中汽車受力分析，由地球對車輛吸引而產生的重力、地面給車輛的支持力、地面給車輛的摩擦力（車輪受到地面的摩擦力是阻力）、行駛中的空氣阻力（車輛行駛中的主要阻力），由牛頓第二定律a=F/m（F車輛制動時受到的合外力，m汽車質量，a汽車制動時的加速度）可知，當汽車在行駛環境相同且受的F合力不變的情況下，汽車的質量m越大，汽車制動時的加速a就越小。由運動學公式L=Vo.t-a.（L汽車制動距離，Vo制動開始的初速度，a制動減速時加速度）可知，當汽車制動時的速度Vo一定時，汽車的制動距離L取決于制動時的加速度a。制動距離L越大，汽車的制動性能就越差，越不利于車輛的安全行駛，從這個角度來看，汽車質量越大越不利于行車安全。同時，質量大的汽車油耗必然高，高油耗還提高了汽車使用成本。汽車選用的汽油是由石油提煉而來的。石油是不可再生能源，需要數百萬年積累而成，用一點就少一點，高油耗的車輛必然引起能源的過渡消耗，加劇能源危機。

汽車尾氣是引起環境污染的罪魁禍首。汽車尾氣的主要成分有一氧化碳-毒性氣體、硫化物-酸性氣體、氮氧化合物-光化學氣體、碳氫化合物、二氧化碳等。氧化碳、硫化物、氮氧化合物和雨水結合形成亞硫酸，具有一定腐蝕性，會破壞動植物的健康生長。氮氧化合物是產生光化學煙霧的重要成分，它與碳氫化合物在紫外線的照射下，會發生化學反應，形成光化學煙霧。當光化學煙霧的光化學氧化劑超過一定濃度時，具有明顯的刺激性。它能刺激眼結膜，引起流淚并導致紅眼癥，同時對鼻、咽、喉等器官均有刺激作用，會引起急性喘息癥。光化學煙霧還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害。碳氫化合物是未完全燃燒的汽油，也是光化學氣體。二氧化碳是溫室氣體，是全球氣候變暖的罪魁禍首。所以，減少汽車質量不僅可以減少車輛運行的成本，還可以減少汽車尾氣中的有害氣體的排放，從而保護我們賴以生存的環境。

減少汽車重量的同時還要保證汽車的質量。傳統汽車發動機多采用鑄鐵鑄造而成。車身材料一般選用強度較大的鋼制成。鐵的密度比較大，一立方厘米的鐵的質量為7.8克。而鑄鐵、鋼的主要成分為鐵，所以鑄鐵、鋼的密度比較大。每立方厘米鋁的質量為2.7克，密度遠小于鐵的密度。鋁的強度剛度不能滿足汽車材料的需求。鋁合金主要成分是鋁，密度和鋁接近。鋁合金兼備了鋁密度小的特點，同時具有強度大、硬度大的特點。用鋁合金來鑄造發動機，可以有效降低發動機重量。活塞連桿選用鋁合金材料，可以有效降低活塞連桿的質量， 這樣就可以減少活塞連桿的慣性（慣性由物體的質量決定，質量越大則慣性就越大），有效降低由活塞連桿慣性引起的慣性阻力，從而降低汽車的油耗。

根據全鋁車身特點，不同部位選用不同成分的鋁合金，可選用的鋁合金主要有鋁勐合金、鋁鎂合金、鋁鎂銅合金、鋁鎂硅銅合金等。這些合金共同的特點是密度小，與相同厚度鋼板相比重量輕，可以有效降低車身重量的百分之三十以上。鋁合金硬度大，強度略小于鋼材，不過可以通過增加鋁合金板件的厚度來彌補鋁合金板件的強度。同時全鋁合金可塑性強，這樣可以制造出形狀更為復雜的車身，便于整車形狀個性化設計和流線性設計。流線性車身可以有效降低汽車高速行駛時產生的空氣阻力。鋁合金車身還具有很強的抗氧化能力，因為氧氣和車身表面的鋁合金發生氧化反應，生成鋁的氧化物保護膜，隔離了空氣中的氧與保護膜下面的鋁。鋁合金車身另外一個特點就是貴，這就阻礙了鋁合金車身在中低端車型中的普及。降低鋁合金車身的成本就顯得格外重要。

汽車車身板件的強度、硬度越大越好嗎？實際上車身前縱梁，保險杠還有冷卻液支架是車輛的吸能件，當出現一定程度的碰撞時，這些吸能件必須發生形變。因為在發生形變時，吸能件內部分子層發生滑動，分子層的摩擦產生了熱量，這樣就將外部一部分沖擊能量轉化成吸能件的內能，然后通過熱傳遞的形式傳遞到大氣中，這樣傳遞到車內人員與車外人員身上的沖擊力就會減少，就可以減少人員的傷亡或避免傷害。

吸能件發生形變時就必須更換，不能通過鈑金來修復吸能件，因為敲拉修復會導致板件硬化，強度和硬度都會增大。如果這個部位再發生碰撞，修復后的吸能件吸能效果就相當有限，甚至會喪失吸能的能力。所以吸能件強度和硬度不能太大。

綜上所述，在保證汽車強度、硬度、抗腐蝕能力等的情況下，通過新技術、新材料的運用，可以有效降低汽車重量，這樣對行車安全、燃油經濟性、環境保護都有積極性作用。

參考文獻：

[1]刑彥鋒.，宋新萍.王巖松.汽車車身結構：清華大學出版社：，2013年1月.

[2]邱霖.陳昉莉.張高智.汽車鈑金? .科學技術文獻出版社，2015.4

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