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)面撞擊也是導致乘客傷亡最嚴重的事件，高達30%。于是，全球各國陸續(xù)頒布了對應的條款，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》，這項標準依照歐洲的ECER95規(guī)范實施[1]。側(cè)面撞擊是導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)計時的強度標準參照美國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，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，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)計評價標準提供有效參考。