無B柱車身的碰撞安全策略開發淺析

摘 要：文章通過具體案例闡述了無B柱車身在正面碰撞、側面碰撞、頂壓、柱碰過程中的結構設計思路以及分析了安全碰撞性能提升的開發策略。

關鍵詞：無B柱車身 碰撞策略 結構設計

1 緒論

為了提升乘員的進出便利性，給用戶帶來更好的乘坐體驗，無B柱車身的開發成了整車開發的一種新趨勢，它能讓乘客直接坐進車內，而不是鉆進去，同時可以給智能座艙帶來更多的使用場景，支持座椅180°旋轉，給整車營造辦公和家居的感受。但因無B柱，整個門洞尺寸是有B柱車型的兩倍以上，對車身剛度、尤其是其安全性能的開發成為阻礙該項開發的重要的技術難點之一，制約了無B柱車身量產化的進程。

車身B柱對整車剛度以及前部、側面碰撞的穩定性起到至關重要作用，同時提供門鉸鏈和鎖的安裝結構和有效支撐。無Ｂ柱車身，對于控制A柱上邊梁在小偏置碰中的變形及相關聯的A柱底部的侵入量都帶來了極大的挑戰，就如拱橋結構，相當于把中間的橋墩取消，拱橋的跨度越大，技術難度越大。

本文主要從碰撞路徑搭建，及關鍵技術結構運用為出發點，提供了無B柱車身滿足C-NCAP的五星要求及CIASI耐撞性的G的水平評價的達成路徑和方法。

2 碰撞安全策略開發

隨著車輛的普及和汽車保有量在中國的逐步提升，汽車安全受到越來越多的關注，CNCAP對于被動安全的要求也在逐步提升，對于碰撞安全測試試驗，2023年以來在碰撞速度、壁障重量和類型上都進行了加嚴，從而對安全性能的達成又增加了新的挑戰。如正面碰撞速度由原來的50km/h增加到56km/h，側面碰撞速度由原來的50km/h增加到60km/h，壁障質量由1.4t增加到1.7t[1]，由能量公式 E=1/2mv2可知，其碰撞能量的增加不容小覷。而對于電動汽車，動力電池系統碰撞安全性研究尤為重要[2]。側柱碰對電安全性能的特別要求，使碰撞位置覆蓋整個電池區域，尤其給無B柱車身的側面安全增添了更高難度。

因此，更高的要求，需要更好的設計，分別從結構布局、材料及工藝選擇出發，進行系統的結構設計，從而才能達到一個高碰撞性能的車身。

2.1 正面碰撞安全策略開發

通過開發雙重正面防撞系統，采用雙重吸能結構+雙重抗形變結構組成的新型防撞系統，即使在較短前懸的前提下，也能在正碰過程中表現出優良的性能。

雙重吸能結構由連接縱梁的上層防撞梁和增加吸能盒的下層防撞桿組成，如圖2所示綠色部件，通過選用高強度7系鋁合金作為前防撞梁，兼顧了車身輕量化和碰撞潰縮卸力需求。截面采用日字型設計，相比主流口字型防撞鋼梁，抗沖擊能力提升30%以上，有效潰縮變形吸收碰撞能量。而雙重抗變形結構是由上部梯形結構和下部桁架結構（圖2中金色部件）組成，抵御碰撞對乘員艙的入侵。上部梯形結構連接兩側車身框架，讓粗壯的側框結構提前參與抵御正面沖擊，如圖3（a）所示；下部桁架結構為類似鋼桁架橋結構的多個穩定三角支撐梁，在乘員艙前部下底板支撐經由縱梁傳遞而來的正面沖擊。具體結構及傳力路徑如下。

同時，該正面防撞系統將碰撞過程中力的傳遞路徑分配為上下兩部分，上部路徑通過防撞梁-左右前縱梁-前圍下橫梁-中通道+前圍上橫梁-CCB管梁實現，下部路徑通過副車架-門檻+電池包防護梁實現，如圖4所示。

與傳統車型相比，在該系統中，通過合理規劃碰撞路徑，對碰撞力進行分解，將碰撞力大部分從地板部分進行傳遞，較少的力通過上部的A柱上邊梁進行傳遞。從而確保A柱上邊梁在碰撞過程中，不發生折彎甚至不變形，從而最大程度減少乘員艙侵入量。增加的上部梯形防撞結構由前圍上橫梁、斜撐結構、CCB管梁等部件構成，確保上部通過A柱將力向上部傳遞，將左右前減震器座設計一根焊接橫梁結構（1），極大提高了車身的前部扭轉剛度，同時在前減震器上部與A柱中間部位增加一個斜撐結構（2），并與橫梁（1）及CCB（3），形成了這個獨特新穎的上部梯形支撐結構。在縱梁根部，設計有“人”結構的兩根斜梁結構（4-1、4-2），且兩個4-2的斜撐梁與前艙的下橫梁（5）形成一個倒三角型結構。將縱梁的力分別分解到門檻和中央通道。在電池包內的中間部位設計有一根縱梁（6），與前地板中央通道（7），構建成中間傳遞路徑，并能夠約整個碰撞30%的力。

因此，通過傳遞路徑的集成化，借助儀表橫梁對A柱下部提供有力的支撐，在前減震器座和A柱之間增加一個斜撐，形成一個碰撞支撐梯形，提供了車身的碰撞區域的穩定性。將車身中央通道與電池包連接一個整體，形成整體碰撞路徑，不但獲得了很好的碰撞性能，還提高了系統的輕量化水平。

2.2 側面碰撞安全策略開發

通過開發超級側方盔甲系統，以超高強度鋼A柱-熱氣脹無縫鋼管上邊梁-超高強度鋼C柱-多層鋼鋁門檻梁為車身基礎部件以及行業首創隱藏式雙B柱、門內橫梁的側面門系統共同構成了高強度的側方防撞系統，如圖8（a）和8（b）所示。

該系統將側門系統和車身設計有效結合，形成一個有效抵抗變形的結構。將B柱集成在車門中，即在門系統內設計隱藏雙B柱，并引用全球先進的熱氣漲成型技術，與車身有效結合，并結合車門防撞梁結構，與車身形成上下及前后鎖止結構，對側面碰撞提供強有力的支持，確保側面碰撞滿足CNCAP新側碰要求。隱藏式B柱采用3.5mm料厚2000MPa高強度熱氣脹型成型管，同時通過防真，在碰撞比較苛刻部位設計防脫開機構，保證門能夠提供更大的鎖止力，防止門內的虛擬B柱與車身在碰撞過程中滑脫。6套門鎖系統與車身形成互鎖，如圖9所示。車門互鎖設計類似傳統”榫卯“結構（多見于故宮、懸空寺），雖無實體連接之名卻有連接強度之實，從而形成側面保護的鋼盔鐵甲。

與此同時，統籌電池包結構設計，共同構筑鋼鋁三層門檻，由外至內提供逐級保護。外層門檻采用7mm厚的6系蜂窩鋁材，碰撞時能夠最大程度潰縮，緩沖吸能；內層門檻采用坦克裝甲級1500MPa多層超高熱成型鋼材料，軍車級大梁籠式結構，每平方厘米能夠承受15噸重量，頂住碰撞沖擊不變形；第三層門檻采用鋁合金材質，使用行業罕見的雙排多點大螺栓連接機構將電池包與車身集成一體，大大提升碰撞縱深及承載強度，將電池包穩穩固定，避免二次受損。門檻整體縱深180mm，長度2200mm，如圖10所示。

與傳統動力電池的單排掛載結構相比，該系統將電池包與車身在側面布置兩排安裝點，如圖11所示，第一排安裝點將電池包外殼體作為吸能的一部分；第二排安裝點與車身門檻內側連接在一起，提升門檻的抗彎性能，確保電芯在碰撞中不被擠壓，從而將動力電池與車身緊密連接，使得電池包的安全結構與車身安全結構高度結合。

2.3 頂壓策略開發

頂橫梁采用Y向支撐，如圖12所示。頂壓載荷分別向前橫梁、上邊梁、后A柱三個方向分解，使整個車身都參與力的傳遞，均衡合理的傳遞路徑，確保頂壓承重基礎。相比拼焊腔體結構，一體成型的熱氣脹管梁結構連續性更好，熱氣脹管梁長度達1900mm，可將頂壓載荷沿X向分解的力直接傳遞到C柱，共同承擔來自頂部的壓力。車頂承重試驗在第一側載荷達到車重 4 倍的情況下，再進行第二側的試驗，第二側載荷最高達到 130kN，可承重 13噸，是自身車重的 4 倍。

2.4 小偏置碰撞策略開發

正面25%的小偏置碰撞作為最嚴苛的正面碰撞測試，其試驗結果往往可以代表整車整體正面碰撞的性能[3]，因此，小偏置碰性能具有重要研究意義。本方案小偏置碰撞中前防撞梁端部增加碰撞受力支撐，在碰撞初期可產生Y向偏轉位移，減少避障對車身的侵入量，如圖13所示。

同時，結合小偏置碰撞能量傳遞路徑，在前輪罩后部和門檻交界處增加兩個鋁擠出件，兩個零件以L型結構焊接而成，與門檻和車身以螺栓連接，以抵抗碰撞中對乘員艙的侵入，如圖14所示。

摒棄傳統的等分六宮格設計，結合仿真中力的傳遞路徑，將等分的六宮格變更為不等分結構，如圖15所示，最大程度吸收碰撞能量，減少X向侵入量，仿真分析結構對比如圖16所示。

2.5 正柱碰策略開發

如圖17柱碰壁障方式，將防撞梁與吸能盒通過螺栓連接，兩側依靠抵抗變形的加強筋和誘導變形的潰縮筋相互配合，在柱碰過程中，防撞梁與吸能螺栓連接處可相對轉動，前縱梁與吸能盒會進行折彎，從而最大程度的吸收碰撞能量，防止防撞梁斷裂，提升正柱碰性能。

3 結論

綜上所述，通過雙重正面防撞系統、超級側方盔甲系統、頂部Y向支撐結構、小偏置碰導向結構和加強結構、正柱碰的吸能策略等等成就了無B車車身較好的碰撞安全性能，為車身設計人員提供新的思路和方法，共創極致安全的出行體驗。

參考文獻：

[1]Carhs.Safty companion[G].2023.

[2]唐人寰，梁楓，等.側面柱碰撞工況下動力電池結構安全研究[J].汽車工程師，2024（04）.

[3]藺昭輝，柯留洋，等.基于平臺化車身的正面25%偏置碰撞和側面碰撞性能設計[C].中國汽車工程學會年會論文集2023.