汽车被动安全侧碰方面的研讨

田国红，孙立国，齐登科（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

汽车被动安全侧碰方面的研讨

田国红，孙立国，齐登科
（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

摘 要：中国侧碰法规的实施以及汽车侧碰事故中的高伤亡率，使汽车侧面的碰撞安全性越来越受到人们的注意。为了更好的保护乘员安全和提高汽车的侧面碰撞性能，可以对B柱、前地板横梁等车身结构进行优化，也可以对侧面安全气囊和侧气帘进行探究，使乘员在侧面碰撞中将伤亡降到最低。

关键字：侧面碰撞；车身结构；侧气囊；侧气帘

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.018

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-44-04

前言

随着中国经济的发展，人们生活水平的提高，现在汽车越来越成为人们生活中必不可少的工具。2014年，中国乘用车汽车的保有量突破一亿辆，并且以增长的趋势发展。汽车在给我们带来方便的同时，对我们的人身安全造成了严重的威胁。据统计，在交通事故中发生最多的就是碰撞事故，碰撞有正碰、追尾、侧碰、翻滚等形式，车辆侧面碰事故发生率约占30%，正面碰撞的死亡率居首，侧面碰撞造成的死亡和重伤事故达到35%，其致伤率则居第一位 。对于城市交叉路口较多的中国来说，车体侧碰事故概率与高于汽车的正碰事故。

2006年7月1日起，《汽车侧面碰撞的乘员保护》在我国实施，将汽车侧面碰撞试验列入新车上市之前的强制检测项目。在汽车被动安全领域，尤其是侧碰成为今后研究的重点。

1、侧碰事故中的高伤亡率分析

与正面碰撞不同的是，汽车发生侧面时，座椅侧面空间较小（一般座椅与车门内板之间的距离只有20—30mm）并且能够消耗侧碰冲击能量的构件比较少。这样车身侧面在安全范围的可变形量变小。当车身收到来自侧面方向的撞击时，会将撞击产生的冲击载荷传给乘员。在侧面碰撞事故分析知道，头、胸、腹、下肢、颈部、脊椎和骨盆在侧面碰撞中人体伤害严重的部位，甚至会造成死亡。其中对乘员伤害最严重的部位是头部和胸部。研究表明，驾驶室（乘员舱）侧面的侵入是乘员受到伤害的直接原因，汽车侧面碰撞时乘员死亡和伤害与驾驶室(乘员舱)侧面侵入量有很大关系。据美国国家车辆采样系统NASS统计的侧面碰撞时驾驶室侧面侵入量与重伤率的关系显示：驾驶室侧面侵入量与伤害程度等级基本上成线性关系，即侵入量增大时，乘员死亡和伤害的比例也就增大，侧面撞击时乘员舱侵入量为8cm时，重伤率为22%，侵入量达61cm时，重伤率为100%。伤害的主要形式包括：侧碰横梁上门内板及B柱中上部结构的溃塌变形导致乘员头胸部的伤害；坚硬、突起的内饰件会导致乘员腹部的伤害；同时驾驶室内的仪表板同样会对乘员的头部、膝部以及下肢造成不同程度的伤害。

2、汽车侧面碰撞结构优化

我国在制定侧碰标准时，以欧洲相关法规（即ECER95)为蓝本，同时才考了日本的相关法规。通过侧面碰撞移动变形壁障(MDB)对侧碰进行研究，如下图1。

二次碰撞是造成人体损伤的主要原因，但二次碰撞的剧烈程度一般由一次碰撞决定。一般对侧面碰撞性能优化通过两种途径一方面是对车身结构、材料尺寸及种类等进行合理的设计优化；另一方面是考虑采用侧面安全气囊来减轻二次碰撞造成的伤害。

2.1 侧面车身结构优化

侧碰结构主要有B立柱、门槛和地板横梁等相关零件构成，碰撞发生时，首先收到撞击力的是B柱下部和门槛梁部，中立柱收到撞击力吸收能量并产生变形，撞击力从外蒙皮、中立传到内蒙皮，门槛梁得到撞击力吸收能量并产生变形，撞击力从门槛侧内板传到地板横梁、再由地板横梁传到车身另一侧。因此，这需要我们对下列结构的强度和抗弯能力进行评价和优化，如B柱、地板横梁、门槛梁、上边梁、车门防撞梁、顶盖横梁等结构，进而使整体车身的强度得到提升，发生侧碰时，减小侧碰侵入量和侵入速度的目的。碰撞时力的传递如图2 。

2.1.1 对B柱的优化

B柱是距离乘员或者驾驶员最近，碰撞的首要撞击部位。它在受到撞击力时，能够产生一定的变形（变形量要求在标准的范围内），吸收撞击过程中的能量，并有相当的强度和刚度来维持侧围的变形量和变形速度在标准的范围内。

一般B柱的结构是中空’口‘字形，分为内外两部分焊接而成。为了加强其强度和刚度，在内外两侧之间加入增强构件使结构成为图3式，优化抗弯、抗扭刚度，以保持车身良好的变形空间，并且将撞击力有效的传送给门槛梁和侧围上边梁，以满足乘员安全和法规的要求。

2.1.2 门槛结构

在撞击力经B柱后，会紧接着将力传给门槛，它的结构方式和结构强度会直接影响侧碰时乘员的安全。门槛主要是有侧围外板、加强件、门槛内板构成，分别构成空腔，与B柱结构相似，有利于在碰撞过程中分段变形，在变形中消耗掉一部分撞击能量。同时增加加强板并且在局部进行强化，以提高局部的刚度和是撞击力能够按照要求引导力传给地板横梁上。

2.1.3 前地板横梁

前地板横梁是传递和吸收侧面撞击力的关键零件，而且也是保障乘员舱不产生变形的最关键的机构。前底板横梁将左右两边的车体结构连接在一起，使撞击力沿横梁传递过去。同时横梁前部通过变形时可以吸收大量的能量。横梁上会冲压出加强筋以保证横梁有足够的刚性而不产生变形，保证乘员身体的安全空间。同时可以对焊接技术改善焊接点的密度和强度，降低焊接处的应力集中，从而提高抗碰撞能力（如激光焊，焊缝组织均匀，气孔少)。

为了提高横梁构件的刚度，不只是可以增加构件厚度和高强度材料，可以在在横梁设置加强筋。对于加强筋要满足以下几点：

①加强筋一般设计与横梁面的对称线重合成直线，尽量避免杆件振动发生扭转，而且沿支撑构件之间距离最短；②有些杆件采用交叉式的加强筋，如果交叉点过渡比较直接，会引起应力集中，使刚性降低，通常要求过渡圆滑让过渡圆角半应大于筋的宽度的两倍；③对于弯曲的的横梁，加强筋应垂直于弯曲轴线布局；④加强筋的刚度取决于它的深度。

2.1.4 前、后车门防撞结构

车门不仅要承载车窗玻璃等挂件饰品，还要承受碰撞时产生的撞击力。需要对前、后车门进行优化，主要采用门内增加加强两的方式，上、下不同部位加入加强梁机构能够保证在侧碰过程中，门内门外及加强梁通过变形吸收能量，并能保证在侧碰中外物不侵入乘员的空间，更好的保护乘员，并且发生碰撞后车门能够正常打开。前后门的防撞横梁有两种结构形式，一种是钢管状结构，另一种是波纹状板式冲压构件。

2.2 安全气囊的探究

在侧面碰撞中，为了降低二次碰撞给乘员带来的伤害，在座椅和汽车内侧位之间加了另一个防护装置---侧安全气囊（安全气囊在被动安全系统中最后一道保障)。

在侧碰中，乘员收到伤害后容易致命的部位主要是头部、胸部、腹部、下肢、颈部、脊椎和盆骨，但是人体头部和胸部构造复杂，即使是受到轻微冲击，也有可能会造成严重的伤害，甚至导致伤者死亡，所以在侧碰中，应当重点保护头与胸部。据交通事故统计，致命的伤是头部和胸部损伤，其引起的致命事故占全部致命伤事故总数的 1/2 以上，胸部损伤引起的死亡大概占到1/2。在侧面添加侧面气囊，一个是保护胸部的侧气囊，另一个是保护头部的气囊。

2.2.1 头部侧气囊（CAB）

头部气囊也叫侧气帘，在碰撞发生时弹出隔离乘员与车身，以达到保护乘客的效果。如果发生侧面碰撞，由于人体头部的复杂构造甚至安全带侧面支撑扣都有可能成为车祸中的杀手。那么侧气帘就会把乘员和车身隔离开保护乘员。侧气帘安装在车顶弧形钢梁内，通常贯穿前后车门部位，受车身内横向加速度传感器控制用来保护。当横向加速度超过一定值，传感器就会发出信号气囊打开。对于侧撞、翻车等严重事故有着很好的人员保护功能。侧气帘中的主要的模块包括气囊发生器、导气管、气袋、拉带、线束等，如图6。

对侧气帘的研究主要注意一下几个方面：

①气囊的有效厚度：一般侧气帘前排座椅部位与后排的厚度是不一样的，前排座椅气囊厚度通常比后排座椅气囊厚度大点，厚度的最佳尺寸要通过假人仿真碰撞试验所得的数据来决定；②安全气囊的打开时间，由于头部空间的活动范围较小，气囊打开必须迅速；③气囊展开时的覆盖面积：一般长度是乘员前后俯仰角度所扫过的最大角度，上要高于头部，下部要满足肩部的要求；④包裹存放气囊的试件和车顶侧柱不要有锋利的部分，以免在气囊弹出时被划破；⑤注意气帘前后部分的折叠方式。要在接受碰撞信号时两个部位的气囊迅速打开，来保护乘员头部。

2.2.2 侧气囊（SAB）

侧安全气囊主要起到保护乘员的胸、腹部，可将气囊模块安装在B柱、车门或者座椅侧边。

在座椅上的侧气囊比其他部位有更多的好处：

1）气囊安装在座椅侧面，能使气囊在调节座椅前后上下时候随着座椅移动，并且安全侧气囊的打开面积较小，与身体的相对位置不会变化，使乘员能够始终处在气囊的最好的保护位置。

2)气囊在碰撞过程中能对乘员最易受伤的胸部提供有效的保护；还可以使车门与乘员的身体距离拉大，缓冲撞击力，同时保护头部和腹部。

3）安装在座椅上的气囊能够在接受大碰撞信号时迅速展开，不会像安装在其他部位的气囊因为车门变形而失效。传感固定在座椅上，而不会因重重拍一下门而误被引发。

座椅侧气囊有隐藏式和可见式如上图。隐藏式被缝制在座椅侧面的座椅蒙皮内，并对座椅蒙皮缝线及其相关部分弱化，是气囊能够突破蒙皮迅速打开。可见式是将气囊模块镶嵌在座椅侧面，当传感器接受碰撞信号后会直接弹出。并且满足以下要求：

①气囊保护范围，应该将不同尺寸的乘员考虑在内，有足够的保护区域。②在发生侧碰时，由于乘员与车身内侧的距离很小，这要求侧气囊展开时间相对正面气囊短且迅速。③对气囊的要求是能够叠放在座椅侧面狭小的空间内，为了减小展开阻力，要一层薄的涂层更容易展开。④气体发生器，要求展开迅速，囊内气压适中，对于隐藏式的气囊模块应尽量与蒙皮缝合线方向一致，有利于弹出。⑤气囊位置。气囊模块的位置尽量对正肋骨，保证气囊对人有效保护；气囊发生器尽量与肋骨、脊椎保持一定距离，避免在碰撞过程中模块引起对人的负伤害。

在我们生活中会发生安全气囊事故，会被气囊击伤或者失效等故障。要对气囊的参数进行精确的设计。

3、结论

本文对被动安全中侧面碰撞的进行了系统的介绍。对侧碰的高伤亡率进行了分析，从而进一步对其进行优化处理。了解了侧碰中车身起主要作用的构件，并探讨了对车身结构进行强化以达到侧碰法规的要求。同时对二次碰撞起主要侧气囊进行介绍，对气囊开发进行指导性意见。

参考文献

[1] 李强.基于响应面法的车门抗撞性优化设计[C].吉林大学学报（工学版）,2011.

[2] 郝霆.轿车车身结构抗侧面碰撞要求的分析[C].上海师范大学学报（自然科学版）,2007：39-43.

[3] 杨济匡.汽车侧碰中头胸部安全气囊的优化研究[C].湖南大学学报,2010.1（1）.

[4] 沈宇明.碰撞安全性 汽车侧面碰撞安全防护措施[J].汽车与安全,2009(07).

[5] 孙晶.汽车侧面碰撞中集成式气囊系统的优化研究[D].湖南大学硕士学位论文,2012(04).

Discussion on passive safety side of automobile

Tian Guohong, Sun Liguo, Qi Dengke
( Institute of automobile and traffic engineering Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

Abstract:The implementation of the Chinese side impact regulations and the high casualty rate in the automobile side impact accident, so that the side of the vehicle safety is more and more attention. In order to better protect the occupant safety and improve the performance of the side impact of the car, you can optimize the structure of the B column, front floor beams and other body, and can also explore the side airbags and side air curtain. Minimize the casualties in the side impact.

Keywords:side impact; body structure; side airbag; curtain airbag

作者简介：孙立国，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。

中图分类号：U463.8

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-44-04