汽车车身结构对汽车被动安全性能的影响

荣升格　施帆君　齐纪元　汪婧

关键词：汽车车身；结构；被动安全

0 前言

在当今不断发展的汽车工业中，车身结构设计对于汽车的被动安全性起至关重要的作用。随着技术的进步和需求的变化，车身结构设计也在不断演进，以适应更高的安全标准和驾乘人员保护要求［1］。从结构的强度和刚度到材料的选择和组合，从碰撞安全性能到辅助安全装置，车身结构的优化不仅关乎驾乘人员的安全，也关系到行车安全的整体提升。因此，探索未来车身结构设计的发展方向和应对挑战的策略变得尤为重要。

1 车身结构设计原则和技术

1. 1 结构强度和刚度

结构强度和刚度是汽车车身设计中的重要参数，直接决定了车辆在碰撞事故中的保护能力。强度分析质量按照满车满载质量计算，其中车身附加质量见表1。通过合理的结构设计，可以增加车身的抗弯曲和抗压能力，提高车辆的整体刚度，从而有效吸收和分散碰撞能量，减少驾乘人员受到的冲击。采用高强度的材料、合理的构件连接和加强关键部位的设计等技术手段，能够提升车身结构的强度和刚度，提高车辆的被动安全性能。

1. 2 車身形状和气动性能

车身形状和气动性能在汽车车身设计中起着关键作用。合理的车身形状可以降低空气阻力，减少风阻对车辆行驶的影响，提高燃油经济性和稳定性。利用流线型设计、降低车身前后的气流阻力等技术手段，可以减少空气的湍流和阻力，提高车辆的操控性和安全性。同时，车身形状的优化还可以改善空气动力学效应，降低噪声和气流对驾乘人员舒适性的影响。因此，合理设计车身形状和优化气动性能是提升汽车被动安全性能的重要策略之一。

1. 3 材料选择和组合材料选择和组合

是汽车车身设计中不可忽视的因素。合适的材料选择和组合可以影响车身结构的质量、强度和能量吸收能力等性能。高强度钢材料可以提供更好的抗碰撞能力，而轻量化材料如铝合金和碳纤维复合材料可以减轻车身质量，提高燃油经济性。通过合理选择和组合不同材料，可以实现车身结构在不同部位的优化设计，提供最佳的强度、刚度和质量平衡。此外，材料的可加工性和可持续性也是考虑的因素。因此，在车身设计中，精确的材料选择和组合是提高汽车被动安全性能的关键策略之一［2］。

1. 4 防侧翻结构设计

防侧翻结构设计在车身结构设计中具有重要意义。侧翻事故可能导致严重的人员伤害和车辆损坏，因此采取有效的防侧翻结构设计是至关重要的，包括采用较低的重心设计、增加车身刚度和稳定性、配备稳定控制系统等措施。例如，通过降低车身高度和采用稳定底盘设计，可以降低车辆的侧翻风险。此外，加强车身结构的刚度并采用适当的悬挂系统，可以提供更好的侧向稳定性，减少侧翻的概率。防侧翻结构设计是提高车辆被动安全性能的关键措施之一，可以保护驾乘人员免受侧翻事故的伤害。

2 车身结构对碰撞安全性能的影响

2. 1 正面碰撞

正面碰撞是一种常见的道路碰撞类型，对车身结构的要求尤为重要。合理的车身结构设计可以最大程度地吸收和分散碰撞能量，保护驾乘人员免受伤害。车身结构中的前防撞梁、安全舱设计和材料选择起着重要作用。前防撞梁能够吸收碰撞能量，并将其分散到车身结构中，减少驾乘人员的受力。安全舱设计则提供了驾乘人员的保护空间，减少碰撞时的挤压和变形。采用高强度材料和适当的结构刚度，可以进一步增强车身的抗冲击性能。因此，通过优化车身结构，可以提高正面碰撞情况下的被动安全性能，最大程度地保护驾乘人员的安全。

2. 2 侧面碰撞

合理的车身结构设计可以最大限度地保护驾乘人员免受侧面碰撞带来的伤害。在侧面碰撞中，车身结构的强度和刚度起着重要作用。加强侧面防撞梁和门柱的设计，以及采用高强度材料，可以增加车身结构的抗冲击能力，减少驾乘人员受力。此外，合理的侧面安全舱设计可以提供驾乘人员的保护空间，减少碰撞时的侧向位移和挤压。通过这些措施，可以提高车辆在侧面碰撞中的被动安全性能，确保驾乘人员的安全。

2. 3 后面碰撞

后面碰撞是常见的道路碰撞情况之一，对车身结构的设计和影响也不可忽视。合理的车身结构设计可以减少驾乘人员在后面碰撞中所承受的冲击和伤害。车身结构中的后防撞梁和保护装置起着重要作用。后防撞梁能够吸收和分散碰撞能量，降低驾乘人员受力。同时，采用合适的材料和结构设计可以增加车身的刚度，减少车尾部的变形，保护驾乘人员的安全空间。此外，后面碰撞时的头枕设计和座椅加强也是保护驾乘人员免受伤害的重要因素。因此，通过优化车身结构设计，可以提高后面碰撞时的被动安全性能，保障驾乘人员的安全。

3 车身结构在减少事故伤害中的作用

3. 1 座椅和头枕

合理的座椅设计可以提高驾乘人员的舒适性和支撑性，减少在碰撞中的位移和姿势变化。座椅的背部和侧面支撑结构能够提供额外的保护，防止驾乘人员在碰撞中发生侧向移动。此外，头枕的设计也至关重要，它可以减少颈椎受伤的风险。适当的头枕高度、角度和刚度能够提供驾乘人员头部的支撑，并减少在碰撞时头部的后仰和旋转。因此，通过优化座椅和头枕的设计，可以最大限度地保护驾乘人员的颈椎和脊柱，减少事故伤害，并提高车辆的被动安全性能。

3. 2 安全气囊系统

安全气囊系统通过在碰撞发生时迅速充气，并提供额外的保护屏障，减轻驾乘人员与车辆内部构件的直接接触。主要的安全气囊包括驾驶员和乘客气囊、侧面气囊和帷幕气囊等。这些气囊的布局和触发机制都经过精心设计，以在碰撞时提供最佳保护。安全气囊系统的设计还与车辆的传感器系统紧密关联，以在事故发生时准确触发气囊充气。通过合理的安全气囊系统设计和配置，车辆能够在碰撞中吸收和分散碰撞能量，减少驾乘人员头部、胸部和腹部受到的冲击，从而最大程度地减少事故伤害并提高车辆的被动安全性能。

3. 3 惯性安全带系统

惯性安全带系统通过提供驾乘人员约束力，防止驾乘人员在碰撞中产生过大的位移和姿势变化，从而减少伤害风险。该系统包括安全带、收紧器和预张力器等组成部分。安全带的材料和结构设计能够提供适当的强度和舒适性。收紧器可以根据碰撞力的变化自动调整安全带的松紧度，确保带扣紧固在驾乘人员身上。预张力器在碰撞前迅速拉紧安全带，提前为驾乘人员提供约束力，进一步减少碰撞时的位移。通过惯性安全带系统的合理设计和配置，车辆能够最大限度地减少驾乘人员在事故中的位移和受力，有效保护驾乘人员并降低事故伤害风险，提高车辆的被动安全性能。

3. 4 车身结构的辅助安全装置

车身结构的辅助安全装置在保护驾乘人员和减少事故伤害方面起着重要的作用。这些装置是与车身结构紧密结合的补充安全系统，提供额外的保护。其中，防滚架或滚翻保护系统能够提供额外的支撑和稳定性，降低车辆在侧翻事故中翻滚的风险，并保护驾乘人员免受严重的伤害。辅助安全装置与车身结构的设计相互配合，共同工作，以最大程度地保护驾乘人员并减少事故伤害。

4 未来车身结构设计的发展方向和挑战

4. 1 轻量化和高强度材料的应用

随着人们环保意识的增强和对能源效率要求的提高，汽车制造商正在寻求降低车身质量的解决方案。汽车轻量化可以减少燃料消耗和碳排放，并提高车辆的操控性能［3］。因此，使用高强度材料，如高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等成为了趋势。这些材料具有出色的强度和刚度，能够提供较小的结构变形和更好的能量吸收能力，从而增强车身的安全性能［4］。然而，这些材料的制造成本较高，可能会导致车辆价格的增加；新材料的使用需要考虑制造工艺、可行性和可维修性等因素；此外，新材料的可靠性和耐久性也需要进一步研究和验证［5］。

4. 2 先进制造技术的发展

随着制造技术的不断进步，车身结构的制造过程将面临新的机遇和挑战。先进制造技術包括3D打印、复合材料成型、激光焊接、精密模锻等。

3D 打印技术可以实现高度个性化的车身结构设计，提供更灵活、快速的生产方式，并减少材料浪费。复合材料成型技术可以实现复杂形状和轻量化结构的制造，提供更好的强度和刚度性能。激光焊接技术可以实现更精确的焊接接合，减少材料变形和焊缝弱化。精密模锻技术可以生产高强度的车身结构部件，提高整体刚性和抗冲击性能。

然而，先进制造技术的发展也面临着以下挑战：① 需要投入大量的研发和设备投资；② 技术的成熟度和可靠性需要进一步验证和提高；③ 需要重视制造过程的标准化和质量控制。

因此，未来车身结构设计需要结合先进制造技术的发展趋势，充分利用其优势，推动车身结构制造的创新和提升。通过持续的研究和合作，克服技术难题，实现更高效、精确和可持续的车身结构制造，为驾乘人员提供更高级别的安全保护。

5 结语

随着技术的不断进步和对安全性能的不断追求，车身结构设计在汽车行业中扮演着关键的角色。通过结构强度和刚度的优化、车身形状和气动性能的改善、材料选择和组合的创新，以及防侧翻和能量吸收结构的设计，汽车的被动安全性能得到了显著提升。

此外，车身结构的作用也延伸到驾乘人员保护和事故伤害减少方面，通过座椅和头枕设计、安全气囊系统、惯性安全带系统及辅助安全装置的应用，为驾乘人员提供了更可靠的保护。未来，随着轻量化材料、先进制造技术和智能化设计的应用，车身结构将迎来更大的发展和创新，为驾乘人员提供更安全、智能的驾乘体验。