无B柱车身的碰撞安全策略开发浅析

摘 要：文章通过具体案例阐述了无B柱车身在正面碰撞、侧面碰撞、顶压、柱碰过程中的结构设计思路以及分析了安全碰撞性能提升的开发策略。

关键词：无B柱车身 碰撞策略 结构设计

1 绪论

为了提升乘员的进出便利性，给用户带来更好的乘坐体验，无B柱车身的开发成了整车开发的一种新趋势，它能让乘客直接坐进车内，而不是钻进去，同时可以给智能座舱带来更多的使用场景，支持座椅180°旋转，给整车营造办公和家居的感受。但因无B柱，整个门洞尺寸是有B柱车型的两倍以上，对车身刚度、尤其是其安全性能的开发成为阻碍该项开发的重要的技术难点之一，制约了无B柱车身量产化的进程。

车身B柱对整车刚度以及前部、侧面碰撞的稳定性起到至关重要作用，同时提供门铰链和锁的安装结构和有效支撑。无Ｂ柱车身，对于控制A柱上边梁在小偏置碰中的变形及相关联的A柱底部的侵入量都带来了极大的挑战，就如拱桥结构，相当于把中间的桥墩取消，拱桥的跨度越大，技术难度越大。

本文主要从碰撞路径搭建，及关键技术结构运用为出发点，提供了无B柱车身满足C-NCAP的五星要求及CIASI耐撞性的G的水平评价的达成路径和方法。

2 碰撞安全策略开发

随着车辆的普及和汽车保有量在中国的逐步提升，汽车安全受到越来越多的关注，CNCAP对于被动安全的要求也在逐步提升，对于碰撞安全测试试验，2023年以来在碰撞速度、壁障重量和类型上都进行了加严，从而对安全性能的达成又增加了新的挑战。如正面碰撞速度由原来的50km/h增加到56km/h，侧面碰撞速度由原来的50km/h增加到60km/h，壁障质量由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觑。而对于电动汽车，动力电池系统碰撞安全性研究尤为重要[2]。侧柱碰对电安全性能的特别要求，使碰撞位置覆盖整个电池区域，尤其给无B柱车身的侧面安全增添了更高难度。

因此，更高的要求，需要更好的设计，分别从结构布局、材料及工艺选择出发，进行系统的结构设计，从而才能达到一个高碰撞性能的车身。

2.1 正面碰撞安全策略开发

通过开发双重正面防撞系统，采用双重吸能结构+双重抗形变结构组成的新型防撞系统，即使在较短前悬的前提下，也能在正碰过程中表现出优良的性能。

双重吸能结构由连接纵梁的上层防撞梁和增加吸能盒的下层防撞杆组成，如图2所示绿色部件，通过选用高强度7系铝合金作为前防撞梁，兼顾了车身轻量化和碰撞溃缩卸力需求。截面采用日字型设计，相比主流口字型防撞钢梁，抗冲击能力提升30%以上，有效溃缩变形吸收碰撞能量。而双重抗变形结构是由上部梯形结构和下部桁架结构（图2中金色部件）组成，抵御碰撞对乘员舱的入侵。上部梯形结构连接两侧车身框架，让粗壮的侧框结构提前参与抵御正面冲击，如图3（a）所示；下部桁架结构为类似钢桁架桥结构的多个稳定三角支撑梁，在乘员舱前部下底板支撑经由纵梁传递而来的正面冲击。具体结构及传力路径如下。

同时，该正面防撞系统将碰撞过程中力的传递路径分配为上下两部分，上部路径通过防撞梁-左右前纵梁-前围下横梁-中通道+前围上横梁-CCB管梁实现，下部路径通过副车架-门槛+电池包防护梁实现，如图4所示。

与传统车型相比，在该系统中，通过合理规划碰撞路径，对碰撞力进行分解，将碰撞力大部分从地板部分进行传递，较少的力通过上部的A柱上边梁进行传递。从而确保A柱上边梁在碰撞过程中，不发生折弯甚至不变形，从而最大程度减少乘员舱侵入量。增加的上部梯形防撞结构由前围上横梁、斜撑结构、CCB管梁等部件构成，确保上部通过A柱将力向上部传递，将左右前减震器座设计一根焊接横梁结构（1），极大提高了车身的前部扭转刚度，同时在前减震器上部与A柱中间部位增加一个斜撑结构（2），并与横梁（1）及CCB（3），形成了这个独特新颖的上部梯形支撑结构。在纵梁根部，设计有“人”结构的两根斜梁结构（4-1、4-2），且两个4-2的斜撑梁与前舱的下横梁（5）形成一个倒三角型结构。将纵梁的力分别分解到门槛和中央通道。在电池包内的中间部位设计有一根纵梁（6），与前地板中央通道（7），构建成中间传递路径，并能够约整个碰撞30%的力。

因此，通过传递路径的集成化，借助仪表横梁对A柱下部提供有力的支撑，在前减震器座和A柱之间增加一个斜撑，形成一个碰撞支撑梯形，提供了车身的碰撞区域的稳定性。将车身中央通道与电池包连接一个整体，形成整体碰撞路径，不但获得了很好的碰撞性能，还提高了系统的轻量化水平。

2.2 侧面碰撞安全策略开发

通过开发超级侧方盔甲系统，以超高强度钢A柱-热气胀无缝钢管上边梁-超高强度钢C柱-多层钢铝门槛梁为车身基础部件以及行业首创隐藏式双B柱、门内横梁的侧面门系统共同构成了高强度的侧方防撞系统，如图8（a）和8（b）所示。

该系统将侧门系统和车身设计有效结合，形成一个有效抵抗变形的结构。将B柱集成在车门中，即在门系统内设计隐藏双B柱，并引用全球先进的热气涨成型技术，与车身有效结合，并结合车门防撞梁结构，与车身形成上下及前后锁止结构，对侧面碰撞提供强有力的支持，确保侧面碰撞满足CNCAP新侧碰要求。隐藏式B柱采用3.5mm料厚2000MPa高强度热气胀型成型管，同时通过防真，在碰撞比较苛刻部位设计防脱开机构，保证门能够提供更大的锁止力，防止门内的虚拟B柱与车身在碰撞过程中滑脱。6套门锁系统与车身形成互锁，如图9所示。车门互锁设计类似传统”榫卯“结构（多见于故宫、悬空寺），虽无实体连接之名却有连接强度之实，从而形成侧面保护的钢盔铁甲。

与此同时，统筹电池包结构设计，共同构筑钢铝三层门槛，由外至内提供逐级保护。外层门槛采用7mm厚的6系蜂窝铝材，碰撞时能够最大程度溃缩，缓冲吸能；内层门槛采用坦克装甲级1500MPa多层超高热成型钢材料，军车级大梁笼式结构，每平方厘米能够承受15吨重量，顶住碰撞冲击不变形；第三层门槛采用铝合金材质，使用行业罕见的双排多点大螺栓连接机构将电池包与车身集成一体，大大提升碰撞纵深及承载强度，将电池包稳稳固定，避免二次受损。门槛整体纵深180mm，长度2200mm，如图10所示。

与传统动力电池的单排挂载结构相比，该系统将电池包与车身在侧面布置两排安装点，如图11所示，第一排安装点将电池包外壳体作为吸能的一部分；第二排安装点与车身门槛内侧连接在一起，提升门槛的抗弯性能，确保电芯在碰撞中不被挤压，从而将动力电池与车身紧密连接，使得电池包的安全结构与车身安全结构高度结合。

2.3 顶压策略开发

顶横梁采用Y向支撑，如图12所示。顶压载荷分别向前横梁、上边梁、后A柱三个方向分解，使整个车身都参与力的传递，均衡合理的传递路径，确保顶压承重基础。相比拼焊腔体结构，一体成型的热气胀管梁结构连续性更好，热气胀管梁长度达1900mm，可将顶压载荷沿X向分解的力直接传递到C柱，共同承担来自顶部的压力。车顶承重试验在第一侧载荷达到车重 4 倍的情况下，再进行第二侧的试验，第二侧载荷最高达到 130kN，可承重 13吨，是自身车重的 4 倍。

2.4 小偏置碰撞策略开发

正面25%的小偏置碰撞作为最严苛的正面碰撞测试，其试验结果往往可以代表整车整体正面碰撞的性能[3]，因此，小偏置碰性能具有重要研究意义。本方案小偏置碰撞中前防撞梁端部增加碰撞受力支撑，在碰撞初期可产生Y向偏转位移，减少避障对车身的侵入量，如图13所示。

同时，结合小偏置碰撞能量传递路径，在前轮罩后部和门槛交界处增加两个铝挤出件，两个零件以L型结构焊接而成，与门槛和车身以螺栓连接，以抵抗碰撞中对乘员舱的侵入，如图14所示。

摒弃传统的等分六宫格设计，结合仿真中力的传递路径，将等分的六宫格变更为不等分结构，如图15所示，最大程度吸收碰撞能量，减少X向侵入量，仿真分析结构对比如图16所示。

2.5 正柱碰策略开发

如图17柱碰壁障方式，将防撞梁与吸能盒通过螺栓连接，两侧依靠抵抗变形的加强筋和诱导变形的溃缩筋相互配合，在柱碰过程中，防撞梁与吸能螺栓连接处可相对转动，前纵梁与吸能盒会进行折弯，从而最大程度的吸收碰撞能量，防止防撞梁断裂，提升正柱碰性能。

3 结论

综上所述，通过双重正面防撞系统、超级侧方盔甲系统、顶部Y向支撑结构、小偏置碰导向结构和加强结构、正柱碰的吸能策略等等成就了无B车车身较好的碰撞安全性能，为车身设计人员提供新的思路和方法，共创极致安全的出行体验。

参考文献：

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

[2]唐人寰，梁枫，等.侧面柱碰撞工况下动力电池结构安全研究[J].汽车工程师，2024（04）.

[3]蔺昭辉，柯留洋，等.基于平台化车身的正面25%偏置碰撞和侧面碰撞性能设计[C].中国汽车工程学会年会论文集2023.