汽車車身結構對汽車被動安全性能的影響

榮升格　施帆君　齊紀元　汪婧

關鍵詞：汽車車身；結構；被動安全

0 前言

在當今不斷發展的汽車工業中，車身結構設計對于汽車的被動安全性起至關重要的作用。隨著技術的進步和需求的變化，車身結構設計也在不斷演進，以適應更高的安全標準和駕乘人員保護要求［1］。從結構的強度和剛度到材料的選擇和組合，從碰撞安全性能到輔助安全裝置，車身結構的優化不僅關乎駕乘人員的安全，也關系到行車安全的整體提升。因此，探索未來車身結構設計的發展方向和應對挑戰的策略變得尤為重要。

1 車身結構設計原則和技術

1. 1 結構強度和剛度

結構強度和剛度是汽車車身設計中的重要參數，直接決定了車輛在碰撞事故中的保護能力。強度分析質量按照滿車滿載質量計算，其中車身附加質量見表1。通過合理的結構設計，可以增加車身的抗彎曲和抗壓能力，提高車輛的整體剛度，從而有效吸收和分散碰撞能量，減少駕乘人員受到的沖擊。采用高強度的材料、合理的構件連接和加強關鍵部位的設計等技術手段，能夠提升車身結構的強度和剛度，提高車輛的被動安全性能。

1. 2 車身形狀和氣動性能

車身形狀和氣動性能在汽車車身設計中起著關鍵作用。合理的車身形狀可以降低空氣阻力，減少風阻對車輛行駛的影響，提高燃油經濟性和穩定性。利用流線型設計、降低車身前后的氣流阻力等技術手段，可以減少空氣的湍流和阻力，提高車輛的操控性和安全性。同時，車身形狀的優化還可以改善空氣動力學效應，降低噪聲和氣流對駕乘人員舒適性的影響。因此，合理設計車身形狀和優化氣動性能是提升汽車被動安全性能的重要策略之一。

1. 3 材料選擇和組合材料選擇和組合

是汽車車身設計中不可忽視的因素。合適的材料選擇和組合可以影響車身結構的質量、強度和能量吸收能力等性能。高強度鋼材料可以提供更好的抗碰撞能力，而輕量化材料如鋁合金和碳纖維復合材料可以減輕車身質量，提高燃油經濟性。通過合理選擇和組合不同材料，可以實現車身結構在不同部位的優化設計，提供最佳的強度、剛度和質量平衡。此外，材料的可加工性和可持續性也是考慮的因素。因此，在車身設計中，精確的材料選擇和組合是提高汽車被動安全性能的關鍵策略之一［2］。

1. 4 防側翻結構設計

防側翻結構設計在車身結構設計中具有重要意義。側翻事故可能導致嚴重的人員傷害和車輛損壞，因此采取有效的防側翻結構設計是至關重要的，包括采用較低的重心設計、增加車身剛度和穩定性、配備穩定控制系統等措施。例如，通過降低車身高度和采用穩定底盤設計，可以降低車輛的側翻風險。此外，加強車身結構的剛度并采用適當的懸掛系統，可以提供更好的側向穩定性，減少側翻的概率。防側翻結構設計是提高車輛被動安全性能的關鍵措施之一，可以保護駕乘人員免受側翻事故的傷害。

2 車身結構對碰撞安全性能的影響

2. 1 正面碰撞

正面碰撞是一種常見的道路碰撞類型，對車身結構的要求尤為重要。合理的車身結構設計可以最大程度地吸收和分散碰撞能量，保護駕乘人員免受傷害。車身結構中的前防撞梁、安全艙設計和材料選擇起著重要作用。前防撞梁能夠吸收碰撞能量，并將其分散到車身結構中，減少駕乘人員的受力。安全艙設計則提供了駕乘人員的保護空間，減少碰撞時的擠壓和變形。采用高強度材料和適當的結構剛度，可以進一步增強車身的抗沖擊性能。因此，通過優化車身結構，可以提高正面碰撞情況下的被動安全性能，最大程度地保護駕乘人員的安全。

2. 2 側面碰撞

合理的車身結構設計可以最大限度地保護駕乘人員免受側面碰撞帶來的傷害。在側面碰撞中，車身結構的強度和剛度起著重要作用。加強側面防撞梁和門柱的設計，以及采用高強度材料，可以增加車身結構的抗沖擊能力，減少駕乘人員受力。此外，合理的側面安全艙設計可以提供駕乘人員的保護空間，減少碰撞時的側向位移和擠壓。通過這些措施，可以提高車輛在側面碰撞中的被動安全性能，確保駕乘人員的安全。

2. 3 后面碰撞

后面碰撞是常見的道路碰撞情況之一，對車身結構的設計和影響也不可忽視。合理的車身結構設計可以減少駕乘人員在后面碰撞中所承受的沖擊和傷害。車身結構中的后防撞梁和保護裝置起著重要作用。后防撞梁能夠吸收和分散碰撞能量，降低駕乘人員受力。同時，采用合適的材料和結構設計可以增加車身的剛度，減少車尾部的變形，保護駕乘人員的安全空間。此外，后面碰撞時的頭枕設計和座椅加強也是保護駕乘人員免受傷害的重要因素。因此，通過優化車身結構設計，可以提高后面碰撞時的被動安全性能，保障駕乘人員的安全。

3 車身結構在減少事故傷害中的作用

3. 1 座椅和頭枕

合理的座椅設計可以提高駕乘人員的舒適性和支撐性，減少在碰撞中的位移和姿勢變化。座椅的背部和側面支撐結構能夠提供額外的保護，防止駕乘人員在碰撞中發生側向移動。此外，頭枕的設計也至關重要，它可以減少頸椎受傷的風險。適當的頭枕高度、角度和剛度能夠提供駕乘人員頭部的支撐，并減少在碰撞時頭部的后仰和旋轉。因此，通過優化座椅和頭枕的設計，可以最大限度地保護駕乘人員的頸椎和脊柱，減少事故傷害，并提高車輛的被動安全性能。

3. 2 安全氣囊系統

安全氣囊系統通過在碰撞發生時迅速充氣，并提供額外的保護屏障，減輕駕乘人員與車輛內部構件的直接接觸。主要的安全氣囊包括駕駛員和乘客氣囊、側面氣囊和帷幕氣囊等。這些氣囊的布局和觸發機制都經過精心設計，以在碰撞時提供最佳保護。安全氣囊系統的設計還與車輛的傳感器系統緊密關聯，以在事故發生時準確觸發氣囊充氣。通過合理的安全氣囊系統設計和配置，車輛能夠在碰撞中吸收和分散碰撞能量，減少駕乘人員頭部、胸部和腹部受到的沖擊，從而最大程度地減少事故傷害并提高車輛的被動安全性能。

3. 3 慣性安全帶系統

慣性安全帶系統通過提供駕乘人員約束力，防止駕乘人員在碰撞中產生過大的位移和姿勢變化，從而減少傷害風險。該系統包括安全帶、收緊器和預張力器等組成部分。安全帶的材料和結構設計能夠提供適當的強度和舒適性。收緊器可以根據碰撞力的變化自動調整安全帶的松緊度，確保帶扣緊固在駕乘人員身上。預張力器在碰撞前迅速拉緊安全帶，提前為駕乘人員提供約束力，進一步減少碰撞時的位移。通過慣性安全帶系統的合理設計和配置，車輛能夠最大限度地減少駕乘人員在事故中的位移和受力，有效保護駕乘人員并降低事故傷害風險，提高車輛的被動安全性能。

3. 4 車身結構的輔助安全裝置

車身結構的輔助安全裝置在保護駕乘人員和減少事故傷害方面起著重要的作用。這些裝置是與車身結構緊密結合的補充安全系統，提供額外的保護。其中，防滾架或滾翻保護系統能夠提供額外的支撐和穩定性，降低車輛在側翻事故中翻滾的風險，并保護駕乘人員免受嚴重的傷害。輔助安全裝置與車身結構的設計相互配合，共同工作，以最大程度地保護駕乘人員并減少事故傷害。

4 未來車身結構設計的發展方向和挑戰

4. 1 輕量化和高強度材料的應用

隨著人們環保意識的增強和對能源效率要求的提高，汽車制造商正在尋求降低車身質量的解決方案。汽車輕量化可以減少燃料消耗和碳排放，并提高車輛的操控性能［3］。因此，使用高強度材料，如高強度鋼、鋁合金、碳纖維復合材料等成為了趨勢。這些材料具有出色的強度和剛度，能夠提供較小的結構變形和更好的能量吸收能力，從而增強車身的安全性能［4］。然而，這些材料的制造成本較高，可能會導致車輛價格的增加；新材料的使用需要考慮制造工藝、可行性和可維修性等因素；此外，新材料的可靠性和耐久性也需要進一步研究和驗證［5］。

4. 2 先進制造技術的發展

隨著制造技術的不斷進步，車身結構的制造過程將面臨新的機遇和挑戰。先進制造技術包括3D打印、復合材料成型、激光焊接、精密模鍛等。

3D 打印技術可以實現高度個性化的車身結構設計，提供更靈活、快速的生產方式，并減少材料浪費。復合材料成型技術可以實現復雜形狀和輕量化結構的制造，提供更好的強度和剛度性能。激光焊接技術可以實現更精確的焊接接合，減少材料變形和焊縫弱化。精密模鍛技術可以生產高強度的車身結構部件，提高整體剛性和抗沖擊性能。

然而，先進制造技術的發展也面臨著以下挑戰：① 需要投入大量的研發和設備投資；② 技術的成熟度和可靠性需要進一步驗證和提高；③ 需要重視制造過程的標準化和質量控制。

因此，未來車身結構設計需要結合先進制造技術的發展趨勢，充分利用其優勢，推動車身結構制造的創新和提升。通過持續的研究和合作，克服技術難題，實現更高效、精確和可持續的車身結構制造，為駕乘人員提供更高級別的安全保護。

5 結語

隨著技術的不斷進步和對安全性能的不斷追求，車身結構設計在汽車行業中扮演著關鍵的角色。通過結構強度和剛度的優化、車身形狀和氣動性能的改善、材料選擇和組合的創新，以及防側翻和能量吸收結構的設計，汽車的被動安全性能得到了顯著提升。

此外，車身結構的作用也延伸到駕乘人員保護和事故傷害減少方面，通過座椅和頭枕設計、安全氣囊系統、慣性安全帶系統及輔助安全裝置的應用，為駕乘人員提供了更可靠的保護。未來，隨著輕量化材料、先進制造技術和智能化設計的應用，車身結構將迎來更大的發展和創新，為駕乘人員提供更安全、智能的駕乘體驗。