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如何看待50吨卡车侧翻,被压沃尔沃车主一家毫发无伤?

Quosan的回答

在汽车安全领域,车辆发生碰撞的场景通常十分多元化。就以IIHS的碰撞测试为例,在耐撞性测试当中,其中包括了主驾和副驾的25%偏置碰撞(Small overlap front)、40%偏置碰撞(Moderate overlap front)、侧撞(Side)、Roof Stength(顶压)等等。

在这么多重类型的碰撞当中,顶压测试是常常被我们所忽略掉的。问题中的新闻就是这样一个案例:一台沃尔沃被50吨的卡车侧翻压在下面,但最后车内的三个人却毫发无伤。今天就从汽车安全设计的角度切入,探讨一下类似场景下的车内成员保护。

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IIHS的顶压测试(Roof strength test)

先从IIHS的顶压测试讲起。在每年发生的大量的交通事故当中,有相当一部分死亡的案例是由于车辆翻滚造成的。现在先进的电子稳定性控制固然可显著减少侧翻的概率,尤其是致命的单车侧翻;在车辆滚动时,侧帘式安全气囊、安全带的使用也有助于保护车内人员。但是,为了使这些安全技术最有效,车顶在翻滚过程中撞击到地面时必须能够保持乘员生存空间。坚固的车顶被压扁的可能性较小,从而降低了乘员因接触车顶本身而受伤的风险。

在顶压测试中,通过以缓慢但恒定的速度将倾斜的金属板向下推到车顶的一侧,并测量压碎车顶所需的力来确定车顶的强度。相对于车辆重量施加的力称为强度重量比(Strength-to-weight ratio)。在车顶被压缩到形变量5英寸之前任意时刻记录的峰值强度与重量比是最后的参数指标。

优秀(Good)的评级要求强度与重量的比至少为4。换句话说,车顶板在将车顶压缩5英寸之前,必须承受车重的至少4倍的力。对于Acceptable的等级,最低要求的强度重量比为3.25。对于marginal的评级,该值为2.5。低于此的值都是差(Poor)的。

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IIHS Roof strength评分标准示意图

我们可以看到,2018款的Volvo XC60在Roof strength中的Strength-to-weight ratio是5.18,显著高于4,取得了优秀(Good)的成绩,下面将从车身设计角度分析取得高分的原因。

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2018款沃尔沃XC60 顶压测试成绩

顶压的结构设计

针对顶压的车身设计逻辑跟传统的正面碰撞的设计逻辑有很大的不同

先看正面碰撞:,一次完整的碰撞分为三个阶段:

  • 第一阶段是前部结构的吸能碰撞。这个阶段车体前部需要吸收尽可能多的能量。所以有时车前部在碰撞后看起来受损严重,但其实是有效地保护了我们。
  • 第二阶段就是乘员舱的碰撞,即车内驾乘人员和约束系统之间直接的碰撞。安全带、安全气囊等都会在碰撞发生时,为驾乘人员提供必要的安全保护。
  • 第三阶段发生在人体内部,不同器官会在体内相互撞击。

而在汽车安全事故中,正面碰撞造成车内乘员死亡的比例是最高的。因此车身前部结构吸能区在正面碰撞中变形越大, 对于碰撞能量的吸收就越多,可以尽可能小的避免撞击力传到乘员舱中。

正面碰撞对于车身设计的基本要求是做到「软硬得当」。即保证在第一阶段前部结构的吸能碰撞过程当中,尽可能多的吸收能量。常见的设计思路是加长车身前部、加强防撞梁、加强shotgun在纵梁外侧增加吸能结构等。同时在第一阶段吸能结束后,能量传递到乘员舱,乘员舱的结构强度足够,从而保证乘员舱变形程度小,提供给乘客足够的生存空间。其主要的方式有加强A柱、门槛梁等。

除此之外,一些厂家也会通过特殊的结构,确保正碰的效果。如图所示,将前防撞梁、Shotgun、前纵梁、水箱上的横梁及立柱,连接成有机的整体,从而改变受力、提改善碰撞结果。

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车身结构设计示意图

而沃尔沃则是使用「丢轮保命」的方法。如图所示,XC60的Shotgun是向内呈圆弧状并与纵梁相连接的,在小偏置碰撞过程当中,圆弧形的shotgun会带动车体发生侧滑,避免与刚性壁障发生硬碰硬。与此同时,对于前悬架的硬点进行特殊的设计,从而使得车轮可以在碰撞过程当中顺利脱离物体。当然,在车身的整体结构上,依然符合「软硬得当」的基本逻辑。

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沃尔沃XC60 车身结构

顶压和侧翻场景则和正碰有很多的区别。由于车顶结构本身就包含在乘员舱结构里,因此车顶结构不像正面碰撞可以提供足够的缓冲区域吸收能力,并且车顶的变形量将直接决定乘员的生存空间。因此,针对顶压的结构设计基本上是「强强对话」。尤其是A、B、C柱、车顶横梁的设计。

对于这几部分结构相对简单的结构设计,材料是重中之重。这就不得不提一种材料 -「硼钢」

硼,是一种非金属元素,在大自然中以晶体的形式存在,是世界上硬度仅次于金刚石的物质。而硼钢,顾名思义是以硼为主要合金元素的钢材。在加入合金元素硼之后,钢的淬透性会变得非常高,同时具备高耐磨性和良好的抗疲劳性,是优秀的结构钢材。

硼钢最早被应用于军工行业、以及航空航天工业和潜艇制造。随着汽车制造业的蓬勃发展,硼钢有了新的“用武之地”。使用硼钢的车身,结构强度大大增加,从而提高车身的抗挤压能力,在发生碰撞时可以更好地保护车内乘员的生命安全。同时,热成型硼钢零件也是目前最具应用价值的车身轻量化材料之一。

以沃尔沃XC60为例,XC60的硼钢使用量为34%。XC60将屈服强度最优异的热成型硼钢使用在了车身侧面的A柱-B柱-C柱-中通道-下门槛以及驾驶员和副驾驶前方的脚踏板区域,也就是说,当你打开车门,车门上下左右的门框之下隐藏的全部是强度高达1500Mpa的热成型硼钢;当你坐进驾驶座,你脚下的踏板区域,你的中央扶手下方,也全部使用的是硼钢。驾驶员的前后左右都被热成型硼钢所围绕着,形成了一个安全的笼型结构。

对于车顶结构来说,在发生“顶压”场景时,撞击力可以有效地传导给具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其他部件, 使撞击力被这些部件分散、吸收, 极大地提高了车身的抗碰撞能力和整体安全性,在发生碰撞时不易变形,更好的保护车内乘员的安全。

最近,沃尔沃也搞了一个跟顶压测试很类似的实验。就是通过在XC60上叠加XC60的方式,测试XC60车身,尤其是乘员舱的强度,甚至还请到了自家总裁亲自参与。结果也很好的验证了沃尔沃XC60的车顶强度,因为上面整整叠加了6台车,而车身并没有发生明显变形。

随着消费者对于汽车安全重视程度的提高,针对不同安全场景下的解决方案也在不断的被提出。无论是传统的被动安全技术、还是话题度越来越高的主动安全技术,沃尔沃一直走在整个行业的前列。

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