第二章 汽车基本理论和概念

    2 车身轻型化
    随着对车辆安全性和舒适性要求的日益提高、不断完善的法规要求，以及使用功能的增加，都使得现在的车辆自重也随之增加，图2-14所示就是车辆重量随年代而变化的关系。

图2-14紧凑型车辆重量逐年增加

    为了减少能耗就必须降低车辆重量。减小空气阻力和优化传动链虽然也是一个有效的办法，但其效果有限。为了降低平均油耗和二氧化碳的排放，就必须使车辆轻型化。
    实现轻型化有不同的途径，我们要从技术、经济等方面进行取舍。目前的轻型化主要有四种途径：方案的轻型化、形式的轻型化、工艺的轻型化、材料的轻型化。
    1）方案的轻型化主要是指通过负荷计算或模型分析，优化结构总成；
    2）形式的轻型化是指通过实验和计算来优化零部件的几何尺寸；
    3）工艺的轻型化是指革新制造过程，优化连接技术，如采用内部高压塑性加工、激光焊接、高强度粘接等手段；

图2-15车身轻型化方案所减轻的部件重量

    4）材料的轻型化是指研究新型材料，提高材料的性能，以更小的密度求得更好的力学性能，如高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料等。
    图2-15展示了采用上述的轻型化方案，紧凑型整车所减少的各部件重量。
    3 安全性
    对于各种防护措施的研究曾停滞于20世纪60年代。在1960～1969年间，交通事故的死亡者数字连续升高，整个德国仅1970年就因交通事故死亡21322人。比较而言，2004年第一次低于6000人，主要原因是医疗条件和道路的改善，但最重要的还是得益于车辆的安全性措施日臻完善。
现代汽车制造商的一个重要任务就是发展主动安全性技术，减少撞击并减少撞击产生的能量。图2-16说明了汽车的安全性分类和措施。

图2-16汽车安全性分类和措施

    安全性对车身制造的重要要求：
    关于车辆安全性开发，一个重要的标准就是车身碰撞实验，该实验是很多法规，如德国标准StVZO、欧洲标准ECC和EG/EWG、美国标准FMVSS中的安全性标准基础之一，这些准则都是车辆在本国或国际道路上取得行驶许可的前提。这部分安全性法规的内容还包括对于车辆开发的其他技术领域，如乘员保护、制动、视野等的约定。车辆的开发必须符合这些法规的要求，尽最大可能更好地、更优化地解决问题。当然为考虑普遍性，总体来说也有最低技术标准，这些是得到上路许可的必要前提。图2-17说明了轿车的安全性准则所涉及的范围。

图2-17轿车的安全性准则范围

    目前在欧美国家进一步提出了行人保护的问题，并已进入了法规研究的范围。15%的车祸牺牲者是行人，为保护行人就必须在法律上制定车辆的行人保护准则。2005年开始是第一阶段，2010年起是第二阶段，就是实行较严厉的法规。人车碰撞的过程是比较复杂的，与人体面向汽车的身高、站立位置和角度有关，也和车辆的速度和对人体的碰撞点有关。不同的碰撞因素就造成各种行人运动学问题及不同的损伤程度。以统计的方法逐一检验不同的碰撞情况是非常耗费时间和金钱的，因此各国开发了共同认可的简化检测实验方法。
    简化实验是采用不同的头颅模型来做实验，也对四肢、躯干等受伤害情况做研究。研究重点主要是行人在车辆前部的碰撞情况。图2-18描述了具有不同质量的大人和儿童的头颅模型及腿部模型，以不同速度和角度被车身撞击时的情况。
    对于人体的力学承受极限，如骨折、器官损伤和其他的伤害都有一个程度上的分类，该分类就是为研究行人保护而设定的。美国联邦交通安全法中对受伤害程度进行了分级，见表2-2。

图2-18行人保护实验

    单个的人体生理极限通过模拟和假人来推论，有时也可用人或动物来做轻微模拟实验。实验中的承受极限与年龄、性别、身体状况、体重密切相关。
    一台整车的实际安全性应由事故数据来评价。为了检测车辆的安全性，必须通过碰撞实验来模拟最真实的交通事故。不同的厂商开发了不同的测试条件和评价方法，所以测试的结果很难相互比较。

图2-19NCAP冲击实验

    图2-19所示NCAP冲击实验描述了不同的碰撞法规对于正面和侧面碰撞的实验方法，可以看出各国是采用了不同的碰撞速度、碰撞力和碰撞角度，相应的实际评价也有所不同，这些可以供我们参考。
    与车辆主动安全性技术相对应的是被动安全性技术。车辆被动安全性是和车身的制造相关，一旦车辆量产，其被动安全性也就基本固定了。通过实验和模拟可以看出，车身在受到撞击时的变形是个复杂的过程，变形过程持续大约50～150ms，通过弹性和塑性变形来描述。详细计算撞击过程也是比较困难的，因为如此短的时间内，发生了很大的能量转化，产生很大的变形和大的能量密度。局部车体所采用的材料特性极限和结构特性都会相互影响。

 

图2-20奔驰CLS的正面和侧面冲击路径

    车祸中车身的塑性和弹性变形对乘员的伤害程度有很大影响，所以必须要控制这种变形。为了满足法规对交通事故中的乘员保护，汽车生产商必须通过所谓的受力梁（板）来减少变形加速度，这种构件可以通过相关材料和其结构形式来解决。在设计中要注意的是，如图2-20所示前面的受力梁最多可以吸收70%的冲击能量，是一种常用的成熟方案。
    设计中还应考虑到，相对坚硬的轴、发动机、电池和其他部件应有足够的向后的变形区，使得在事故中不向乘员室挤入，减少对乘员的伤害。对于短头的小车型来说，因为结构变形区间较小，就要把发动机设计成在冲撞后向下跌落。图2-21说明了这一跌落式设计。

图2-21奔驰A系列的坚硬部件在碰撞后下滑