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汽车安全的核心—车身

2007年12月26日

汽车的安全主要由两个方面组成:主动安全和被动安全。主动安全可以概括为“车辆躲避碰撞发生的能力”,这与车辆本身的操控性、行驶稳定性等相关;而车辆的被动安全性则主要取决于车身结构以及车内束缚装置(如安全带、气囊)的效能,而其中车身结构在其中又占了主导地位。

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汽车的车身主要框架结构在很多时候被称作车架,加上了诸如发动机盖、行李厢盖等
等覆盖部件之后,就组成了我们通常意义的车身。很多时候,由于车身的这些覆盖件并不承受支撑力,对车身整体的刚性贡献不大,因此,在很多时候,车身和车架都是同一个意思,也就是指决定整车刚性的主要框架结构。

车架的种类

总的来说,汽车的车身可以分为非承载式车身与承载式车身两类。

非承载式车身主要是指具有梯形车架(Ladder Chassis)的车身,梯形车架也叫阵式车架,是最早出现的车架形式。顾名思义,梯形车架的样子就好像一条平躺着的梯子由两条纵向的主梁,结合许多大小粗细不同的副横梁所构成,有些情况还会加上斜梁作巩固。非承载式车身最大的特点便是结实耐用,具有很高的刚性,因此对抗正面碰撞的能力也很强。而且由于车架和车壳作非固定连接,因此,在大幅上下落差的崎岖路面环境下,车辆的扭曲都由坚固的梯形车架吸收,阻止了车壳的扭动,对于越野车来说是非常必要的设计,而且直到上世纪60年代,它仍然被大部分汽车所采用。

不过,梯形车架也有缺点,这便是车身重,重心高。因此从50年代开始,轿车逐渐使用承载式车身来代替非承载式车身。40年代末50年代初出现的钢制一体式车架(Monocoque)便是承载式车身。所谓的一体式车架,即车体结构由折叠的槽化钢梁和压制的板金件焊接结合为一个整体刚性的车壳,板金件也共同承载车体结构负荷。目前的轿车和城市SUV都是采用这种车身结构,只有少数硬派越野车还在使用梯形车架。

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轻量化与高强度钢材的应用

谈到车体结构设计,汽车工程师们最高指导原则便是轻量化与高刚性。虽然一体式车架较原来的梯形车架已经在重量方面大大下降,但打从自从1970年代石油危机开始,几十年来,汽车一直持续在进行减重计划,再加上汽车相关的环保标准越来越严格,汽车工程师一直在寻找方法将汽车减重,以求得更佳的省油性并减少废气排放。经过过去这三十年减重的努力,一部典型轿车车重减少了大约250公斤,而耗油也减少了大约一半。

而在车架重量不断降低的同时,其刚性却在不断的提高。这一方面得益于车架结构的设计越来越合理,另一方面也是因为高强度钢材的应用。虽然同为钢材,但强度却有高低之分,同样是钢材,但若含碳的成分、合金的成分、或者制造、热处理的方式不一样,承载负荷的强度变会差异非常大。像是中强度彳氐合金钢Medium-strengthlow-alloysteel(MSLA),在熔化过程中加入了较多的磷和锰合金成分,常被用来作车体外壳;而高强度低合金钢High-strengthlow-alloysteel(HSLA)则掺入了稀有金属钛和铌,强度可以达到中强度低合金钢的两倍。另外,加工的方式不同,也会导致钢材在成形过程中强度出现变化,像以高水压压制的钢材,在强度上就要优于高重量压模机压制的钢材。

不过不管是什么钢,其本质或者说主要成分还都是铁,强度可以差好几倍,但密度却是基本相同,所以,同样的体积不管是什么钢,重量几乎完全一样。前面提到采用高强度的钢科,即便更细、更薄的结构也能达成相同的强度,因此材料就可以用少一些,重量也可以减少一些,而车身刚性却可以更高。

除了在材质方面的进步外,汽车工程学在结构方面的进步也是相当惊人的。我们也常能够听到“某某车型新设计的车架较上一代车身刚度提高了xx%”报道,车身结构方面的进步较之材料刚度本身的进步可以说是有过之而无不及,它们共同的发展使得汽车的安全性以惊人的速度在进步。不过,车身结构本身是一个比较复杂的话题,我们以后会详细谈到。

采用高强度的钢料,即便更细、更薄的结构也能达成相同的强度,所以材料就可以用的少一些,重量也可以减少一些,而车身刚性却可以更高。

强度是否就是刚性?

结构的强度和刚性字面上感觉起来似乎没什么不同,但实际上它们根本是两回事。“强度”的英文是“strength”,其概念是材料受到多大外力时会产生破坏,这是一个与材料本身材质相关而与结构无关的数据。在汽车结构上只有大约20%的结构件以强度为最重要考量,主要是车体结构上处理冲击负荷的部分,像是冲击梁、车体B柱补强等,通常我们希望在这些主要承受冲击的零部件采用高强度钢。

而刚性英文是“stiffness”,主要的概念是结构受到外力时产生变形量的大小,这是一个既与材料本身材质相关又与结构相关的数据。简单地说,受到同样外力变形量大,表示结构刚性差,变形量小,则表示结构刚性好。在衡量车架的刚性时,我们通常使用“扭转刚度”来标示车架的刚性,其定义为使车架扭曲一度所需要的力矩的大小,单位为Nm/degree或者kgm/degree。(汽车杂志 Text:柳柽)



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