碰撞缓冲区是什么?关于碰撞缓冲区的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:57:17

碰撞缓冲区是一种结构安全特性,主要用于汽车在碰撞过程中通过控制变形吸收碰撞能量,最近也被应用到轨道车中。

碰撞缓冲区的设计是通过控制溃缩变形来吸收交通碰撞中的碰撞能量。这种能量比人们通常意识到的要大得多。一辆2000公斤(4409磅)的汽车以60公里/小时(37英里/小时;17米/秒)的速度行驶,撞到混凝土厚墙体所受到的冲击力,相当于从14.2米(47英尺)的高度车头朝下跌落到坚实的混凝土地面上。车速提高50%至90公里/小时(56英里/小时;25米/秒),和从32米(105英尺)跌落相比,前者冲击力为后者的125%。这是因为存储动能(“E”)与碰撞速度的平方成正比,而不是与速度本身成比例。E由公式E = (½)质量×速度得出。

通常来说,碰撞缓冲区位于车辆前部,以吸收正碰冲击,当然也会出现在其他部位。根据英国机动车保险维修研究中心对车辆撞击损坏发生位置的研究表明:65%是正面碰撞,25%是追尾碰撞,5%是左侧碰撞,5%是右侧碰撞。有些赛车使用铝、复合材料/碳纤维蜂窝,或是吸能泡沫来制造碰撞衰减器吸附碰撞能量。衰减器的体积和重量都比正常公路汽车的碰撞缓冲区小。碰撞衰减器在某些国家已经被应用于道路养护工程车上。

2009年9月10日,美国广播公司新闻节目《早安美国》和《世界新闻》报导了由美国高速公路安全保险协会进行的2009年产雪佛兰迈锐宝与1959年产雪佛兰Bel Air轿车的偏置正碰试验。结果明显证明了现代汽车的安全设计比20世纪50年代的设计更有效,尤其是刚性乘员安全区和碰撞缓冲区的设计。

早期发展历史

碰撞缓冲区的概念最初是在1937年由匈牙利籍奥地利人波比拉.巴恩伊提出,是他担任梅赛德斯-奔驰的工程师前发明并取得专利的,该概念于1952年进一步完善。1953年的奔驰Ponton部分实现了他的想法,是通过高强的深平板形成一部分安全区,并于1941年获得专利。1952年,奔驰获得的854157号专利描述了被动安全的决定性特征。巴恩伊质疑当时的流行观点,即一辆安全的汽车必须是刚性的。他将车身分为三部分:刚性不变形的乘客舱和前后部的碰撞缓冲区。这样的设计是为在碰撞时能够通过变形来吸收碰撞能量(动能)。第一个成熟应用此项专利技术的奔驰车身就是1959年的奔驰W111尾鳍大轿车。安全区和碰撞缓冲区主要由纵梁的设计来实现,纵梁在车身中间呈直线,并与车身钣金一同构成刚性笼式安全车身。纵梁前后端呈弯曲状以便在事故发生时溃缩吸能,防止撞击力全部传递给乘客。

关于弯曲纵梁的最新进展是,纵梁被纵横交错的筋弱化,形成可伸缩式吸能盒和吸能管的变形结构。

功能

吸能后的后部碰撞缓冲区

横截面显示了金属在萨博9000中的不同强度。安全区的金属材料(红色)比碰撞缓冲区的材料(黄色)更强。

来自于英国运输研究实验室的马自达121(重新注册版福特嘉年华)碰撞试验车

在运输研究实验室对变形墙进行正碰试验后的大众POLO

大众Vento/捷达吸能后的碰撞缓冲区[1]

丰田凯美瑞正面撞上一棵树后,安全气囊已弹开。

防撞缓冲区的作用原理是管理碰撞能量,将能量吸收于车辆外部结构,而不是直接传递到乘员身上,同时还能防止侵入乘客舱或使乘客舱变形。这可以更好地保护车内乘客免受伤害。 这是通过弱化碰撞时需牺牲的车身外部零件,同时加强车身内部零件的刚度来实现的,设计更多加强梁并使用高强钢材料,使乘客舱成为一个安全区。到达安全区的碰撞能被分散到尽可能大面积的区域以减少安全区变形。沃尔沃在20世纪90年代初首次引入侧面撞击保护系统(SIPS),即应用了侧碰缓冲区。

当车辆及其内所有物品,包括乘客和行李都全速前进时,它们具有惯性和动量,这意味着它们将继续以该方向和速度前进(牛顿第一运动定律)。如果刚性架构车辆由于碰撞而突然减速,车内未受约束的物品因着惯性将继续以其先前的速度前进,并撞击车内饰,将受的冲击力是其重力的许多倍。碰撞缓冲区的作用在于减缓碰撞速度并吸收能量以减小车辆与其乘员之间的速度差。

安全带约束乘客,使他们不会飞过挡风玻璃,并处于安全气囊对应的正确位置,还会分散对身体的冲击负荷。安全带还可以吸收乘客的惯性能量,其设计为可以在碰撞过程中拉伸,再次减小乘客身体与车辆内饰的速度差。简而言之:碰撞缓冲区(连同其他配置)使得乘客的身体在更长的时间内减速更慢,这比身体间接撞击几乎瞬间停止的、坚硬无损金属车身的乘客存活率更高。这就像头先撞墙(头骨骨折)和肩先撞墙(皮肉轻微擦伤)的区别。因为手臂较软,相较于坚硬的头骨有数十倍的时间减慢速度,头骨变形非常小,只有在非常大的压力之下才会完全接触除墙面。在碰撞过程中安全带拉伸约束乘员的同时,也意味着如果车辆在碰撞后被修理重新上路,则有必要更换安全带。如果安全带已经老化,例如机械磨损或皮带安装故障,那也应该进行更换。在新西兰,官方强制规定只能用织带抓取式安全带来替换磨损的惯性卷轴式安全带,这种安全带的游隙较小,对老式汽车更有效。较新款汽车会有电子点火的预紧式安全带,此类安全带在接收安全气囊点火信号时启动。购买二手安全带是很危险的,即便是在其合法的国家。因为安全带可能已经在碰撞事故中被拉长了,对新用户很难发挥应有的保护作用。

乘客身体撞击车内饰、安全气囊或安全带后,最后的撞击是由于惯性导致内脏器官撞击胸腔或颅骨。此类撞击力是许多车祸致残或危及生命的成因。其他致伤原因有骨骼脏器损伤和失血,因为血管破裂,或是骨头骨折后的尖锐表面对器官和血管造成的损伤。一系列的能量耗散和减速技术,包括碰撞缓冲区、安全带、安全气囊和填充内饰共同构成一个系统,共同降低对乘客外体和体内器官的冲击力。在碰撞中,将人体减速的速度减慢几十分之一秒都会大大降低冲击力。力的方程是正比一次方程:力=质量X加速度。若减速减半,同样力也会减半。因此,将减速时间由0.2秒降至0.8秒会使受力减少75%。

美版福特福睿斯与SUV的偏置正碰显示出碰撞的高点,但没有侵入汽车碰撞缓冲区。

有时人们会对碰撞缓冲区产生误解,认为缓冲区车身溃缩有压死乘客的危险,从而降低了安全性。实际上,碰撞缓冲区通常位于车身主体的前后端(形成刚性安全区),紧凑地分布于发动机舱和后备厢空间内。相较于使用独立底盘架构并且没有碰撞缓冲区的旧款车型或SUV来说,现代车型使用通常被称为“碰撞缓冲区”的结构,能够在严格的测试环境下为有缓冲区和固态静物的车辆提供更优的保护。

当与没有碰撞缓冲区的越野车相撞时,情况确实会变得更糟,因为大部分的碰撞能量会被有缓冲区的车辆吸收。然而,即使是对“情况更糟”的车辆的乘客来说,这仍然是一种改进。因为两辆都没有缓冲区的车辆相撞的结果,对双方乘客来说,通常比至少有部分缓冲的碰撞更危险。

另一个问题是“碰撞兼容”,即SUV底盘纵梁末端的“硬点”高于轿车的“硬点”,导致SUV会骑在轿车的发动机舱上。为了解决这个问题,在新型SUV和越野车的前保险杠下面加入了设计结构,用于接合高度较低轿车的碰撞缓冲区。沃尔沃XC70低高度前保横梁如图所示。沃尔沃对此设计报道说:“低高度前横梁有助于保护低底盘轿车:新沃尔沃XC60的前悬副车架配有一个位于传统轿车横梁高度的低高度横梁。较低的横梁会承受迎面而来的车辆的保护结构的撞击,使得碰撞缓冲区按预期发挥作用,从而为乘客提供最大程度的保护。”

低速冲击能量吸收

保险杠前部需设计成能够承受低速碰撞,例如驻车碰撞时可防止对车辆造成永久性损坏。这需要由弹性部件来实现,例如前裙板。在一些车辆中,保险杠是填充泡沫或类似的弹性物质。近年来,这方面的设计越来越受到重视,因为新车碰撞测试(NCAP)已将行人碰撞纳入其测试项目。减少行人碰撞区的刚性支承结构也成为了设计目标。

在碰撞不太严重的情况下(约20公里/小时),保险杠和外板的设计应确保车辆碰撞缓冲区和承载结构的损坏尽可能得少,维修费用尽可能低。为此,所谓的吸能管和吸能盒需用于保险杠安装。吸能管由由中空钢材卷制而成,用来转化碰撞能量。

计算机模拟碰撞仿真

大众POLO首次成功的整车正碰模拟(ESI 1986)。

利用有限元分析可视化汽车在非对称碰撞中的变形。

欧洲新车碰撞测试(NCPA)正面碰撞(左舵驾驶车辆)。

路特斯前碰测试显示铝底盘溃缩结构、刚性前底盘边梁的高度和刚性前横梁。

20世纪80年代初,德国汽车制造商利用为航空航天和核工业开发的技术,开始了复杂的计算机碰撞模拟研究,使用有限元法模拟单个车身零件、总成,和白车身(BIW)阶段的四分之一和二分之一车身的碰撞行为。这些试验最终由德国汽车技术研究集团(FAT)的联合项目完成,汇聚德国七大汽车制造商(奥迪、宝马、福特、梅赛德斯-奔驰、欧宝、保时捷和大众),测试了两种新兴的商业碰撞模拟代码的适用性。这些模拟代码再现了满座轿车结构的正面碰撞(豪格汽车 1986),一夜之间就能在计算机上运行完成。既然两次连续作业提交(计算机运行)之间的运转时间没有超过一天,工程师们就能够对所分析的车身结构的碰撞行为进行有效、稳步的改进。自20世纪90年代起,随着1997年欧洲NCAP的出现,一级方程式赛车安全专家的参与,欧洲对改善碰撞安全性的需求就提高了.

安全区内的雪橇板

2004年的宾尼法利纳的Nido实验安全车将碰撞缓冲区布置在乘员舱里面。内部缓冲区会使雪橇板上的乘员舱减速。沃尔沃也一直在开发这种用于小型车的理念。他们的驾驶座安装在纵梁上的雪橇板,前面有减震器。在碰撞中,驾驶座和系上安全带的驾驶员随着整片“雪橇”向前滑动至8英寸,减震器消散了碰撞的峰值冲击能量,延长了驾驶员的减速时间。同时,方向盘和驾驶员侧仪表板向前滑动,为驾驶员腾出空间。因为驾驶员向前甩会拉长安全带。 该系统结合前碰撞缓冲区和安全气囊,可以大大地减少正碰时作用在驾驶员身上的力。

预拉雪橇

2018年年中在新西兰,预拉系统理论上认为,一旦发生碰撞,座椅甚至底盘都会以30公里/小时速度向后移动。这将减少对乘员和部件的冲击力。例如,以100公里时速行驶的车辆发生碰撞时,座椅向后以30公里/小时速度移动,乘客会感受到70公里/小时的冲击(100-30=70)。如果车辆以规定的速度行驶,这将提高安全气囊的使用率,因为相应地减少了对预拉雪橇系统的调动。这也将提高汽车与卡车相撞的存活率,减震器弹簧具有止动销,使得车辆溃缩并且吸收乘客感受到的能量。然后当汽车被卡车弹回时,止动销释放以吸收二次推回撞击;如果需要,则可使用安全气囊。