汽车车身越硬越安全吗

贷款签约中心曾经理

当哥白尼提出日心说的时候，世界上没有一个人能够理解他，因为这实在违反人们的直觉：太阳东升西落，地球是宇宙中心，这个认知更显而易见，也更符合宗教的理论。




日心说模型

当尼尔斯·博林发明汽车用安全带时，肯定有很多人也不能理解，一根简单的带子真的能带来“安全”吗？因为这同样违反直觉：把人绑在汽车上面不是更危险？




汽车三点式安全带的发明者，沃尔沃首席安全官尼尔斯·博林和他的安全带

但是专业的碰撞事故分析告诉我们，在事故中，安全带能够避免人的头部、胸部猛烈撞击方向盘、内饰板，或者避免翻滚事故中乘员被甩出车外，挽救了上百万的生命。




未系安全带，人被甩出

言归正传，汽车车身是越硬越安全吗？
这可能又是一个某种程度上反直觉的问题，到底如何，且让我一一道来。
1、乘员娇弱的头部，决定了汽车车身哪里该硬、哪里该软
首先让我们来看看头部的剖面图。



大家可以看到，在头部骨骼（黄色）的腔体内，是人类重达1.5kg的大脑组织（想想1.5L可乐的重量）。除了外部的头部骨骼包裹之外，大脑组织再没有其他依靠，它远远不如心脏那般有着强有力的肌肉纤维。
打个让人不是很舒服的比方，大脑组织就像豆腐一般脆弱。如此脆弱的大脑，是经不起剧烈撞击的，轻则脑震荡，重则植物人或当场死亡。
所以，在汽车碰撞安全的开发过程中，我们引入了HIC（头部伤害值）来评估汽车对乘员头部的保护。



上式中：
t_{1}和 t_{2}代表碰撞过程中的2个时间点， t_{2}-t_{1}\leq15ms;
a代表碰撞加速度；
HIC则是加速度对时间的积分。
也就是说，头部受伤害的严重程度，取决于车辆碰撞事故中，车辆的加速度大小，以及最大加速度持续的时间长度。
一般来说，持续几十秒的4g-6g加速度，就可以使人发生晕厥，更长时间则可能导致死亡；短时间的9g-10g加速度，就可以使未经训练的人受伤、晕厥或死亡（飞行员/宇航员由于穿着有特制的飞行服且经过专业训练，可持续更长时间）；而经NHTSA研究发现，峰值达到 75g、65g或50g的加速度时，分别可以导致一个50%分位的健康成年男性、健康成年女性、健康儿童直接死亡 。
现在大家一定明白了，要想在碰撞事故中，尽量减少乘员的头部伤害，我们应该尽量减少碰撞加速度的峰值，或者尽量减少峰值加速度持续的时间（碰撞事故中，碰撞全过程一般不会超过200ms）。
下面是S90的碰撞视频，我们可以看到，在碰撞过程中，车辆前端发生了非常大的变形。正是通过车辆前端结构的合理设计，使其在变形的过程中，逐步吸收车辆的碰撞动能，避免车辆速度迅速降低至零（大家都知道加速度=速度/时间，速度一定，时间越短，加速度越大），从而减少乘员的伤害。

让我们来看看它的车体骨架是如何设计的。




沃尔沃S90的车身骨架

车辆前端绿色部分的防撞梁是普通强度的高强度钢，黄色部分是较高强度的高强度钢，红色部分是1600MPa以上强度的超高刚性强度钢。
1） 车辆最前端绿色部分的铝压铸的减震器支架，用于应对低速碰撞（典型工况如15km/h），减少后部车体结构的变形，降低维修费用。
2） 发生高速碰撞事故时，绿色部分与黄色部分依次发生变形，逐步吸收车辆的巨大碰撞动能，避免过高的加速度作用于人体。
3） 在某些极限速度条件下，当绿色、黄色部分已经发生了充分变形，而车辆速度还没有达到零时，如果车体的红色部分继续变形，则后面的乘员舱将被侵入，造成乘客更加直接的接触性物理伤害。因此，红色部分采用超高强度钢，确保乘员舱的安全。
综上，为了降低乘客受到的头部伤害以及其他伤害（包括颈、胸、腹、下肢，此处不再一一分析说明），车辆前端吸能区应合理设计，避免强度过高导致加速度过高，即避免太硬。为了避免乘员舱被侵入，造成乘客的接触性物理伤害，车辆乘员舱骨架，包括A柱、防火墙、门槛梁、中央通道等，则应设计得强度越高越好。
2、对方车辆的安全，决定了汽车车身哪里该硬、哪里该软
发生下图这种车对车的碰撞时，有几种情况。



1）如果两台车的结构强度完全相同或基本一致，车重、车速也完全一致，那么黄色纵梁溃缩的长度一致、绿色防撞梁的弯曲/折断变形的程度一致，如下图。两台车打个平手，互相伤害，但是互不侵入对方乘员舱。



2）如果两台车的结构强度差异非常大，车重、车速完全一致，那么有可能左侧车辆的纵梁，如同匕首一般插入右侧车辆的发动机舱，并进而导致右侧车辆的乘员舱被侵入，在车辆碰撞加速度不大的情况下，乘员生存空间被挤压，导致受到严重的接触性物理伤害。



3）如果两台车的重量差异非常大，但前端长度基本一致（取机盖最后端到保险杠最前端长度），由于开发阶段都需要对应50km/h的全正碰刚性墙碰撞试验，为了保证乘员受到的加速度（即HIC头部伤害值）差异不太大，所以两车的前端结构强度会差异较大。
为什么呢？
速度相同时，更重的车辆，动能会更大；更轻的车辆，动能会更低。在加速度大小（即HIC头部伤害值）目标一致的情况下：更重的车由于必须保证在有限的车辆前端长度下，把更大的碰撞动能吸收掉，所以车辆受到的反力必须更大（能量=力×位移），车辆前端结构强度会更高。相应的，更轻的车，前端结构强度会更弱。
所以，问题来了，更重的车与更轻的车对撞，速度一致时，即使作用力与反作用力一致，更轻的车也会获得更大的加速度，乘客的HIC头部伤害值会更大。更重要的是，重量更轻的车由于前端结构强度更低，前端被侵入的量也会更大，乘员舱更容易被侵入。
以上是三种比较极端的工况，除了第一种情况特别理想，两台车互不吃亏外，其他的情况都会是一方得利一方受损。而实际情况则会更加复杂，因为道路跑的车辆五花八门，结构、强度、重量各不一样，发生碰撞时的速度、角度也纷繁复杂。
那么，有没有一个公共的规则，让路上跑的车辆都遵守，使得大家的车体前端结构、强度都比较一致，使得大家都互不吃亏呢？
这就涉及到了车辆碰撞相容性的概念。知乎上有专栏对此进行了介绍，大家可以进行一个初步的了解。https://zhuanlan.zhihu.com/p/31955667
在评价标准方面：
国际上，Euro-NCAP将于2020年正式实施MPDB的车对车、50km/h等速、50%偏置对碰实验评价。国内，C-NCAP也将于2021年正式实施该评价标准。




MPDB碰撞工况

该标准就是使用标准的MPDB壁障对不同的车型评价，所有的车型在试验后，都应达成一定的安全性能限值。
包括：
1）碰撞后壁障表面变形的标准偏差（SD）
主要考察实验车辆的前端结构强度均匀性，避免偏差过大，造成双方车辆前端受力不均，结构变形模式不合理，影响安全性。
2）乘员负载指数（OLC）
主要考察实验车辆造成对方车辆的碰撞加速度，影响对方乘员的保护性能，避免对方乘员受到过大的伤害。
3）壁障击穿
主要考察实验车辆是否会以柱状的形式侵入对方车辆。壁障一旦击穿，即可认为，对方车辆的乘员舱可能会被本车辆的杆状物侵入（我可能在开车，但是你没有证据）。
所以，说了这么多，您一定明白了：为了使道路上运行的车辆，都有一个公平的安全性能，碰撞相容性要求不管是重量大还是重量小的车，都不能太硬，也不能太软。中国的“和”文化哲理，在此得到得到了充分体现。
3、行人的安全，决定了汽车车身哪里该硬、哪里该软
在中国的交通事故中（2015年CIDAS数据），车辆与行人的事故比例高达21%。而在行人的事故中，死亡比例高达29%。



当然不止在中国，在全世界来说，在事故中如何提升车辆对行人的保护性能，尽量减少行人的死亡和重伤比例，都是一个非常重要的课题。
所以，全球主要的NCAP评价规程（C-NCAP、Euro-NCAP、J-NCAP等），均把车辆的行人保护性能，列为车辆安全性能评价中非常重要的一环。IIHS尚未对行人保护进行评价，但IIHS的中国版——C-IASI则也把行人保护列入了评价规程。




AEB的行人保护测试

那么，让我们来分析一下，当车辆撞击到行人时，会发生什么呢？
1）如果撞击的是儿童
儿童的头部会撞击到引擎盖上，大腿、膝盖、小腿会撞击在保险杠上面。



让我们再回想一下HIC的计算公式，为了减少头部的伤害，那么应该尽量减少头部撞击时的加速度，同时延长撞击的时间。
所以，引擎盖的强度不能太高，否则超强的加速度可能造成头部的严重伤害甚至脑死亡。
减速度减小了（即头部受力变小了），为了吸收头部的撞击能量，则头部撞击导致引擎盖变形加大。
如引擎盖下方的空间较大，则问题不大。如车辆的发动机、变速箱体积较大，或蓄电池的布置高度较高，则头部可能撞击到发动机缸盖、蓄电池的上部这些硬度非常高的部件，这也会导致头部的严重伤害。这时，主动弹起式引擎盖就被发明出来了。




在检测到车辆撞击行人后，引擎盖弹起，加大引擎盖下方空间，避免行人头部撞击到硬点

总而言之，引擎盖应设计的足够“软”，并且引擎盖下面也不能有行人头部能撞击到的硬点，才能确保行人安全。
2）如果撞击的是成人
让我们再回顾一下这台沃尔沃S90的车身骨架图。



为了确保乘员舱的安全，所以A柱使用的是超高硬度的高强度钢。
对于身高较高的成人来说，头部固然可能撞在挡风玻璃上（那就幸福了，撞玻璃上绝对不会受重伤），但同样可能撞在A柱上。如果车辆以40km/h的速度撞击行人，而行人的头部正好不幸撞击在A柱上，那么结果基本上都是死亡。
所以，连Euro-NCAP、C-NCAP、C-IASI都放弃治疗了，也就是说，A柱位置默认为超高伤害值的点，不做测试。
那有没有可能改变这种情况呢？有的。
这就是沃尔沃首次进行工程上实现的行人保护气囊。





从上图可以看到，行人保护气囊展开后，正好覆盖住成人可能撞击到的A柱位置，用“柔软”的气体托住人的头部，避免大的伤害。（注：刚好充满气的气囊，实际上没有想象中那么柔软）。
综上，对于行人保护来说，车辆并不是越硬越好。
比如行人碰撞事故中行人头部可能撞击到的部位，那当然是越软越好，所以我们的汽车工程师开发了强度合适、可以主动弹起的引擎盖，开发了可以遮挡A柱、托住行人头部的气囊。
比如虽然本文未再赘述，但实际上经过特殊设计的树脂保险杠、遮挡在高强度防撞梁前部的发泡吸能材料，使得行人腿部被撞击时受伤更轻。

<hr/>事实上，在沃尔沃汽车的开发中，车身的合理“软”“硬”设计，是始终贯穿其中的。
比如IIHS在世界首次实施64km/h 的25%小偏置碰撞时，沃尔沃S60就拿到了G，强度和硬度极高的A柱，就毫无变形。




2019 TOP SAFETY PICK

比如上文提到的沃尔沃行人保护气囊就足够软，以致行人撞击到超高硬度A柱也安然无恙；
不仅能在发生碰撞事故时能够减少行人伤害，在发生事故前，沃尔沃多年以来一直领先业界的主动安全系统City Safety，能够提前监测行人动向，主动刹车，避免行人碰撞事故的发生。这是沃尔沃“零重大伤亡安全愿景”付诸行动的体现。
May nobody should be seriously injured or killed in a new Volvo.
来源：沃尔沃汽车