「柱的故事」汽車A/B/C/D柱概念&與碰撞保護的關係

2020-12-03 汽車科學島

分析汽車結構強度時總會提到「某某柱」,什麼是柱呢?簡而言之,柱的概念是用作汽車車身結構的加強,字面上的意思就像是「頂梁柱」一樣;不同車型有不同數量的柱,比如三廂與兩廂轎車只有三個柱,由前至後分別為前檔位置A柱,前後門之間的B柱,以及後方三角窗的C柱,結構特點如下。

SUV與MPV車型則多出D柱,因為後排三角窗的尺寸加大了很多,車身長度也加長了很多;頂棚與底盤的結構連接需要進行更高強度的加強,所以多出的D柱也會由高輕度鋼材打造。

不過不同位置的柱使用的材料強度會有很大的差異,原因在於碰撞測試的局限性。

1:駕駛門一側的A柱與B柱總會使用所謂的「超高強度鋼」,指屈服強度在1500Mpa(兆帕)左右的熱成型鋼——這是非常理想的鋼材。而之所以A柱會使用熱成型鋼,原因在於NCAP機構或諸如IIHS與CIASI等服務於保險業的車輛碰撞測試機構,其碰撞測試項目中有【25度偏置碰撞測試】,指撞擊駕駛員一側的車頭,測試的動態狀態大致如下。

偏置碰撞測試只測試駕駛員一側,因為左舵車的區域為右側通行,對向車輛的碰撞主要會撞擊駕駛員一側。於是碰撞測試也會測試這一範圍,至於上圖的測試出現A柱的折斷並不具備代表性,此類安全等級很差的車輛畢竟是少數,大部分中高端定位合資品牌汽車以及國產過渡級及以上等級的汽車表現都挺好。因為明知車輛可能會拿去碰撞測試,也明知這一角度的結構需要極高的強度才能有效保護自己的用戶,良心車企總不會無視A柱的強度——熱成型鋼是基礎。

2:B柱的碰撞測試也是同理,側面碰撞測試也是只撞擊駕駛門一側,所以這根B柱也會使用超高強度鋼材打造。然而問題來了:副駕駛員一側是不會參與碰撞測試的,那麼右側的A/B柱使用強度較低的普通高強度鋼(屈服強度1000Mpa左右)則成為大部分企業的「共識」,只是很少一些量產車會使用與左側A/B柱相同的材料,這些車的被動安全保護水平會很高。不過這些車也是鳳毛麟角,除了部分自主品牌以外,只有一些定位豪華等級的合資或進口車才會使用。

在了解了A/B柱的功能與兩側強度的差異後,進一步需要了解的是A柱的結構特點。很多人認為實心的A柱才能保證足夠高的強度,實際這是一個錯誤的理解;因為在材料領域中總會提及一個詞彙叫做「應力」,需要打造成為各種角度與形狀的A柱熱成型鋼板會因設計而改變應力,彎曲後的鋼板可能出現結構阻止的缺陷。為了改善這些缺陷則需要對A柱進行結構的「改造」,比如利用加強筋或者打孔再利用結構加固等等方式;所有開始「千瘡百孔」而且挺「消薄」的A柱,實際強度是相當高的。同步同理看似中空且不夠強的B柱也會很堅強。

A/B柱的強度緣何高於C/D柱

汽車正面碰撞的概率高於被追尾,在交通事故的統計數據中可以這樣定義。而車輛正面碰撞承受的慣性作用力會非常大,因為汽車車身總會有1~3噸的整備質量。不誇張的說——汽車高速碰撞障礙物時就像是「炮彈」一樣撞擊,如果障礙物的強度大於車身結構的強度,結果自然是車輛結構的變形。汽車的碰撞保護結構是一套科學而系統的結構,撞擊力的傳導流程如下圖所示。

簡單描述:防撞橫梁承受輕度撞擊可以不損壞,重度撞擊會將撞擊力傳遞至可被壓扁的金屬吸能盒。如果撞擊力僅足夠壓扁吸能盒則會就此而止,如果撞擊力過大則會通過吸能盒傳遞至縱梁再傳遞到A柱。假設撞擊力過大造成橫梁折斷,此時通過縱梁傳遞至A柱的撞擊力則是巨大的,如果A柱強度不夠高則會出現彎折,最終會是駕駛室的變形出現對駕駛員的擠壓,後果會非常嚴重,所以A柱必須很強。

B柱固定在前後車門的中間,其結構同時保護了前後排,所以B柱也需要很高的強度。而C柱與D柱之間有翼子板的金屬結構進行了相對全面的保護,即使是七座車也不用擔心第三排的橫向撞擊。D柱的強度也不用像A柱一樣那麼誇張,因為被追尾的概率比較低,且毫不減速的直接碰撞追尾也是不現實的;所以D柱只要能保證撞擊力的正常傳導,三廂車配合尾箱的「吸能」、SUV/MPV等車型依靠平直尾門與車身框架的結構強度補償則可以達到合格的安全保護等級——當然以工程塑料尾門打造的某些車輛不在討論範圍內。

汽車安全保護等級——車身覆蓋件並不起到絕對作用

很多消費者在購車時總會按一按車門板或引擎蓋,以能否按得動或用多大力量能按動,作為評價汽車安全等級的標準。然而這是非常不科學的方式,因為這些所謂的「鐵皮」或「鋼板」更多作為裝飾作用,真正起到保護碰撞保護作用的是車身的框架,也就上上文配圖中的結構圖;結構的概念就像是人體的骨骼,支撐起人體站立(形成形狀)的是骨骼框架,而外部的鋼板就像是人的「皮膚」,起到的是美觀與一定程度的防護隔離作用,並不起到碰撞保護效果——充其量是碰撞中防止碎片飛濺到車內。

所以車身覆蓋件(「鐵皮」「鋼板」)的薄厚並不是重點關注點,很多在CNACP或CIASI兩大機構測試中拿到優異成績的汽車,這些車的「鐵皮」可以輕鬆按得動;然而這只是為了進行車身輕量化,實現有效的節油而已。而某些碰撞測試成績極差的汽車,其「鐵皮」厚度超1mm感覺會很堅實,只是這些車的真實防撞能力會很差,覆蓋件的厚多多少少有一些「掩蓋」「掩飾」的味道。

總結:A/B/C/D柱的強度總是越強越好,但在不可能都很強的前提下,至少A柱與B柱要使用熱成型鋼打造。不同品牌的汽車大多會公布車身結構用料的比例數據,參考這些數據可以大致判斷車輛的被動安全水平;至於沒有數據公布的車輛不能一概而論品質低,但是也確實會令人有些疑慮,好在這些車以冷門車為主。其次數據中所謂的高強度鋼比例佔比多少只是帳面數據,其中涵蓋了600/1000/1500左右三個等級的鋼材,其中1500Mpa左右的熱成型鋼佔比往往不具體描述,這就需要對應結構圖進行簡單分析和計算了。

安全的汽車才能讓人放心的駕駛,在選車時更多關注車身結構才是老司機。

編輯:天和Auto-汽車科學島

責編:天和MCN

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