通过塑性形变吸能
一般汽车碰撞过程作用时间为0.2秒左右,根据动量定理FΔt=mΔv,车辆从具有一定速度的状态减速到静止状态所受到的阻力是巨大的。为了尽可能保护车内和车外人员的安全,这些能量中的大部分应被汽车的结构所吸收、用于车辆制动与地面摩擦生热、使被撞物体产生形变等,少部分作用于相关人员身上。
因此,在设计车辆时,工程师们需要在车辆前端吸能空间处设计合理的吸能结构,当发生碰撞时该结构产生塑性形变(永久变形)吸收能量,使碰撞中的汽车尽可能地缓慢减速(动量定理中,增加Δt,从而可使受力F减小),并能保证足够的乘员生存空间。这就是为什么我们有时看到车子在碰撞事故中似乎不那么“坚硬”的原因。
同时驾乘人员对于碰撞的响应是尽可能充分利用车内的有效空间(不使头撞在前挡风玻璃上,乃至飞出窗外等),有合理的约束力(安全带、安全气囊)能尽可能降低人员的伤害,从而保证汽车的碰撞安全性。
为什么是塑性形变而不是弹性形变
塑性形变即在外力撤销后不可令物体恢复原状的永久变形,在形变的过程中会消耗一定的能量。而弹性形变在外力撤销后物体可恢复原来的形状,但相应地产生弹性形变的能量会被储存而不是消耗,在碰撞结束时能量会被释放出来!弹性形变的能量释放是不可控的,与我们想要达到的目的背道而驰。因此,我们需要的不是会产生弹性形变的材料,而是能产生塑性形变的材料。
高强度材料用在关键部位
俗话说“好钢要用在刀刃上”,超高强度的钢材都是用在出事故时给乘客保命的地方。无论是遇到正面碰撞、侧面碰撞或是翻滚,最大程度保持乘员座舱空间是最重要的,为驾乘人员留下足够的生存空间,因此车身的下部、侧围内板(A、B、C柱)和顶盖横梁处所使用的均是高强度材料,抗拉能力越强,越能维持住空间形态。
而车身下部的选材则另有侧重。根据动量守恒定律,车辆在相同速度下达到静止状态,所需的时间越长,所需要的作用力就越小;反之时间越短,所需要的作用力越大。这就反映在车身下部材料的选择上,倾向于用屈服强度更大的材料。
乘员约束系统同样重要
车辆上的约束系统主要包括安全带、座椅、安全气囊等部件,通过约束乘员,可降低乘员与汽车内部环境接触导致受伤的风险。
简而言之,一部安全性能好的车,应该是软硬皆有,该软的地方软,该硬的地方硬。汽车前部或者后部,通常发生碰撞的地方,如保险杠,设计成吸能部件,发生碰撞时靠他们的溃缩吸能来消耗汽车动能,并将碰撞力分散到车身骨架各处。而乘员舱则应该尽可能结实,避免碰撞时发生变形而威胁车内人员生命安全。