关键词： 汽车 碰撞 被动安全 减速伤 吸能 溃缩

提要：本文就轿车之间发生正面碰撞事故时对车内乘员的保护程度，即该情况下的车辆被动安全性在理论上进行了初步分析和探讨，对“吸能区”长度和软硬、车身重量以及防撞梁等方面对安全的影响提出了作者的观点。这些观点不一定安全正确，所以欢迎大家一起讨论，共同提高交通安全意识，并在选车时对车辆的安全性有所考虑。

0. 引言及讨论说明

“安全第一”思想是人类社会文明进步的表现，交通安全是家庭幸福的基础。作为每一个驾车者，除了应具备相应的安全观念和安全常识，掌握相应的安全技能外，还应该对所驾驶的车辆的安全性能有一定的了解，以便尽可能在其安全范围内驾驶；而对于即将买车的准车主，在选车时也应该充分考虑车辆的安全性能，在自己的预算范围内，尽量选择安全性能好的车。

交通安全问题大致分为以下层面：

本文只讨论上述情况中的车辆被动安全性能之一，即轿车发生100%正面碰撞时车内乘员的安全，其它类型的碰撞可以参照本文进行分析，原理是相通的，不在本文讨论范围；

本文也不讨论以下几种情况：

l         发生碰撞后车辆本身损失情况

l         对行人的保护问题

l         轿车与大货车相撞的情况

l         驾驶者的安全观念和安全行为

以上这些不在本文进行讨论的话题并非没有意义，而是另外的专门问题，汽车制造商是应该考虑的，想讨论这些话题的同学请另外开帖。

鉴于本系车友曾与某某系车友在安全问题上打过不少口水仗，为避免引起车系纷争，本文不涉及具体车型，各系车友参加讨论请直接就问题本身在理论层面进行表述，不要涉及具体车型和车系，也不要分自主、合资和进口车。

在展开讨论之前，选说明一下车祸造成的人员伤害类型。

大体可分为减速伤、撞击伤、碾挫伤、压榨伤、挤压伤及跌扑伤等，其中以减速伤、撞击伤为多。减速伤是由于车辆突然而强大的减速所致伤害，如颅脑损伤、颈椎损伤，主动脉破裂、心脏及心包损伤，以及"方向盘胸"等。撞击伤多由机动车直接撞击所致。碾挫伤及压榨伤多由车辆碾压挫伤，或被变形车厢、车身和驾驶室挤压伤害同时发生于一体。

上述几种伤害，减速伤是车内乘员最可能受到的伤害类型，它常发生在乘员仓完好的情况下，是本文的讨论重点；挤压伤则可发生于乘员仓变型的情况，本文也会对其有所讨论。而其它几种伤害类型一般不是针对本车内乘员的，本文将不对进行讨论。

乘员承受多大的（负向）加速度会造成减速伤？一般认为，人体能瞬间承受的水平加速度约为15G左右，在这个值以下受到伤害的概率比较小，而水平加速度大于20则内脏出血（一般是脾）的概率明显增加。实验表明，个别人对水平加速度的承受极限能达到40G以上。本文在没有权威医学数据的情况下，暂以20G为安全目标，哪位TX知道权威值请补充。

1. 碰撞试验成绩与安全

本节讨论X-NCAP碰撞试验的100%正碰成绩与实际正碰时对乘员的保护能力的关系。

X-NACP100%正碰成绩，是以碰撞后试验假人各部位受到伤害的程度进行打分的。其中，头部伤害主要考核车辆碰撞中的缓冲及安全气囊的动作情况，胸部伤害主要考核缓冲和安全带及方向盘等对躯干部位造成减速伤的情况，腿部害主要考核驾驶位下半部分的人体工程学安全设计和操作踏板的可溃缩性能。由出人体头部有颈部的附加缓冲，且抗伤害能力较强，此过种的薄弱环节是胸部保护，即碰撞过程中胸部所承受的水平加速度度。下面重点讨论这个问题。

1.1 在假定安全带性能相同的前提下，碰撞试验中胸部所受伤害程度主要由该过程中该部位所承受的水平加速度决定。下面首先计算这个加速度的值。

设碰撞试验前车辆速度为V，碰撞后车速为0，碰撞使车身缓冲区溃缩距离为S，并假定车的碰撞过程是个匀减速过程（实际过程肯定不是匀减速，但在溃缩机构没有分级的情况下，这个加速度度的不均匀性会被座椅、安全带和驾驶员衣物及皮下脂肪等过滤，作用到要害部位基本上是匀减速了），则：

△V=V

a=△V /t=V/t

S=Vt/2    ---------------①

∴t=2S/V

a=V/t=V/(2S/V)

a=V^2/2S  -----------------②

由式②可知，试验初速度相同的情况下，溃缩距离越长，则乘员所承受的水平加速度越小。这相当于证明了“吸能”理论。下图是各种试验碰撞初速度（单位为km/h）和不同的溃缩距离（单位为m）下计算出的水平加速度结果，单位为G（即地球表面重力加速度的倍数）：

从表中看出，在初速度为50的碰撞试验中，溃缩距离应该达到0.5米才能使水平加速度低于20G，但这个结果是指车身未溃缩部位的加速度，人体会受到座椅变形和安全带拉伸以及衣服压缩等附加缓冲，所以人体内脏实际承受的水平加速度要明显小于车身的水平加速度，或者说车身溃缩距离可以小于计算距离就能达到相应的保护效果。

1.2 上一节结果表明，同样的初速度的碰撞，溃缩的距离越长越安全，这也是许多微型车以碰撞试验中难以得到高分的物理原因。然而，这仅仅是试验，在试验中将吸能区用掉了多比例的问题并没有被关注！

0.5米的溃缩距离对于小型车来说应该几乎是其全部了，而对于中级车来说可能还有较大余量，那么，这两个车虽然在试验中可能得分相近，但若在现实中发生大于试验车速的碰撞，后者还可以应付一阵子，而前者的乘员仓将要受到冲击了（结果暂不在此分析）。

另外一点，假如甲乙两车同样有0.5米长的吸能缓冲区，但甲车在碰撞试验中刚好全部溃缩并得到高分，而乙车由于吸能理论应用的不够充分，导致试验中仅溃缩了0.4米（假设），使它的得分远低于前者；那么在现实碰撞中，假如两车同样遇到略大于碰撞试验车速的正面碰撞，则甲车又是乘员仓受冲击，而乙车刚好以乘员先承受较大水平加速度度的代价，换来乘员仓未受冲击的结果，保持了乘员仍然仅受碰撞试验同等程度的较轻伤害。

下表是碰撞过程经历时长的计算，结果与上表是可以吻合的，不再详述。

小结：X-NCAP碰撞试验中100%正面碰撞的得分可以在一定程度上反映实际发生这种碰撞时车的被动安全性能，但仅对试验时的标准车速以下有意义，而不能反映实际中超过试验车速的碰撞情况下对人的保护能力。缓冲吸能区长一些，有利于对乘员的保护；而碰撞试验中剩下的、没有发生溃缩的缓冲区，可以在大于试验速度的实际碰撞事故中起作用。

2. 车的软硬与安全

此处的软硬不是指“车皮”的软硬，而是指“吸能”区的软硬，在讨论正面碰撞时，特指前部纵梁在溃缩方向上对力响应程度。车皮在碰撞中能起一定作用，吸能区的车皮可以少量吸收能量，而车顶等部位的钢板则对保持乘员仓完整和形状起到类似于剪力墙的作用。由于不是问题的重点，这里暂不讨论车皮。

上节讲到，溃缩程度（距离）是保证乘员安全的关键，但如何保证溃缩距离恰到好处呢？答案就是纵梁溃缩部分开始溃缩时耐受力的值要设计好。

A=M/m, 

F=ma       ---------③

由②式可知，如果采用均匀吸能，由溃缩梁承力可由车辆标准重（质量，单位千克）和预期承受的水平加速度值和算出，并结合前面②式考虑溃缩距离能否满足要求。这个F就是纵梁合适的“硬度”。如果F偏大，则溃缩速度慢，对应的水平加速度也偏大，在较低速度的碰撞时对乘员伤害也就重一些；若F偏小，则溃缩速度快，相应的水平加速度也更小，虽在较低速碰撞时对乘员的保护更好，但可溃缩段过早用完，在速度更快的碰撞中将使乘员仓受到威胁。

以上过程也可以用动量定理来解释。

动量定理：物体动量的改变等于在这个过程中所受冲量的和。

动量：mV

冲量：Ft

动量定理表达式：ΔmV=Ft

碰撞终止时动量为0，则mV=Ft

t=mV/F     ------------④

由④式可知，当m和V值确定时，F值的大小直接影响碰撞所经历的时间长短，而在这个过程中速度的变化量也是确定的，所以F影响水平加速度。同时，由④和②可知，F也影响了溃缩距离。结果与本节前半部分分析一致。

对于安全设计先进的车，溃缩区纵梁采用分级吸能结构，每级溃缩需要的力不同，可以使在低速碰撞时以较小的F值来保证车内乘员基本不受伤害，而吸级区最后的部分以较大的F值来应对，使车速较快碰撞过程末段以较大的水平加速度为代价来保证于威胁到乘员仓不被冲击变形，来最大限度地降低乘员所受的伤害。

当然，所有这些都是建立在乘员仓可比吸能区承受更大的水平力为前提的。

下图是碰撞过程中加速度（可反映冲力）、车速和吸能溃缩距离的变化示意图。

由于现实中真正的碰撞过程参量很多，且要用到理车材力很多知识，本人无法做到严谨的分析和模拟，故上图不用作真实车辆碰撞事故分析。

小结：车辆应该溃缩部位过软或过硬都不利于对乘员的保护，其软硬恰到好处并能“分级溃缩”才是我们应追求的安全目标。

两车对撞时，如果两车的乘员仓都足够坚固（均比对方的“吸能区”坚固），若在存一方“吸级区”过硬未能发生溃缩，则对两车人都要增加伤害程度而不仅仅是对“吸能区”软的一方；但当某车的溃缩区比另一车的乘员仓还要坚固时，后车就杯具了！

 3. 车的重量与安全

本节讨论车重与安全的关系。

首先说明，汽车减重是趋势，是符合低碳环保现代生活主题的。然而，采用了新材料来降低车重虽然可以实现强度不减，但对仍会在某些情况下对车的被动安全性造成一定影响，我们在支持“减重运动”的同时，应该理智地看到这些影响。

3.1 单车撞“墙”

这种情况与X-NCAP碰撞试验中100%正面碰撞情况相同，按说可以不用讨论，除了第前两节讲到的吸能区余量及纵梁溃缩力之外，似乎没有其它话题了。然而，论坛经常出现这样的说法：“嫌车轻可以在里边加配重！”

试问这种做法可以增加车的安全性吗？答案显然是否定的。

由第2节③式可知，每一种车型的溃缩力都是根据它的车重来设计的，轻车和重车的纵梁溃缩力是不等的，轻车需要较小的力引起溃缩。这也说明要达到同等的正面碰撞试验得分，重车比轻车难度更大。

如果人为地为轻车增重，相当于重车设计的F值过小，将导致溃缩过快而吸能区过早用完的不利结果，原理前面第2节已经讨论过了，在减重为主题的大环境下，就更不便继续讨论了。

3.2 车重不等的两车对撞时的安全分析

先给出动量守恒定律：两物体在不受外力作用的情况下发生碰撞，则碰撞前后的动量守恒：

 m1V11+m2V21=m1V12+m2V22   -----------⑤

式中m1、m2分别为两物体质量，V11、V21为发生碰撞前两物体的速度（矢量），V21、V22为两物体碰撞后的速度（矢量）。

对于两车正碰撞，我们假设碰撞结束后两车粘在一起（即安全非弹性碰撞），碰撞后两速度相等，即：

V12=V22  -------⑥

现在我们计算两车车重（质量）不等时发生正面对撞的情况。

设m2＞m1，V11=-V21（速度值相等，方向相反）

根⑤、⑥两式，有：

m1V11+m2V12=m1V12+m2V22

m1V11-m2V11=m1V12+m2V12

(m1-m2)V11=(m1+m2)V12

V12=(m1-m2)V11/(m1+m2)

由题设条件m2＞m1可知，V12为负值，即方向与V11（车辆一的原行驶方向）相反，其值大小为V11的（m2-m1）/（m1-m2）倍。

以上表示碰撞后轻车被重车推出，而重车仍在原行驶方向上向前，然后两车会在地面摩擦力等作用下逐渐停止，也不排除二次碰撞的情况发生；本节讨论以两车之间作用车减至0为一次碰撞结束的标志，此后的过程不做进一步讨论。

这样，在碰撞过程中，两车的速度变化量就不一样了！

ΔV1=V11-V12=V11（1-（m1-m2）/(m1+m2)）

ΔV2=V21-V12=-V11-V12=-V11(1+(m1-m2)/(m1+m2))

│ΔV1│＞│ΔV2│

由于碰撞所经历的时间相同，所以│a1│＞│a2│，即较轻的车及其乘员要承受更大的水平加速度。