汽车碰撞中驾乘人员安全性设计的非专业分析

yelliver

汽车之家 A3论坛

摘要：汽车安全性问题至汽车诞生之日起便一直存在，如何不断提高汽车的安全性，是各国汽车设计制造者一直以来研究的课题。本文通过分析汽车碰撞发生时，驾乘人员所受伤害产生的原因及其过程，从而提出防止伤害产生的可能方法及途径，介绍了一些现代汽车安全设计的理念和具体措施，并对一些汽车安全性认识进行了分析论证。文中涉及到一些高中物理的基本概念和定理，可能会对一些非理工科车友造成一些理解上的困难，但作者会尽量用通俗易懂的语言进行描述，并给出明白无误的结论。

关键词：汽车 碰撞 安全 分析 设计 

（嗯，看着还象那么一回事。各位TX可千万不要被吓倒哦。）

引言：汽车的种类很多，从用途上分，有大型客车、中型客车、小型客车、大型货车、中型货车、小型货车、特种车……（以下省略口水文5000字。再不省略估计有人要K我了）

好吧，弱水三千，我只取一瓢，汽车千万，我只话其一。本文只对轿车的碰撞安全性进行讨论。闲话少说，言归正传：

1、汽车发生碰撞时车内人员受到伤害的成因分析

汽车发生碰撞时车内人员为什么会受到伤害？这是个问题！也许问这个问题会让人感觉很可笑。但是各位车友，我要告诉大家，这是个严肃的问题。我们有多少人认真去研究过伤害产生的原因？研究过伤害产生的过程？对于我们这些非专业汽车安全设计的车主来说，恐怕连这个念头都从未有过。但我们只有真正认识理解了伤害产生的原因及其过程，才能对症下药，消除伤害成因，阻断伤害过程，从而设计出可以在最大程度上保护车内乘员免受碰撞伤害的汽车。所以弄清楚这个问题，对于我们认识理解汽车的各种安全性设计是最为基础也是极为重要的。

在笔者这个非专业汽车安全设计的门外汉看来，汽车在碰撞时对驾乘人员产生的伤害无非来自两个方面：

1.1、第一类：直接物理伤害

这很容易理解。通俗的说，就是在你与某样东西接触时，这东西在速度、力量、性状等方面超过了你身体的承受极限，从而导致你的身体受伤。在车里，这个东西来自你的四面八方，有可能是变形的车门，有可能是塞进车厢的发动机，有可能是压扁的车顶，也有可能是你放在中控台上的小饰件……。

这又分两种情况，一种是它碰上你，一种是你撞上它。它为什么会碰上你呢？显然是由于它受到外力的作用，脱离了原来自身所在的位置，或者改变了原本的形状。关键是它所受的外力超过了它所能抵抗的程度，才会造成这种结果。我们估且将这种情况称为由外物引起的直接物理伤害。那么你为什么会撞上它呢？我们知道，每个物体都有惯性。在没有外力作用或者等效于没有外力时，物体会沿着它原来的运动路线一直运动下去，直到有外力对物体的作用不为零时才会改变其运动路线。而在驾驶时我们的身体并不是完全固定牢固不可移动，所以在碰撞发生时，惯性会使我们的身体——特别是我们的头——撞向车中的其它物体。我们也将估且这种情况称为由惯性引起的直接物理伤害。

车祸中人员受到的伤害绝大部分是这两种直接物理伤害造成的，这也是本文将要分析的重点。

1.2、第二类：非直接物理伤害

非直接物理伤害就是身体所受伤害并非直接来自外物。没有与外物碰撞击打，身体也会受伤吗？答案是肯定的！人体对于速度变化的快慢程度（即速度变化率，亦即加速度）是有承受限度的，人体自身过快的速度变化会对人体产生伤害，甚至会致人于死地！这个说法看起来似乎不太好理解，但学理科的同学一看就明白，要跟学文科的同学说明白还是要费些笔墨的。为了避免有口水文的嫌疑，我长话短说，请您想象一下离心力，再简单地举例说明如下：据说优秀的飞行员可以承受9个g的加速度（即9倍的重力，相当于你的身体承受了9倍自身的重量）而身体不会受到实质性的伤害，而超过之后飞行会产生如黑视、红视甚至昏厥、死亡。

当然在汽车碰撞当中，由于加速度过大直接至死的情形非常非常罕见的，除非驾乘人员身体原本有着某种疾患。

但是，加速度的大小直接关系着驾乘人员身体惯性的可控制程度。加速度越大，身体惯性越难以控制，加速度越小，身体惯性越好控制。过快的加速度，还往往会导致你由于身体惯性没有得到有效控制而撞上了其他的东西，从而受到第一类直接物理伤害。甚至即使没有撞上其他东西，也可能会因为惯性过大扯断你的脖子！这绝不是危言耸听。比如正面碰撞发生时，身体由于惯性会向前倾斜。而肩膀受到安全带的限制，不受限制的头部则按惯性继续向前摆动，头部和颈部之间就会产生巨大拉扯力，可能会导致颅骨基部或颈椎裂开。这在平常车祸中不太见得到，但在赛车中这却是容易导致车手死亡的原因之一参考文献（1）。参见各类NCAP碰撞试验时假人头部运动状态。

控制了加速度，就控制了非直接物理伤害。控制了加速度，就控制了惯性；控制了惯性，就能控制由惯性引发的第一类直接物理伤害。所以在汽车碰撞的安全设计中，加速度的控制是非常重要的。

2、汽车碰撞安全设计的总体构想

通过车内人员受到伤害的成因分析，我们可以看出，为了防止外物产生的第一类伤害，需要汽车车厢具有尽可能高的强度以抵抗碰撞而不至于发生变形位移等。而为了防止第二类伤害和由惯性产生的第一类伤害，需要汽车进行有效缓冲以减小加速度，控制人员身体惯性。

综合考虑以上措施，大致可以描绘出现代汽车碰撞安全设计的总体构想，那就是：内外柔软，中间坚硬！（嗯，这个思路很符合人体工学嘛）

“内外”是指驾驶舱内部和驾驶舱外的发动机舱、后备厢，甚至包括车门里层骨架以外的部分。“中间”是指组成驾驶舱的整体结构，包括它的骨架和连接面。

内外的“柔软”，是相对中间的“刚强”而言的，并不是毫无原则的软弱无力。如果软得象棉花团一样，那是没有办法吸收碰撞时的巨大能量的，也达不到缓冲的目的，巨大的冲击力将冲击驾驶舱。即使驾驶舱异常坚固而不变形，但这瞬间造成的巨大加速度足可能致命。

“软”，是为了吸收能量，有效缓冲，控制加速度，避免驾乘人员所受到第二类伤害和由惯性引起的第一类伤害，并非越软越好。这意味着这些“软”的缓冲区必须有足够强度，以吸收碰撞时的能量，将加速度控制在安全范围之内。

“强”，是为了防止驾驶舱发生变形、舱内空间受到压缩，防止外物侵入，避免驾乘人员受到第一类伤害，却是越强越佳。这意味着驾驶舱的骨架和它的连接面必须采用强度尽可能高的材料以抵抗外力冲击，保证在外力冲击下不发生变形，不会让外物趁虚而入。理论而言，在这方面有多强的材料就用多强的材料，越强越好。但实际工程应用中，采用多高强度的材料取决于防撞标准、制造成本以及设计思想等。

3、轿车碰撞车内人员安全保护的具体措施

根据这个总体构想，我们就可以有的放矢，具体地针对每种伤害的成因和途径来采取措施，防范伤害的发生，减轻伤害的后果。

3.1  针对由外物引起的直接物理伤害采取的措施

为了防止外物碰到我们而受到伤害，我们可以但不一定也不限于采取以下措施：

3.1.1  强化驾驶舱结构。驾驶舱越强壮越结实，发生变形的可能性越小，车厢里的人员就越不容易受到外物伤害，这是显而易见的。如果你的汽车驾驶舱象坦克一样结实严密——根据本人在军事兵器领域近十年的非正式研究结果显示——在非战争状态下的普通道路上行驶时有外物给你带来伤害的可能性为零！

3.1.2  优化车身结构。碰撞时造成驾乘人员受到伤害，在很多时候是由于发动机舱受到碰撞溃缩后，向后挤压压缩驾驶舱空间导致驾乘人员受到伤害。那么如果我们可以通过合理的车身结构，使碰撞时被撞掉的零件向四面飞散而不是向驾驶舱冲去的话，那么毫无疑问，这对保护车内人员肯定是大有好处的。

3.1.3  同样是优化车身结构，使碰撞受力扩散分布于车身各处，受力均匀，避免某处受力过于集中，造成该处受到破坏。

3.1.4  不要在车内随意摆放不牢固的物品。很可能它会在碰撞时飞过来砸你个头破血流，这在赛车历史上是有过车内的一个苹果砸死赛车手的惨痛教训的。

3.2  针对由惯性引起的直接物理伤害采取的措施

为了防止我们由于惯性碰到外物而受到伤害，我们可以但不一定也不限于采取以下措施：

3.2.1  使身体固定牢固。这是我们自然而然能想到的事情。束缚住身体，就可以避免碰撞发生时身体到处乱撞，否则砸伤别人就不好了，即使没砸到别人，砸到花花草草的也不好嘛。

安全带就是这样一个装备。由我们以上的分析可见安全带能成为汽车安全标准配置绝对是顺理成章的事。现在几乎没有哪个汽车不配安全带了，但安全带只固定了我们的身体，我们的头部仍然会四处晃动，所以在常见的车祸中，经常受伤的是我们的头部，就是因为头部没有固定牢固。固定头部的装备不是没有，但在民用汽车中并不采用，那就是汉斯仪，但在F1方程式赛车中是标准装备，可以防止头部惯性对颈部产生过大的拉扯力。

3.2.2  使用安全气囊。如果身体与外物的碰撞接触无法避免，那么我们可以给身体和外物（通常比较坚硬）之间提供了一个缓冲空间。安全带虽然可以约束身体不发生大的移动，但我们的头手却没有受到约束，身体也仍能在小范围内左右移动，很可能撞上车厢四周的坚硬表面。安全气囊能在碰撞瞬间打开，在身体与坚硬外物之间形成缓冲，从而保护身体免受伤害。

3.2.3  以弹性柔软材料覆盖驾驶舱内表面，越厚效果越好。该条理由同安全气囊。

3.2.4  车厢内部设计应规整圆滑，过渡平顺，尽量避免有尖锐突起或不规则形状出现。

3.3  针对非直接物理伤害所采取的措施

为了防止碰撞发生时人体产生过快的速度变化，那么必然需要碰撞有一个缓冲过程，这也是防止第二种伤害的唯一解决之道！缓冲过程越长，身体所受加速度越小，所受保护越好。同时这也是防止由惯性引起的第一类直接物理伤害的最有效的方法。那么如何进行缓冲？我们可以采取但不限于以下措施：

3.3.1 采取车身缓冲吸能设计。在碰撞发生时，使车身产生足够的缓冲过程，降低身体所受加速度。具体如何设计，那是八仙过海，各显神通了。这也是各汽车制造厂商的商业机密，我们在此无须多言。但可以确定的是，缓冲过程越平顺，受力越均匀，缓冲效果越好。车头和车尾越长，越有利于进行缓冲。

采取车身缓冲吸能设计，还是防止由惯性产生的直接物理伤害的根本途径。原因前面已经说过了，在此不再累述。

车门及车顶由于缺乏缓冲空间，缓冲设计难以达到效果，但也不是没有可能，增加车门的厚度可以增加缓冲距离，增加车门钢板厚度可以增加吸收的能量，使用侧气囊、气帘也可以弥补侧面缓冲空间的不足。

这里请注意，吸能缓冲设计有一个原则，就是绝不能用驾驶舱的结构进行缓冲，也就是平常坛里常说的不能“吸能吸到驾驶舱里面去了”，因为这会造成由外物引起的直接物理伤害！

4、各种汽车安全性认识之论证

以上我们分析了汽车碰撞时伤害产生的原因，也了解了汽车安全设计的总体原则和防范伤害产生可能采取的一些具体手段，那么，对于目前论坛中存在的各种关于安全性问题的争论我们可以据此试着进行分析，得出我们自己的判断。

4.1  汽车安全性认识之一：是否汽车越重（质量越大）越安全

在通常的NCAP碰撞测试中，测试了车辆与与刚性墙（即质量和硬度无限大的平面）对撞时的人员保护效果，但这种测试只单纯地考察了车辆与静止物体碰撞时的一个最极端的情况，而对于在车祸中常见的两辆车相撞的情况未给予考虑。仅仅以这样的结果来评价一辆车的碰撞安全性显然是不够严谨和全面的。

我们先来考察一辆汽车在与刚性墙100%正面对撞时发生的情况：

假设汽车在与刚性墙对撞时发动机舱完全溃缩吸能，驾驶舱未变形，驾乘人员身体固定牢固，溃缩区沿碰撞方向上的强度不变（此假设保证了在此过程中车辆所受冲击力在时间上分布均匀，即从开始撞击到撞击结束所受力恒定不变）。设车辆质量为m，所受冲击力为F，加速度为a，初始速度为v1，终止速度为v2，发动机舱最终溃缩长度为L，如图（1）所示：

则有：

a=(v12- v22)/(2L)            ——式（1）

一般的：v2=0

则式（1）简化为：

a=v12/(2L)                   ——式（2）

可见，加速度的大小与碰撞的初始速度、终止速度和溃缩长度（缓冲距离）有关，而与车的质量m无关。所以我们有：

结论一：相同结构的汽车在与刚性墙100%正面对撞时，不论车的质量大小如何，只要汽车的初速度和最终溃缩长度相同，那么汽车所受加速度相同，亦即汽车对第二类伤害和由惯性引起的第一类伤害的保护效果相同。

而事实上吸能区的强度不会一成不变，但是强度变化的吸能区带来的碰撞安全保护效果只会比强度均匀的吸能区更为糟糕，因为这相当于缩短了它的有效吸能长度，使a变得更大。

在此过程中，

汽车所受冲击力为：

F=ma                      ——式（3）

汽车溃缩过程吸收的撞击能量为：

           E=m v12/2                 ——式（4）

可见，虽然加速度与质量无关，但所受冲击力的大小以及溃缩部分吸收的能量大小却与质量直接相关。在初速度和最终溃缩长度一样的情况下，质量越大，冲击力越大，溃缩部分吸收的能量越大。

这说明，在符合结论一的前提下，在同样长的溃缩距离内，质量更大的汽车抵抗了更大的冲击力并吸收了更大的撞击能量。这就要求质量更大的汽车必须具有强度更高的溃缩段及驾驶舱，否则它无法保证在同样长的溃缩距离内吸收更大的能量和抵抗更大的冲击力。因此，我们有：

结论二：结构相同、在100%钢性墙碰撞试验中有着相同保护效果而质量不同的两辆车，质量更大的车具有强度更大的溃缩吸能结构。

这里可能有同学要问了，为什么不可以在质量较小的汽车上采用更高强度的吸能结构呢？可以是可以，但这种做法带来的结果就是，在100%钢性墙碰撞过程中汽车的溃缩吸能区未能充分利用，使得实际的溃缩吸能长度L缩短，加速度a增大，使汽车对第二类伤害和由惯性引起的第一类伤害的保护效果下降。反过来，如果质量较大的汽车上采用较低强度的吸能结构，那么结果是在100%钢性墙碰撞过程中汽车的溃缩吸能区长度不足，碰撞能量不能在溃缩吸能区被完全吸收，那么结果是驾驶舱受到更强烈冲击，使得第一类伤害和第二类伤害的可能性急剧上升。因此结论二可以进一步表述为：

结构相同、在100%钢性墙碰撞试验中有着相同保护效果而质量不同的两辆车，汽车溃缩吸能结构的强度大小由汽车自身质量大小决定，质量更大（小）的车拥有强度更大（小）的溃缩吸能结构。

那么这是否在提示我们，汽车越重越安全呢？

可能有同学又会问了，既然前面的结论一都说了，在这种情况下汽车对人员的保护效果都相同，那应该是同样安全才对嘛。但事实是不是这样呢？请注意，以上只讨论了汽车在与刚性墙对撞的情形，前面也说了这种碰撞只单纯地考察了车辆与静止物体碰撞时的一个最极端的情况，而对于在车祸中常见的两辆车相撞的情况未给予考虑。那么在符合结论一的假设的基础上，质量大小不一样的两辆车100%正面相撞时会发生什么呢？

设它们的初始速度均为v1，质量大的车为A，质量小的车为B，这里重新强调结论一的一个假设：溃缩区沿碰撞方向上的强度不变。碰撞过程如图（2）所示：

具体的碰撞过程分析因为比较复杂繁琐，在此不予详细展开，只进行大致的描述。但必须说明，下面的描述是严格遵循碰撞过程的具体物理分析得来的。

由结论一的分析我们知道，质量大的车其溃缩区具有更高的强度，那么两车开始接触时，两车的结构都是完好的，随着碰撞的继续，力量越来越大，先达到强度较低的B车的强度极限，其结构先开始屈服，于是其碰撞吸能区开始工作。而因为B车的溃缩区强度总是不能达到A车的强度，所以B车的吸能区便一直工作，直到其吸能区完全溃缩。

B车的吸能区完全溃缩之后，会发生什么呢？我们由前面的分析已经知道，B车的吸能区在完全溃缩吸能时所能吸收的能量为EB=mB v12/2，这是B车初始时具有的能量。如果是B车撞上刚性墙的话，此时碰撞的所有能量已经被吸收完了，就会停下来。但不幸的是，现在是两车相撞，B车的吸能区只够吸收与B车初始能量等量的能量（请注意，不是指B车的吸能区吸收了B车自身的初始能量），于是还剩下与A车初始能量等量的能量还没被吸收，A车的吸能区仍未开始溃缩，车头在继续向B车冲来。而此时B车的吸能区已完全溃缩，于是A车完整的吸能区直接冲向了B车的驾驶舱，结果……请各位发挥自己的想象吧。但不论如何，很明显，在这样的碰撞中，质量较小的B车不仅要完全吸收与自身初始能量等量的能量，还要承受额外的能量。而A车却只需要承受比自身的初始能量还小的部分能量就可以了，这对它的吸能区来说是完全不成问题的。打个比方，就象两个人，一个人本来能扛80斤，现在却需要扛120斤，自然是超负荷硬挺，挺不挺得住还很是个问题。而另一个人本来能扛120斤，现在只需要扛80斤了，自然是轻松自在，惬意无比。这里要提醒大家注意，这部分额外能量的大小与两车质量之比有关。质量相差越悬殊，这部分额外能量越大。

同样地，事实上吸能区的强度不会一成不变，但这种强度变化在两车对撞中同样会使结果更糟糕。因为事实上只要吸能区一开始溃缩变形，那么其结构强度只会变得更低，结果只会更坏。

由此我们可以看出，虽然这两辆车在与钢性墙对撞时对驾乘人员有相同的保护效果，但在车与车对撞时却产生了差别。所以我们有

结论三：结构相同、在100%钢性墙碰撞试验中有着相同保护效果而质量不同的两辆车，在车与车的对撞过程中，质量更大的车具有更好的人员保护效果。且两车质量的差距越大，保护效果的差异越明显。

鉴于我们日常生活中的处于同一级别的轿车具有极为相似的车身结构，而NCAP的成绩也代表了轿车与钢性墙的碰撞保护效果，而质量越大通常也意味着重量越重，那么我们将相似性原理应用于结论三，可以得出一个概率上的近似结论，即：

结论四（概率近似）：NCAP碰撞成绩相同而重量不同的同级别轿车，在车与车的对撞过程中，更重的车具有更好的人员保护效果。且两车重量的差距越大，保护效果的差异越明显。

虽然该结论只是概率上的近似，但它对于我们在汽车安全性的认识上有着重要的指导意义和实用价值！