汽车车身是越硬越安全吗？

先说一下，硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

假设车身无穷硬，即可以把车身看作刚体。当两车发生碰撞时，车身不会发生变形吸能，此时属于完全弹性碰撞，则车身加速度（或者可以说是减速度）无穷大。但是根据研究，人在身体直立时能忍受（不受伤害）向上的加速度为重力加速度(g=9.8m/s2)的18倍,向下为13g,横向则为50g以上;如果加速度值超过这一数值,会造成皮肉青肿、骨折、器官破裂、脑震荡等损伤。

假设我们开的汽车具备可以媲美坦克的刚度，然后撞击在一处刚性的物体上。由于两者的的刚度都极高，几乎没有任何缓冲，汽车瞬间停止，但里面的人员由于惯性是不会停止的，他们会以极高的速度撞在车内，又或者被安全带严重损害等等。因此，整车过高的刚度显然是不行的，必须要有缓冲吸能区。

但过低的刚度却会导致车辆在碰撞后被压扁，里面的成员一样会受到致命的伤害。因此目前车身通常会将乘客舱刚度设计得非常高，而前部和后部都作为吸能区。通俗的说，一部安全的车，要有硬也有软的地方，机械舱要变性吸能，乘员舱要坚硬防护。

在汽车车身设计开发的过程中不单止要考虑到乘员舱的侵入量，还要控制加速度对乘员的伤害。从车身结构设计来看，并且考虑到设计冗余，一般控制碰撞后加速度不超过40g。

所以说，并不是汽车车身越硬越安全。

那么对于汽车车身来说怎么设计他的硬度呢？

乘员舱在满足成本/重量/空间条件下，越硬越好，前舱和行李舱相对硬度低，起吸能缓冲/降低碰撞加速度的作用。从乘员不被汽车碰撞变形挤压受伤的角度看，乘员舱的变形越小越好。这就要求前舱区域需要吸能足够多。同时，为了控制碰撞加速度不超过40g，减低人体伤害，车身碰撞时要分级/按顺序溃缩变形，避免后部比前部先变形的情况。另外，考虑到行人保护，汽车的最前端还要设计的软一些，减低对行人的伤害。

汽车碰撞所造成的车身变形和破坏，有相当一部分设计时就刻意为之的，其目的是消耗碰撞前所携带的动能。动能是物体因运动而具有的能量，它的大小与物体的质量成正比，也与物体运动速度的平方成正比。碰撞结束后，汽车停下来，其速度变为零。碰撞过程通常不超过半秒钟，在如此短的时间内要将汽车的动能完全消耗，必然会造成某些物体的剧烈变形和破坏。

一个理想的汽车前碰撞变形特性曲线如下图所示：

前舱在水平方向上分为三个区域，分别是行人碰撞保护和低速碰撞防护区/车与车碰撞相容区/自身保护区，是一种"前柔后刚"式结构。图中的变形力值可以理解为硬度大小，从前到后分别是从小到大阶梯式分布。对于前舱（碰撞变形区域），设计相对复杂，因为除了要尽可能多的吸收撞击能量外，其变形形式以及变形特性等还要满足一定的要求，即低速碰撞时，车辆的变形以及变形力值都较小，以保护行人或车辆自身；当发生中等速度碰撞时，变形力值应尽量均匀，以最大限度的降低撞击加速度峰值；当发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到乘员室，从悬架到车身前围钣金之间的变形力值应急剧上升。这种特性即是理想的车辆前碰撞变形特性。

从这里可以得出一个结论，汽车车身该硬的地方硬，该软的地方软较为合理/安全。

但是，大部分汽车车身结构硬度都是这样一种"前柔后刚"的设计。当两车碰撞时硬度大的车更安全还是硬度小的车更安全呢？答案是硬度大的车更安全。这样问题就涉及到汽车碰撞兼容性。

汽车碰撞兼容性指的是不同的车在车对车碰撞中提供同等水平的乘员保护。车辆的兼容性是它的碰撞可靠程度（汽车承受碰撞效果的能力）和参与碰撞车辆的攻击性的组合，旨在找到一个最优的平衡点。影响碰撞兼容性有三大因素，分别是质量/刚度和外形尺寸。其中质量和刚度与硬度正相关，因此在这里只讨论质量与刚度对碰撞兼容性的影响。

从重量角度来看，如果A车的质量比B车大，根据动量守恒定律，车辆的速度与质量成反比。质量轻的B车在碰撞时速度变化更大，因此具有更大的加速度，较大的加速度会对乘员造成前文所说的皮肉青肿、骨折、器官破裂、脑震荡等损伤。

在车身是"前柔后刚"的设计前提下，如果A车的刚度比B车大，根据刚度的定义（材料抵抗变形的能力），车辆的变形量与刚度成反比。刚度小的B车乘员舱变形量更大，碰撞时乘员受挤压损伤的风险更大。

重量大和刚度高的车，在两车碰撞时对成员来说都更安全。但是更大重量会带来更高的油耗或电耗，使用成本高。所以在合理的重量下选刚度大的车准没错。更高的刚度也意味着更好的操纵稳定性和更低的车身钣金异响风险等，好处多多，就不一一介绍了。

当然，任何结构都不可能提供绝对安全的保护功能。如果碰撞非常严重，比如在碰撞前车速很快的情况下，预先设计用于吸收动能的车身结构在达到最大变形后，还没有完全消耗掉所有的动能，这时乘员舱就难以避免会发生结构变形，乘员受伤害的可能性就急剧升高，这就是为什么平时开车不能超速太多的原因。

最后提醒一下，不能通过按压车身表面来判断车身整体的硬度。车身表面的一些零件诸如翼子板/前舱盖外板等覆盖件，不是车身的骨架，对车身刚度影响不大。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：小鹏汽车

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