技術學堂 | 汽車潰縮區是不是越硬越好

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經常我們會聽到有人說,「這車輕輕一撞就爛成這個樣子,肯定不安全」。按照大部分人的觀點認為汽車就是個鐵疙瘩,外面的「鐵」一定是越硬越好,才能保護車內的人員,但事實真的是這樣嗎?

其實如今的汽車工程師在設計汽車時都將車身分為三部分,第一是盡量不會變型的駕駛艙,而車頭與車尾則是用於吸收撞擊能量的區域,讓駕駛艙以外的區域都利用可潰縮材料吸收撞擊能量,但高剛性的駕駛艙則不會變形,大大減少傳遞至乘員身上的能量。那為什麼需要這種吸能的設計呢?又是如何做到減少傳遞至汽車內部的能量呢?

這種情況是由牛頓第二運動定律定義的。力等於質量乘以加速度,加速度為(v -0)/ t,其中t表示車輛A停車所需的時間⋯⋯不,這樣解釋我自己都看不懂,還是用回生動形象的方法解釋給大家聽好了。假設現在車輛以60km/h的時速行駛,車內的人員也是以同樣的速度向前移動,假如車輛突然減速至40km/h,我們的身體因為慣性的原因依然是以60km/h的時速向前移動,所以身體就會突然往前移動,這時安全帶就保護了我們沒有因為慣性飛出車外。

但如果是以60km/h的速度筆直地撞向牆壁,此時身體與車輛都在一瞬間從時速60km/h降至靜止,即使身體沒有外傷,但不要忘記我們還有內臟,如此大的加速度會導致內臟撞擊胸腔、大腦撞至顱骨,這種也是車禍中危及生命的另一種方式。潰縮區的目的就是延長碰撞的持續時間,減少碰撞時的加速度。有潰縮區的汽車在碰撞時以「合理」的速率減速,瞬間加速度略微超過戰鬥機飛行員在離心機中培訓時的加速度。但如果是沒有潰縮區的汽車(例如50年代之前的汽車),在碰撞時瞬間靜止,大概需要承受比戰鬥機飛行員多15倍的加速度(G-Force),即使身體毫無外傷,各種內臟怕是都涼了。

意思就是車輛停止的時間越長,車內人員所承受的能量則越少,力=質量×加速度,如果撞擊的時間從0.2秒增加至0.8秒,能量將減少75%。還能舉一個簡單的例子,用拳頭打牆,直接硬碰硬可能會導致手臂骨折甚至脫臼,但在他們之間加一塊海綿,海綿的角色就相當於潰縮區,吸收拳頭的能量同時延長了拳頭打到牆壁的時間,自然傷害也大大減少。這就是汽車之所以要具備吸能區的作用了。

所有的潰縮區都是利用形變來達到吸收能量的作用,但具體的設計細節製造商通常不會公布,但原理相同。潰縮區需要根據車輛的重量與大小設計,不同的車輛設計大有不同,設計師必須在抗撞擊能力太差和抗衝擊能力過強之間取得平衡,在可以吸收能量的同時也能保證剛性。基本的設計在於潰縮區彎曲的位置與方向,而更複雜的設計則是在不同的區域使用不同強度的金屬或者其他材料,來盡可能吸收更多的動能。

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