0. 前言
据目前行业信息显示，Model 3在IIHS和NHTSA上均取得了优异的成绩，E-NCAP也取得了五星级的评级。
在E-NCAP测试中，成人保护为96%，儿童保护为86%，行人保护为74%，辅助安全系统为94%，使这款车成为同级最安全的汽车之一。 至于Model 3表现不佳，主要是由于行人碰撞防护得分较低。 在行人碰撞测试中，引擎盖对行人头部造成的伤害较高，因此在整体行人保护项目中仅得分为74%。
IIHS一直被认为是最严格的碰撞测试，Model 3在八个测试项目中获得了“GOOD”评级。
NHTSA (2018)-全五颗星
Model 3在布局和结构设计上如何应对碰撞安全？ 下面我们来详细分析一下。
1、碰撞安全设计理念
通过研究Model 3的布局和结构，我们可以发现Model 3对于碰撞安全有很多设计考虑。
• 能够满足全球主要测试机构的碰撞测试要求；
• 电动汽车将高压元件保护与传统乘员保护独特地结合在一起；
图1 Model 3对应碰撞法规示意图
2.正面碰撞-力传递路径
Model 3发生正面碰撞时，驾驶室内主要有3个力传递路径：
① 吸能箱+纵梁
② 下横梁+副车架
③ 霰弹枪
图2 正面碰撞力传递路径示意图
图3 正面碰撞力传递路径示意图
• 路径①作为主要的传力通道，有效地将力传递到门槛和边梁上。
• 路径②下横梁可在高速碰撞时通过副车架有效地将力传递至横梁。
作为一款纯电动汽车，Model 3的设计与传统车型有所不同。 EV改造过程中取消了传统车型地板上的传力纵梁，取而代之的是电池组内的两根纵梁，以保证碰撞力的有效传递。 和电池安全。
• 路径③中，霰弹枪在X方向上与纵梁基本平齐，作为第三条传力路径，避免传力过程中出现故障。
3、正面碰撞舱布局
本次分析的Model 3车型为后置后轮驱动。 前舱没有动力总成，有充足的吸能空间。
图4 模型3与通用车型座舱吸能行程对比示意图
Model 3的设计特点是最大限度地提高短前悬下的能量吸收空间（见表5）。
表5 模型3与竞品能量吸收空间对比
如图6所示，Model 3驾驶室布局紧凑。 电子风扇冷凝模块斜置于座舱前部，水平倾斜38°布置，可降低Z向高度要求，最大限度保留前备箱空间和散热。
后轮驱动布局导致前舱空间充足，舱室布局集中在后部，与纵梁的弯曲特性相对应，相得益彰。
预计即使在四驱模式下，Model 3在吸能空间上也能有不错的表现。
图6 Model 3前舱吸能空间示意图
4.正面碰撞-能量吸收策略
Model 3吸能策略的整体思路是前段轴向压碎，后段弯曲变形（图7）。
吸能盒是主要吸能区域，长度为230mm，远长于同类机型。 变形方式为轴向破碎。 前防撞梁吸能箱的设计考虑了不同平台的扩展性，采用模块化设计，以应对与前悬架碰撞不同，吸能箱的横截面由“ “天”字型铝材，抗弯能力强，在轻量化的同时可以保证吸能箱体的全轴向挤压。
纵梁变形方式与国内传统车型不同。 主要是弯曲变形。 通过布置三个弯曲点来达到吸能效果。 弯曲由纵梁的特性和加强板的形状控制。
图7 Model 3前舱吸能策略示意图
Model 3的纵梁采用了较为常见的薄壁梁结构，但纵梁的结构和材料进行了优化。
首先，车型3纵梁截面尺寸加大（如表8），高于同整备质量车型，使得纵梁截面系数达到更高水平。
其次，如图9所示，纵梁的内外板和加强板采用超高强度钢和热成型钢，增加了纵梁的单位截面力，对应于弯曲高速碰撞时的纵梁，即正面碰撞时的纵梁。 梁截面强度也高于对比模型，保证了纵梁的能量吸收率。
横截面尺寸的增加也会导致重量的增加。 因此，Model 3纵梁的内外板都进行了减薄，以保证整车的轻量化。
表8 前纵梁前段截面尺寸对比
图9 Model3前纵梁材料分布图
纵梁采用外向型设计，避开轮胎包络线。 在正面碰撞和偏置碰撞时，纵梁根部容易向内弯曲。 模型3将横梁布置在最薄弱的根部（如图10所示），与左右纵梁形成一个环。 该结构与侧支撑梁相互支撑，控制前机舱纵梁的弯曲趋势。
侧支撑梁采用更强的“三角”腔体结构，保证纵梁有效地将力传递到门槛梁。
Model 3用CBS泡沫材料填充前舱发生碰撞应力的空腔，在传递碰撞力的同时增加强度和刚度，降低噪音，提高轻量化，总重仅为0.02kg。
图10 纵梁根部结构示意图
整流罩下部的独特设计是Model 3区别于传统车型的一大亮点。 三角形空腔允许地板尽可能向前延伸，增加电池容量，同时还为电池组提供安装点（图11）。 腔体斜面均采用热弯型钢，提高了碰撞强度。
然而，这种设计也带来了一定的缺点。 由于布局占用了轮胎空间，所以将整个前面板后移以避免，前排的人体和脚部空间也后移。 归根结底，虽然Model 3的轴距较长，但后排的乘坐空间并不突出。
图11 前裙板下部结构示意图
表12 Model 3与其他车型前壁下部尺寸对比
在整个碰撞过程中，副车架的能量吸收作用至关重要。
首先，副车架与车身安装采用可拆卸结构。 如图13所示，在碰撞时副车架可以及时与车身分离，减少对纵梁变形的干扰，让纵梁变形更充分，预计在四轮驱动中，副车架的脱离会将电机向下拉，减少电机对乘客舱的挤压。 其次，在副车架臂的前后方向均设计了压缩筋，通过特征形状控制副车架的弯曲。
副车架的这种设计保证了正面高速碰撞时电池的安全性，并防止副车架直接挤压电池组和高压附属装置。
图13 副车架可拆卸结构及塌筋示意图
如图14所示，在碰撞过程中，转向系统先向后塌陷，然后向下弯曲，以防止碰撞力直接传递到后方钢结构俯视图怎么看，导致方向盘后退过远。
图14 正面碰撞时转向系统变形示意图
如图15所示，带有中间轴总成的转向柱采用三级塌陷结构设计，塌陷行程为93mm，以减少车辆碰撞时对驾驶员的伤害：中间轴为第一级，在碰撞过程中通过。碰撞。 万向节向后变形塌陷，防止碰撞力直接向后传递，导致方向盘后退，伤及驾驶员。 车辆发生碰撞时，驾驶员因惯性力而身体前倾，方向盘上一定的冲击力会诱发转向柱二级塌陷。 随着方向盘受到的冲击力增大，转向柱由二级塌陷升级为三级塌陷。 收缩。
图15 转向系统塌陷结构示意图
5.正面40%偏置碰撞
Model 3的40%偏置碰撞主要对应E-NCAP和IIHS测试要求。 当64km/h的测试车辆撞上障碍物时，力的传递路径与正面碰撞时基本相同，但变形会更严重。 障碍物会对轮胎造成严重压缩，导致轮胎转动并后退到一定程度，进而撞击车身，造成人身伤害。
Model 3的偏置设计比较独特，重点是前防撞梁、A柱、门槛等位置的优化设计。
首先，在前防撞梁体上设计了两条纵向挤压肋（如图16所示），位于车宽的40%处，以更好地控制前防撞梁在偏置碰撞时的变形方式。过程;
其次，驾驶舱内部设计了左右支撑板结构（如图17所示），由热成型材料制成。 横断面采用强烈的“三角”断面，与外支撑梁相呼应，形成“8”字型腔体结构；
同时，空腔内部填充泡沫材料以增加强度。 当高速碰撞护栏撞击轮胎时，它可以阻止轮胎侵入乘客舱，并减少侵入时车身向后的变形量。 这种结构也能有效保护电池组。 碰撞时不会受到过度压缩。
图16 前防撞梁破碎筋示意图
图17 座舱内部结构图
霰弹枪是舱内主要的力传递路径之一。 上下两层金属板材形成一个封闭的空腔。 外板采用高强度钢板，内板采用超高强度钢板。 整体曲率呈“拱形”，以避免轮胎包络。 “拱形”结构还导致霰弹枪的横截面从前到后由大到小再到大的变化（如图18所示）；
在偏置碰撞过程中，霰弹枪会像正面碰撞一样弯曲变形来吸收能量。 最大弯曲位置为型腔的最小位置BB； 同时，型腔内内置三角形支撑板，控制变形方式。
图 18 霰弹枪横截面变化
40%的偏置碰撞将导致纵梁和乘客舱更严重的压缩。 Model 3针对此次碰撞进一步强化了A柱设计。 如图19所示，内板和加强板均采用屈服强度大于1000MPa的材料制成。 它采用热成型材料，钣金材料厚度高于同类车型，减少偏置碰撞时门框的变形。 此效果也适用于 25% 偏移碰撞；
该车型在门槛内板采用超高强度钢板，穿透至A柱前部，与纵梁和外支撑板有效连接，允许纵梁碰撞力才能得到有效的传播。
图19 纵梁、门槛、A柱的力传递路径、材料及材料厚度
6.正面25%偏置碰撞
IIHS 的 25% 偏置碰撞测试是目前要求更高的测试之一。 车辆碰撞安全性能评价结果主要由车身结构评价结果决定，即车辆的结构耐撞性决定车辆的碰撞安全性能。 据了解，在25%偏移测试中，Model 3表现出色。 除副驾驶25%小面积偏置碰撞中主驾驶侧小腿及脚部仅获得良好（A）外，其余细分均为优秀（G）。 。
从图20的模型3测试结果来看，考虑从以下几个方面进行分析：
①如果轮胎受到严重挤压、破裂，轮胎应是主要的力传递路径之一；
②A柱侧梁变形不明显，因为A柱采用热成型钢板，强度较好；
③ A柱上的铰链变形，但并不严重。 认为铰链加强板起到了加强作用；
④ A柱下部及门槛区域严重变形，向后侵入驾驶舱，所幸无人受伤；
⑤前纵梁变形不明显。 考虑到纵梁不在防撞护栏25%重叠区域内，因此不起到传力作用；
⑥ 连接板虽变形，但结构仍完好。 考虑到不在25%碰撞障碍物重叠区域或重叠量较小，仅发现横向吸能受霰弹枪影响；
⑦霰弹枪变形严重，被认为是碰撞力传递路径之一。
图20 纵梁、门槛、A柱的力传递路径及材料及材料厚度变化
如图21所示，前纵梁避开了碰撞区域，巨大的冲击力通过霰弹枪、轮胎、悬架传递到A柱和门槛梁上。
考虑到部分冲击力也会通过副车架传递至电池组纵梁，下防撞梁与护栏的重叠部分较小。
Model 3增加了横向力传递通道，霰弹枪与纵梁之间焊接有连接板，将部分能量转化为横向动能。 这样，由于连接板的侧向力传递作用，部分碰撞力被传递到车身右侧，减少了作用在乘员舱上的能量。
图21 正面25%偏置碰撞力传递路径示意图
如图22所示，当障碍物撞击轮胎时，前悬架和后下摆臂组件弯曲，导致轮胎轻微转动。 这样的设计是为了避免轮胎直接撞击A柱，导致A柱后退幅度过大。 但轮胎转动后会撞击到电池组，造成电池组局部变形。 坚固的电池组也是 Model 3 抵抗碰撞的手段。
图22 正面25%偏置碰撞时轮胎变形图
如图23所示，Model 3的前防撞梁和下副梁的横向尺寸有所增加。 与传统车型相比，前防撞梁超出吸能箱约230mm。 增加的尺寸被认为对应于 25% 的偏移碰撞障碍。 重叠量。
图23 Model 3前防撞梁超过碰撞盒长度与传统车型对比
如图24所示，霰弹枪前部俯视时的夹角设计为31.5°。 当车体撞击障碍物时，冲击力F分解为F0和F1。 F0 将力沿霰弹枪传递至 A 柱，F1 将力传递至炮塔。 ，同时对车身产生一定的侧向动能，使护栏避开乘客车厢，保证乘客的安全。
炮塔与护栏重叠，周围部分采用高强度钢板加固，提高了乘员的安全性。 这样的选材也是 Model 3 通过测试的原因之一。
霰弹枪与纵梁、A柱、连接板形成闭合环。 连接板与前纵梁连接，连接板下部与副车架连接。 通过这个封闭环，车身的侧向刚度大大增加。
同时，封闭环部件均采用超高强化板和热成型钢材料制成，保证了霰弹枪即使在刚性障碍物挤压下的耐撞性。
图24 霰弹枪结构图
7.侧面碰撞
多重碰撞传递路径，车身采用安全笼式结构应对所有侧面碰撞（图25）；
如图26所示，车顶横梁采用超高强度钢材，而B柱和侧梁则采用热成型材料，主要是为了保证侧面碰撞时的力传递。
但B柱与顶盖内的横梁并未形成闭环结构，存在一定的错位。 这种设计考虑主要是由于Model 3在人机布局时头部与横梁间隙不足，导致顶盖内横梁向后移动。 由于在侧面碰撞中，最终通过车顶内的横梁传递的能量较少，这种设计也是可以接受的。
另外，在POLE碰撞中，对上边梁的检查将会更加严格。 这种错位并不是很有好处。 如果头部空间足够，尽量保证车顶横梁和B柱的连续性，以保证连续传输。 力量结构；
图25 侧面碰撞时车身力传递路径示意图
图26 Model 3顶盖横梁传力路径示意图
Model 3针对侧面碰撞（包括POLE碰撞）的车门设计还具有以下亮点：
如图27所示，从侧面碰撞区域对比图来看，前后门防撞钣金与侧面碰撞区域的重叠度接近50%，可以有效抵御对乘员的伤害。远离障碍； 防撞梁相对位置布置较低，但覆盖面积比其他型号大15%左右。 形状为常见的“冲压帽型”防撞梁。 材质为高强度铝合金材料，厚度为2mm。
防撞梁与车身挡块重叠量前门125mm，后门78mm。 与其他车型相比，属于中上水平。 可有效提高防撞梁与车身的连接强度，更好地保证侧面碰撞时车门与车身的牢固连接。 力传递的平稳性。
上部外腰线加强板设置在碰撞区域上部，采用铝合金材质，厚度为1.6mm，远高于常规车型0.9mm的厚度。 从位置和材料厚度分析，外腰线加强板也是对应侧面碰撞和正面碰撞的主要结构之一。
图27 车门防撞梁结构示意图
模型3的侧面碰撞主要是通过控制B柱的变形方式来实现的，主要采用两种方法。
• B柱内板和加强板均采用TWB工艺（如图28所示），即内板采用厚度相同但强度不同的材料，加强板采用材质相同但厚度不同，保证上半部分比下半部分更坚固；
同时，在B柱加强板下部设计了诱导变形结构（如图29所示），控制B柱的变形方式满足设定要求。
图28 Model 3 B柱TWB工艺应用
图29 Model 3 B柱诱导特性
8. 极点碰撞
根据E-NCAP中的立柱碰撞试验条件，对Model 3进行侧面75°、32km/h的立柱碰撞分析。
如图30所示，门槛梁是主要变形吸能区域。 地坎内外板均采用高强度钢板，而地坎加强板则采用“网”字形挤压铝材，大大提高了地坎的承重能力，可应对侧面碰撞包括杆子碰撞，也能起到轻量化的作用；
车门门槛与地板座梁偏置焊接，座梁处于柱状冲击器的碰撞路径内，可有效抵抗客舱变形。
图30 POLE碰撞阈值结构图
如表30所示，门槛截面系数和转动惯量均高于同类车型，“网”状挤压铝材做出了主要贡献。
表31 模型3与竞品车型阈值截面系数对比
对于电动汽车来说，列测试除了乘员安全外，主要处理电气安全问题。 （电池组如果被气缸挤压可能会着火）。
Model 3电池组设计没有侧向支撑结构，侧面碰撞（包括极柱碰撞）时的电池保护主要由车身结构建立（图32）。
如图33所示，电池组与门槛之间的距离约为40mm。 POLE碰撞时存在一定的电池组被挤压的风险。 电池组上下极板均设计有弯曲特征，以控制POLE碰撞时的变形方式。
9.追尾碰撞
多个碰撞传递路径。
如图34所示，车辆后部由铝制成。 考虑到铝纵梁的吸能效率优于钢纵梁，整车压碎量集中在后防撞梁和后纵梁后端。
后纵梁截面Z向高度高于传统车型，呈“太阳”字形结构。 轴向刚度高，挤压时能吸收更多的能量，具有更好的轴向挤压稳定性。
图34 后纵梁结构示意图
如图35所示，车身后部设计了三个“环形”框架，形成封闭的传力结构。 在追尾碰撞中，第一层“环形”框架主要由铝制成，是储存和塌陷吸能区域； 第二层“环形”车架主要由高强度钢板制成，主要是为了在追尾碰撞时保护电机的安全。 同时，后副车架提供双重保护； 第三层“环”框架也采用高强度钢板，主要是为了安装和保护电池组。
后保险杠总成整体采用活接结构，可在低速碰撞后修复。 防撞梁体采用“网”状铝材制成，重量轻，保证有效塌陷。 防撞梁沿X方向延伸超出后备箱。 盖板厚度为50mm，可以保证后备箱盖在低速碰撞时的安全。
Model 3的这种结构可以应对后方的各种碰撞。
图35 后防撞环架示意图
10．行人保护-腿部
如图36所示，Model 3控制造型特征，避开前大灯的测试区域（传统硬点区域），这是该车兼顾性能与造型的设计亮点之一。
模型3的处理方法避免了该位置出现下极值。 （FLEX-PLI测试结果评价方法为：结合高性能极限值和低性能极限值，采用线性插值法计算网格点数）。
Model 3碰撞区域的Y方向尺寸相比传统车型并没有减少，只是增加了塌陷泡沫和小腿支撑梁的Y方向长度。 在碰撞区域，保险杠为小腿提供稳定的支撑。
图36 腿部防护结构示意图
如图37所示，Model 3的前脸极其平坦，更有利于在小腿碰撞测试中实现对小腿损伤更小的效果； （与车型相比，保险杠中间位置平整度较差，碰撞试验时会造成损伤，膝部弯曲角度和剪切位移较大）。
如图38所示，Model 3的塌陷泡沫设计位置与膝关节中心位置的重叠量为30mm，足够了。 碰撞试验时膝关节动态剪切位移较小，有利于评分； 小腿的三个支撑点在X方向坐标接近，有一定的塌陷度，有利于保证小腿的稳定性和小腿位移的完整性； 但前保险杠蒙皮与防撞梁之间的间隙太小，塌陷泡沫最薄处的厚度仅为28毫米。 低于市场上其他优秀型号（见表39）。 膝关节处的倒塌空间不足，导致中间支撑很难，而上支撑则相对较弱，从而在力量和弱点之间形成对比，这将导致小牛保护的总体得分较低。
图37模型3与某个模型之间的前造型的比较
图38模型3倒塌泡沫和障碍关系
表39关于某些模型3模型的缓冲块有效厚度的问卷调查
11.Pedestrian保护 - 头部
从E-NCAP测试结果中，我们可以知道，Model 3在行人防止头部受伤方面的保护很差，主要是在以下方面：
前形状较低，导致行人保护成人头部检测区域，儿童头部检测区太近后侧，那里有硬零件，例如前挡风玻璃，A柱区域零件，电池和前湿雨; 检测该区域的两侧距离外部太近，那里有前躯干铰链和燃气弹簧等硬部分。 上面的部分具有高刚度，这不利于头部评分。
此外钢结构俯视图怎么看，前躯干的钣金腔很小，并且不能使用自己的结构在碰撞时缓冲头部。 它只能通过检测区域的零件之间的Z方向差距实现缓冲。 但是，从模型3的横截面视图中，车辆模型检测区域中零件之间的间隙也很小，无法缓冲头部受伤，导致行人头部损伤测试的得分非常低。
尽管前躯干板金属由铝合金制成，对行人的危害不如钢铁，但Model 3的形状和机舱布局不允许它获得高分来获得行人头部保护。
基于上述分析，我们考虑优化检测区域中每个缓冲区部分的材料，形状和大小，以进一步提高行人头部保护评分。
图40头部保护区的示意图
12.顶压
目前，在国际上测试了车辆的转盘。 车辆乘员的安全保护主要包括降落测试，动态过渡和国内屋顶压力测试。
为了应对上述测试，模型3在B柱的上部添加了加固板，并且侧梁中的两层加固板的两层形成，这可以至少处理4.5倍的重力4.5倍路缘重量（图41）;
图41 B柱上上钢筋板的结构的示意图
表42比较模型3和竞争模型之间上侧导轨系数
13．Summarize
通过对本期模型3的碰撞安全性的分析，我们可以发现它在材料和结构方面具有某些亮点，尤其是25％的抵消碰撞和支柱碰撞。 目前，国内C-NCAP和C-iasi通过测试进行了相关性，模型3的设计激发了我们在国外了解当前的设计水平。 但是，与此同时，Model 3行人保护也有某些缺点。 我们希望通过上述分析，我们可以在以后的设计中避免它们。
