特斯拉MODEL 3碰撞安全结构设计解析

特斯拉MODEL 3碰撞安全结构设计解析

前言

根据目前行业内资料了解，Model 3在IIHS、NHTSA均取得了优秀的成绩， E-NCAP也取得了五颗星等级。

在E-NCAP测试中成人防护96%，儿童防护86%、行人防护74%，辅助安全系统94%，让这款车成为同级最安全的车款之一。至于Model 3表现较差的部分，主要是行人碰撞保护方面的分数较低，在行人碰撞测试上，机舱盖对于行人头部的伤害较高，所以在整体行人防护项目中仅拿下74%。

IIHS向来被认为是最严苛的碰撞试验，而Model 3在八项测试项目中均拿到了「GOOD」评级。

NHTSA(2018年)-全五星

Model 3从布置和结构设计上是如何对应碰撞安全的呢？我们下面来详细解析。

5天前

上海鸿隼汽车科技

1. 碰撞安全设计理念

通过对Model 3的布置和结构进行研究，能够发现Model 3对应碰撞安全有多方面的设计考虑。

? 要能够满足全球主要检测机构的碰撞测试要求；

? 电动汽车独特的高压部件保护及传统的乘员保护相结合；

图1 Model 3对应碰撞法规示意图

2.正面碰撞-传力路径

Model 3在正碰过程中，机舱主要有三条传力路径：

① 吸能盒+纵梁

② 下横梁+副车架

③ Shotgun

图2 正面碰撞传力路径示意图

图3 正面碰撞传力路径示意图

? 路径①作为主要传力通道，有效传力至门槛边梁；

? 路径②下横梁可以在高速碰撞过程中通过副车架有效传力至Crossmember；

Model 3作为纯电动车区别于传统车型设计，传统车型中地板上的传力纵梁在EV化的过程中被取消，由电池包内两根纵梁进行了替代，保证了碰撞力的有效传递及电池安全。

? 路径③中Shotgun在X向与纵梁基本平齐，作为第三条传力路径避免了传力过程中的失效。

3.正面碰撞-机舱布置

本次解析的Model 3车型为后置后驱，前机舱无动力总成，吸能空间充裕。

图4 Model 3与一般车型机舱吸能行程对比示意图

Model 3设计特点在短前悬的状态下做到吸能空间最大化（如表5）。

表5 Model 3与竞品车型吸能空间对比

如图6所示，Model 3机舱布置紧凑，电子扇冷凝器模块斜置在机舱前部，采用水平倾斜38角度布置，可降低Z向高度要求，最大化保留前行李箱空间和散热。

后驱布置致使前机舱空间较为充足，机舱布置集中在后部，与纵梁的折弯特征相对应，相辅相成。

预估Model 3即使在四驱状态下，吸能空间也有良好的表现。

图6 Model 3前机舱吸能空间示意图

4．正面碰撞-吸能策略

Model 3吸能策略整体思路是前段轴向压溃，后段弯折变形（如图7）。

吸能盒为主要吸能区，长度达到了230mm，远高于同类车型，变形模式为轴向压溃，其前防撞梁吸能盒设计考虑了不同平台的拓展，采用模块化设计可对应不同前悬碰撞，同时吸能盒断

面采用“田”字型铝材，抗弯能力强，在轻量化的同时能确保吸能盒轴向充分压溃。

纵梁变形模式区别于国内传统车型，主要为折弯变形，通过布置三个折弯点达到吸能作用，折弯通过纵梁的特征及加强板的形状来控制。

图7 Model3前机舱吸能策略示意图

Model 3的纵梁采用较为普通的薄壁梁结构，但纵梁的结构和材料进行了优化设计。

首先model 3的纵梁截面尺寸加大（如表8），高于同等整备质量的车型，使得纵梁的截面系数达到较高的水平。

其次，如图9所示，纵梁内外板及加强板材料采用了超高强钢及热成型钢，提升了纵梁的单位截面力，对应高速碰撞中纵梁的折弯，即正面碰撞中纵梁截面强度也高于对比车型，确保了纵梁的吸能比。

截面尺寸加大的同时会导致重量的提升，为此Model 3纵梁内外板均进行了减薄处理，保证了整车的轻量化。

表8 前纵梁前段截面尺寸对比表

图9 Model3前纵梁材料分布图

纵梁因避让轮胎包络采用了外八字设计，正面和偏置碰撞过程中纵梁根部易内倾折弯，Model 3把crossmember布置在最薄弱的根部（如图10），与左右纵梁形成环形结构，与侧支撑梁相互支撑，控制前机舱纵梁的折弯趋势。

侧支撑梁采用了更为结实的“三角形”腔体结构，保证纵梁有效传力至门槛梁。

Model 3在前机舱碰撞受力位置空腔填充CBS发泡材料，增加强度提升刚度的同时传递碰撞

力，并降低噪音，提升轻量化，总重量仅0.02kg。

图10 纵梁根部结构图

前围板下部独特的设计是model 3区别于传统车型的一个亮点，三角型腔体可使地板尽可能向前延伸，加大电池容量的同时也给电池包提供安装点（如图11），腔体斜面均采用热成型钢材，提升了碰撞强度。

但这种设计也带来了一定弊端，因布置占用了轮胎空间，所以前围板整体后移避让，前排人体及人体脚部空间随之后移，最终导致Model 3轴距虽然长，但是后排乘坐空间并不突出。

图11 前围板下部结构图

表12 Model 3与其他车型前围下部尺寸对比

在整个碰撞过程中，副车架吸能作用是必不可少的。

首先副车架与车体安装部位采用了可脱落结构，如图13所示，碰撞过程中副车架可及时与车体分离，减少对纵梁变形的干扰，使纵梁变形更充分，预估四驱时，副车架脱开会拉动电机向下运动，减少电机对乘员舱的挤压。其次在副车架臂正反两个方向均设计了压馈筋，通过特征的形状来控制副车架折弯。

副车架这种设计保证了正面高速碰撞中的电池安全，避免副车架直接挤压电池包和高压附件装置。

图13副车架可脱落结构与溃缩筋示意图

如图14所示，转向系统在碰撞过程中，先向后溃缩，然后向下弯曲的变形形式避免了碰撞力直接向后方传递，造成方向盘后退过大。

图14 正面碰撞转向系统变形示意图

如图15所示，转向管柱带中间轴总成设计有三级溃缩结构，溃缩行程达93mm，以减轻车辆碰撞对驾驶员的伤害：中间轴为第一级，在碰撞过程中通过万向节产生形变，并向后溃缩，避免碰撞力直接向后传递造成方向盘后退伤害驾驶员。车辆碰撞时，驾驶员受惯性力前倾，方向盘受一定撞击力诱发转向管柱第二级溃缩生效；随着方向盘受到的撞击力增加，转向管柱从二级溃缩升级至三级溃缩。

图15 转向系统溃缩结构示意图

5．正面40%偏置碰撞

Model 3的40%偏置碰主要对应E-NCAP和IIHS试验要求，当64km/h试验车撞击壁障时，传力路径与正面碰撞基本一致，但变形会更为严重。壁障会对轮胎造成严重挤压造成轮胎发生一定转向及后退，进而撞击车体，造成人员伤害。

Model 3的偏置碰设计较为独特，重点在前防撞梁、A柱、门槛等位置进行了优化设计。

首先前防撞梁本体设计两条纵向压溃筋(如图16)，位置处于车宽40%，考虑在偏置碰过程中更好的控制前防撞梁变形模式；

其次驾驶舱内部左右设计了支撑板结构（如图17），采用热成形材料，横向截面采用结实的“三角形”截面，与外支撑梁相互呼应，形成“8”字形腔体结构；

同时腔体内部填充发泡材料增加强度，当高速碰撞壁障撞击轮胎时，可阻挡轮胎向乘员舱内的侵入，减少车体被入侵时向后的变形量；该结构也能有效保护电池包在碰撞时不受到过度挤压。

图16前防撞梁压溃筋示意图

图17 驾驶舱内部结构图

Shotgun作为机舱主要传力路径之一，上下两层钣金形成封闭型腔体，外板采用高强度钢板，内板采用超高强度钢板，整体弧度采用“拱形”以避让轮胎包络，由于“拱形”结构也导致shotgun从前至后截面变化是由大→小→大（如图18）;

偏置碰过程中shotgun与正碰一样进行折弯变形进行吸能，最大折弯位置就是腔体最小位置B-B；同时腔体内内置三角形支撑板来控制变形模式。

图18 shotgun截面变化

40%偏置碰对纵梁及乘员舱挤压更为恶劣，Model 3对应该碰撞则在A柱进一步进行了补强设计，如图19所示，内板及加强板均采用屈服在1000MPa以上的热成型材料，同时钣金料厚均高于同类车型，减少偏置碰撞过程中车门框架的变形量,该作用同样适用于25%偏置碰撞；

在门槛内板位置该车型采用的是超高强度钢板，贯通至A柱前部，与纵梁、外侧支撑板有效连接，使得纵梁的碰撞力有效传递。

图19 纵梁、门槛、A柱传力路径和材料、料厚

6．正面25%偏置碰撞

IIHS的25%偏置碰是目前要求较为苛刻的试验之一，车辆碰撞安全性能评估结果主要由车体结构评估结果决定，也即车辆的结构耐撞性决定了车辆的碰撞安全性能，据了解在25%偏置测试中，Model 3的表现优异，除了副驾驶25%小面积偏置碰撞时主驾驶侧小腿和脚部只获得良好（A）以外，其余细分项目均为优秀（G）。

从图20的model 3试验结果来看，考虑从以下几个方面进行分析:

① 轮胎受到严重挤压发生破裂，轮胎应是主要传力路径之一；

② A柱上边梁变形不明显，因为A柱采用热成形钢板，强度较好；

③ A柱上铰链有变形，但不严重，考虑铰链加强板起到了增强作用；

④ A柱下部及门槛区域变形严重，并向后侵入了驾驶舱，但无人员伤害；

⑤ 前纵梁变形不明显，考虑纵梁不在25%碰撞壁障重叠区域，未起到传力作用；

⑥ 连接板虽有变形，但结构尚完整，考虑未在25%碰撞壁障重叠区域或重叠量较少，仅受shotgun牵扯发现侧向吸能；

⑦ shotgun变形严重，考虑是碰撞传力路径之一。

图20 纵梁、门槛、A柱传力路径和材料、料厚变化

如图21所示，前纵梁避开了碰撞区域，巨大的冲击力通过shotgun、轮胎、悬架传递到A柱及门槛梁。

下防撞梁与壁障重叠量较少，考虑部分冲击力也会通过副车架传递到电池包纵梁。

Model 3增加了横向传力通道，在shotgun与纵梁之间通过连接板进行焊接，使一部分能量转化为侧向动能，这样由于连接板的横向传力作用，使一部分碰撞力传递到车身右侧，减少了作用在乘员舱上的能量。

图21 正面25%偏置碰撞传力路径示意图

如图22所示，壁障在撞击到轮胎时，前悬后下摆臂总成发生折弯，导致轮胎会发生轻微转向，考虑轮胎避免直接撞击A柱造成A柱后退量过大而进行的设计，但轮胎发生转向后会撞击电池包，造成电池包局部变形，坚固的电池包也是model 3抵抗碰撞的一个手段。

图22 正面25%偏置碰撞轮胎变形图

如图23所示，Model 3的前防撞梁及下部副梁横向尺寸均进行了增加，对比传统车型，前防撞梁超出吸能盒约230mm，考虑增加尺寸主要对应25%偏置碰壁障的重合量。

图23 Model 3前防撞梁超出吸能盒长度与传统车型对比

如图24所示，从Shotgun俯视图看前部采用31.5°夹角设计，当车体撞击壁障时，撞击力F分解为F0与F1，F0沿shotgun传力至A柱，F1传力至炮塔，同时对车体产生一定横向动能，使得壁障避开乘员舱，保证乘员安全。

炮塔与壁障有重合量，故周边零件均采用高强度钢板进行补强，提升了乘员的安全性，考虑这种材料选择也是model 3试验合格的一个原因。

Shotgun与纵梁、A柱、连接板形成封闭环，连接板与前纵梁连接在一起，而连接板下部连接副车架，通过这种封闭环大大增加了车身的侧向刚度。

同时封闭环零件均采用超高加强板与热成形钢材料，这样，即使在刚性壁障挤压下也保证了shotgun的耐撞性。

图24 shotgun处结构示意图

7．侧面碰撞

多条碰撞传递路径，车身采用安全的笼型结构可对应所有侧面碰撞（如图25）；

如图26所示，顶盖中横梁采用超高强钢，而B柱及边梁则均采用热成型材料，主要保证侧面碰撞的传力。

但是B柱与顶盖中横梁未形成封闭环形结构，有一定的错位，这种设计考虑主要是Model 3在人机布置时头部与横梁间隙不足，导致顶盖中横梁一定后移造成，由于侧面碰撞中由最终由顶盖中横梁传递的能量较少，这种设计也是可以接受的。

另外POLE碰撞中会对上边梁考察更为严苛，这种错位并不是十分有利，如果头部空间满足的

情况下，尽量还是要保证顶盖中横梁与B柱的连贯性，保证连续的传力结构；

图25 侧面碰撞车身传力路径示意图

图26 Model 3 顶盖中横梁传力路径示意图

Model 3在车门设计上对应侧面碰撞（包括POLE碰）也有以下亮点：

如图27所示，从侧碰区域对比图来看，前门、后门的防撞钣金与侧碰区域的重叠量接近50%，可以有效抵御壁障对乘员的伤害；防撞梁布置位置相对靠下，但覆盖面积较其它车型约增大15%，形状为常见的”冲压帽式“防撞梁，材质为高强度铝合金材料，厚度为2mm。

防撞梁与车身止口的重叠量为前门125mm，后门78mm，相对其它车型为中上等水平，可对防撞梁与车身连接强度得到有效提升，在侧碰时更好的保证车门与车身的传力顺畅性。

其上部的外腰线加强板布置在碰撞区域上部，为铝合金材料1.6mm厚度的零件，远高于常规车型0.9mm厚度。从位置及料厚上来分析，外腰线加强板也是对应侧面碰撞、正面碰撞的主要结构之一。