转向柱为什么会在碰撞中故意溃缩?
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转向柱在碰撞中一旦超过设计设定的力阈值,便会以受控方式溃缩,吸收撞击能量; 这样方向盘就不会朝驾驶员方向顶入,胸部受伤的风险也随之大幅降低. 听起来很奇怪,对吧? 一个零件故意断裂怎么就成了安全设计? 这正是本文要讲的内容.
要点速览
- 可溃缩转向柱自1960年代末起在美国强制推行.
- 可溃缩柱在碰撞中可吸收约15 kN的载荷; 而刚性柱完全不吸收任何能量.
- 安全气囊必须在转向柱完成溃缩行程之前充满气.
- 现代转向柱可根据车速、驾驶员体重和安全带状态提供两级或三级溃缩.
刚性柱时代: 曾会刺穿驾驶员的转向轴
先回顾那段糟糕的旧时光,因为故事正是从那里开始的. 在早期汽车中,转向柱是一根连接方向盘与下方转向器的单件式长而坚硬的钢轴. 没有弹簧也没有万向节,就是一根笔直的铁棒. 当然,正常行驶时它完全够用.
可一旦发生碰撞会怎样? 车头被挤压时,这根坚硬的轴会在不切断动力的情况下被推入车内. 也就是说,方向盘与转向轴相连,因此它会像一支长矛一样直冲驾驶员的胸口. 情况严重到文献中专门用"impale"(刺穿)一词来描述这种状况. 在严重的前部碰撞中,这正是最常见致死原因之一. 当工程师们说"既然这根轴动不了,那就让它能动起来"时,被动安全技术领域便诞生了一个革命性的想法.
溃缩机制是如何工作的? 物理原理与设计原则
现在进入正题. 可溃缩转向柱的基本原理是这样的: 柱体在达到特定力阈值之前保持挺直,一旦超过阈值便会有意识地缩短. 这样碰撞能量就不再消耗在驾驶员的身体上,而是消耗在柱体的变形上. 想一想你在物理课上学过的推拉平衡: 同样的能量若分散到更长的距离上,峰值力就会下降. 柱体通过溃缩提供了这段距离,能量转化为机械变形.
管中管与钢珠
最初的设计采用"管中管",即 tube-in-tube 原理: 内外两层套管由两根相互套叠的管子组成,碰撞时内管像望远镜一样滑入外管内部,从而缩短柱体. 在一种常见的结构中,两层套管之间放置钢珠,并由高强度安全树脂固定. 当树脂达到特定压力时便会碎裂,钢珠得以释放,内管随即开始滑动. 简而言之,他们把柱体的阻力绑定在一层胶水的强度上——在我看来这是极其优雅的解决方案.
另一种方案是在扩张管式柱体中采用一种称为"collapse ring"(溃缩环)的摩擦部件,由它决定柱体外壳与主轴之间的摩擦力大小. 环形区域的轻微倾斜和台阶,会随着溃缩的进行,引导管子在哪里以及如何变形. 也就是说,溃缩不是随机挤压,而是一个循序渐进、受到管控的过程.
那么谁来决定临界阈值: 销钉、金属条和烟火式保险装置
那么,是谁告诉转向柱何时该溃缩呢? 答案是: 设计. 触发方式主要分为三大类:
- 剪切销(shear pin):达到特定作用力时断裂的机械销; 断裂后转向轴被释放,上轴可以沿着下轴滑动.
- 受控变形:在特定压力下有意发生变形的金属部件; 车身上沿一条导轨延伸、被塑料夹紧的条带作为吸能元件工作.
- 烟火式装置:瞬间释放机构的小型推进器; 在现代车辆中十分常见.
有一项专利原则让我特别欣赏: 可溃缩管路的断裂压力必须设计得低于方向盘的断裂压力. 为什么? 因为在碰撞中如果首先失效的部位是转向柱,方向盘就能保持完整,能量恰好会在期望的位置——转向柱处——被吸收. 明知故为地把薄弱环节放在特定位置——这正是工程学的精妙之处.
自适应溃缩: 每次碰撞都不一样
现代系统甚至不再是单一等级. 一些设计提供两到三级载荷阶段,分为最小、中等和最大. 载荷阶段的选择由测量车速、驾驶员体重、座椅位置以及安全带是否系好的传感器数据决定. 对于体型较小或系好安全带的驾驶员,会启用较低的载荷阶段;而对于体重较大、未系安全带的驾驶员或高速碰撞,则会选择较高的载荷阶段. 也就是说,转向柱会在每次碰撞中为你进行调整. 这意味着被动安全几乎变成了量身定制.
设计中最难的部分正是这个平衡: 如果阻力太小,在正常驾驶中——你在弯道中转动方向盘的扭矩载荷下——转向柱可能自行溃缩. 如果阻力太大,碰撞中就无法充分吸收能量,作用力仍会反作用于你. 工程师们就在这两个极端之间走钢丝.
与安全气囊和安全带的同步: 团队协作
转向柱从来不是单独工作的. 在碰撞中,三重保护装置会在十分之几秒内如同精心编排的舞蹈般同步启动. 安全气囊控制单元一旦检测到碰撞,就会触发安全带预紧器将你固定在座椅上,同时引爆方向盘安全气囊.
时序至关重要: 安全气囊必须在转向柱完成溃缩行程之前充满. 这样,当你朝方向盘甩过去时,中间正好隔着一个完全充气的气囊,你的胸部撞上的是柔软的表面,而不是正在溃缩的方向盘. 如果顺序颠倒,气囊反而可能把你推向已溃缩的方向盘——效果完全相反.
而且这种同步非常精细,转向柱的位置和变形会直接影响安全气囊的表现. 在严重的前部碰撞中,转向柱过度位移与假人头部穿过安全气囊、直接撞上方向盘的情况相关; 也就是说,失控或过度溃缩会降低气囊的有效性. 并非溃缩越多越好——关键在于受控溃缩.
还有一个碰撞强度的问题: 现代车身的设计目标是,在高达64 km/h的撞击速度下保持乘员舱的完整性. 在更高速度下 - 例如80 km/h的正面刚性墙碰撞 - 假人测试结果显示生存几率非常低. 转向柱是在车身极限范围内发挥作用的部件; 可惜它无法废除物理定律.
它的历史: 从1967年雪佛兰说起
这个想法已经有一段进入博物馆的历史了. 我们在1967款雪佛兰上看到了吸能式转向柱; 当时曾提出过剪刀式、活塞式和弹簧式等多种设计. Chevy II上使用的"网状"结构通过减缓冲击来吸收能量. 不久之后,在1960年代末,可溃缩转向柱在美国成为强制要求 - 这被视为被动安全史上的一个里程碑.
其影响也是实实在在的: 数据显示,如果所有车辆都配备可溃缩转向柱,每年可以避免约1,300例死亡和23,000例受伤. 我认为,这个数字的规模说明了一根初看并不起眼的轴能挽救多少生命.
今天的情况还是一样吗? 是的,而且发展得更好了: 现代转向柱依然保留着溃缩和吸能能力,并在此基础上增加了自适应分级和传感器集成. 早期设计中的机械简单性已演变为烟火式和电子控制系统; 但基本原则 - 超过阈值就进行可控溃缩 - 从未改变.
碰撞之后: 溃缩的转向柱可以维修吗?
现在问你一个问题: 如果事故后方向盘看起来依然坚固完好,是不是就万事大吉了? 很遗憾,不是. 如果转向柱在碰撞中溃缩了,吸能机构就是一次性的 - 一旦触发过一次,就无法再提供同样的保护. 因此许多制造商建议在碰撞后对转向柱进行检查和测量; 一些制造商规定,如果吸能机构已经触发,则必须更换转向柱.
此外,由于系统可以由计算机控制,发生故障时会记录故障码,并需要用诊断设备读取. 也就是说,转向柱已不再是纯粹的机械部件,而是与车辆安全网络相连的一个组件. 在严重碰撞中如果转向柱无法溃缩,作用于驾驶员的力可能导致严重伤害 - 因此,"看起来没问题就没事"是一种危险的捷径.
常见问题
有安全气囊的情况下,转向柱溃缩仍然有必要吗?
有必要. 这个问题虽然在论坛和专家文献中都有讨论,但答案很明确: 安全气囊是一种可能在几秒内就开始泄气、且只能充气一次的系统. 而转向柱则在碰撞的整个持续过程中不断吸收力量. 现代转向柱也保留了溃缩和吸能的能力; 安全气囊并不能取代这种能力,而是与它协同工作.
溃缩阈值是多少?
很难给出一个确切的数字,因为阈值因设计而异. 有单一来源提到的阈值约为11,000牛顿 (约2,500磅力),而学术研究则指出可溃缩转向柱在碰撞中能够吸收约15 kN的载荷. 这两个数字衡量的东西不同: 一个是触发溃缩的力量阈值,另一个是转向柱的总承载能力. 因此,“多少牛顿会溃缩”这个问题的答案因车辆和设计而异.
每辆汽车都有可溃缩转向柱吗?
在发达市场的车辆上这几乎是标准配置,因为强制要求自1960年代末就已存在. 不过,过去一些经济型车型仍使用刚性转向柱,这是众所周知的; 如今这种情况已大体成为历史,但在二手车,尤其是老款车型上,检查一下这个细节并不是坏主意.
结语: 看似脆弱的部件其实是英雄
在我看来,转向柱的历史本身就诠释了被动安全哲学的精髓: 能量不会消失,只会转移. 转向柱的设计,是为了把那股能量消耗在自身结构中,而不是消耗在你的胸口. 所以,碰撞发生后你还能靠在方向盘上说“幸好转向柱溃缩了”,这要归功于工程学最安静却最有效的成就之一. 下次转动方向盘时,请记住你手下的那根看似普通的轴,其实承载着一份为你而备的方案. 那么,你是否曾经查看过车辆的安全配置清单中的转向柱呢? 试着去看一看——当你在那里看到“吸能式转向柱”这个表述时,你已经知道它是什么意思了.