0. 简介
根据目前的行业数据，Model 3 在 IIHS 和 NHTSA 中取得了优异的成绩，在 E-NCAP 中也获得了五星评级。
在 E-NCAP 测试中，96% 的成人保护、86% 的儿童保护、74% 的行人保护和 94% 的辅助安全系统保护使这款车成为同类产品中最安全的汽车之一。至于Model 3表现不佳的情况，主要在行人碰撞保护方面得分较低，而在行人碰撞测试中，驾驶室引擎盖对行人头部的损伤较高，因此在整体行人保护类别中得分仅为74%。
IIHS 长期以来一直被认为是最严格的碰撞测试，Model 3 在所有八个测试类别中都获得了“GOOD”评级。
NHTSA （2018） - 全五星级
Model 3 的布局和结构设计如何应对碰撞安全？让我们更详细地分解它。
1. 碰撞安全设计理念
通过对 Model 3 的布局和结构的研究，可以发现 Model 3 对于碰撞安全有很多设计考虑。
•能够满足全球主要检测机构的碰撞试验要求;• 电动汽车高压
组件保护与传统乘员保护的独特组合;
图 1 Model 3 的碰撞规定示意图
2. 正面碰撞 - 力传递路径
在 Model 3 的碰撞过程中，机舱内有三条主要的力传递路径：
（1） 吸能箱 + 纵梁
（2） 下光束 + 副车架
（3）
图 2 正面碰撞的力传递路径示意图
图 3 正面碰撞的力传递路径示意图
•路径（1）作为主力传递通道，力有效传递到门槛侧梁;
• 路径（2）下梁可在高速碰撞时通过副车架有效传递力;
Model 3 是一款与传统车型不同的纯电动汽车，在电动汽车改造过程中，传统车型地板上的力传递导轨已被移除，取而代之的是电池组中的两个纵梁，以保证碰撞力的有效传递和电池的安全。
•在路径（3）中，基本与 X 方向的纵梁齐平，作为第三次传力路径，以避免传力过程中的故障。
3. 正面碰撞 - 机舱布置
这次分析的Model 3车型是后轮驱动，前舱没有动力总成，因此有充足的能量吸收空间。
图 4 Model 3 与通用模型的驾驶室吸能行程对比示意图
Model 3 的设计特点旨在通过较短的前悬最大限度地利用能量吸收空间（见表 5）。
表 3 将能量吸收空间与竞争模型进行了比较
如图 6 所示，Model 3 驾驶室布局紧凑，电子风扇冷凝器模块以 38 度的水平倾斜度斜向位于驾驶室前部，可降低 Z 方向高度要求，最大限度地保护前备箱空间和散热。
后轮驱动布置导致前舱空间充足，机舱布局集中在后舱，这与纵梁的弯曲特性相呼应，相得益彰。
估计 Model 3 即使在四轮驱动状态下也会有很好的能量吸收空间。
图 6 Model 3 前舱的吸能空间示意图
4. 正面碰撞吸能策略
Model 3 能量吸收策略的总体思路是前部轴向塌陷，后部弯曲变形（图 7）。
吸能箱是主要的吸能区域，长度已达到230mm，远高于同类机型，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，模块化设计可以对应不同的前悬碰撞。
纵梁变形方式不同于传统的国内模型，主要为弯曲变形，通过三个弯曲点的布置来实现能量吸收，弯曲由纵梁的特性和加强板的形状来控制。
图 7 前舱吸能策略示意图
Model 3 的纵梁是相对常见的薄壁梁结构，但纵梁的结构和材料得到了优化。
首先，Model 3 的纵梁截面尺寸增加（如表 8 所示），高于相同整备质量的模型，使纵梁的截面系数达到更高的水平。
其次，如图 9 所示，纵梁的内外板和加强板的材料均采用超高强度钢和热成形钢，提高了纵梁的单位截面力，对应了纵梁在高速碰撞中的弯曲，即纵梁在正面碰撞中的截面强度也高于对比模型， 并保证了纵梁的能量吸收比。
随着横截面尺寸的增加，重量也会增加，因此 Model 3 纵梁的内外板被缩小，以确保车辆的轻量化。
表 8 前纵梁前段截面尺寸对照表
前纵梁的材料分布图
模型 3 将最弱的根（图 10）排列成与左右纵梁的环形结构，它们与侧支撑梁相互支撑，并控制前机舱纵梁的弯曲趋势。
侧支撑梁采用更坚固的“三角”腔结构，确保纵梁能有效地将力传递到门槛梁。
Model 3 填充了前机舱碰撞力位置的 CBS 泡沫空腔，以增加强度、提高刚度、传递碰撞力、降低噪音、提高减重效果，总重量仅为 0.02 公斤。
图 10. 纵梁的根结构图
仪表板下部的独特设计是 Model 3 区别于传统车型的亮点之一，三角形空腔将地板尽可能向前延伸，增加电池容量并为电池组提供安装点（图 11），空腔斜面由热冲压钢制成，以提高碰撞强度。
但是，这种设计也带来了一定的缺点，因为布局占用了轮胎空间，所以前前仪表板整体向后移动，前人体和人的脚部空间向后移动，最终导致Model 3的轴距较长，但后排座椅空间并不突出。
图 11. 虚线面板的子结构图
表 12 Model 3 与其他型号的前下壁尺寸比较
在整个碰撞过程中，副车架能量吸收是必不可少的。
首先，副车架与车体安装部分采用可拆卸结构，如图13所示，副车架在碰撞过程中可以及时与车体分离，减少对纵梁变形的干扰，使纵梁变形更加充分，当估计四轮驱动时，副车架在脱开时可以拉动电机向下运动， 并减少电机对乘客舱的挤压。其次，压缩给料机在副车架臂的前后两个方向上设计，副车架的弯曲由特征的形状控制。
副车架的设计保证了电池在正面高速碰撞中的安全，防止了副车架直接挤压电池组和高压附着装置。
图 13 副框架的可拆卸结构和塌陷肋示意图
如图 14 所示，转向系统在碰撞过程中先向后塌陷，然后向下弯曲，使碰撞力直接传递到后部，导致方向盘后退过多。
图 14 正面碰撞转向系统的变形示意图
如图 15 所示，带有中间轴总成的转向柱设计有三级塌陷结构，塌陷行程达到 93mm，以减少车辆碰撞对驾驶员的伤害：中间轴为第一阶段，变形由万向节在碰撞过程中产生， 并且向后塌陷，从而避免碰撞力直接向后传递，造成方向盘后退，伤到驾驶员。当车辆发生碰撞时，驾驶员通过惯性力向前倾斜，方向盘在一定的冲击力作用下，诱导转向柱第二级塌陷生效;随着方向盘力的增加，转向柱从二阶塌陷升级为三度塌陷。
图 15 转向系统塌陷结构示意图
5. 正面 40% 偏移碰撞
Model 3 的 40% 偏移碰撞主要对应 E-NCAP 和 IIHS 测试的要求，当 64km/h 的测试车辆撞到障碍物时，力的传递路径与正面碰撞基本相同，但变形会更严重。障碍物会造成轮胎的严重挤压，导致轮胎在一定程度上转弯和后退，然后撞击车身，造成人身伤害。
Model 3 的偏置凸块设计独一无二，主要集中在前防撞梁、A 柱和门槛上。
首先，为前防撞梁体设计了两个纵向塌肋（如图16所示），位置为车辆宽度的40%，在偏移碰撞过程中较好地控制了前防撞梁的变形模式。
其次，在驾驶舱左右两侧设计了支撑板结构（如图17所示），并采用热冲压材料，横向截面采用强“三角”截面，与外支撑梁呼应，形成“8”字形腔体结构;
同时，空腔内填充发泡材料以增加强度，当高速碰撞护栏撞击轮胎时，可以阻止轮胎侵入乘客舱，减少车身在侵入时向后变形;该结构还可以保护电池组在发生碰撞时免受过度挤压。
图 16 前防撞梁塌肋示意图
图 17 驾驶舱内部结构图
作为发动机舱的主要传力路径之一，上下两层钣金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，整体圆弧呈“拱形”以避免轮胎包络，“拱形”结构还导致由前到后的截面变化由大→小→大（如图18);
在偏移碰撞过程中，弯曲变形与能量吸收的正碰撞相同，最大弯曲位置为腔体B-B的最小位置;同时，在型腔中内置三角形支撑板以控制变形模式。
图 18. 截面变化
如图 19 所示，内板和加强板采用顶部屈服的热成型材料制成，钣金材料的厚度高于同类型号，减少了门框在偏移碰撞过程中的变形，同样适用于 25% 偏移碰撞。
在门槛内板位置，模型采用超高强度钢板，贯穿至A柱前部，与纵梁和外支撑板有效连接，使纵梁的碰撞力得到有效传递。
图 19 纵梁、门槛、A 柱的力传递路径和材料厚度
6. 正面 25% 偏移碰撞
IIHS 25% 偏置碰撞是目前要求较高的测试之一，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了车辆的碰撞安全性能，据了解，在 25% 偏置试验中，Model 3 表现优异， 除了副驾驶在主驾驶员侧小腿和脚只获得良好 （A） 时 25% 的小区域偏移碰撞外，其余细分都非常出色 （G）。
从图 20 中 Model 3 的测试结果来看，考虑了以下几个方面：
（1）轮胎受到严重挤压和破裂，轮胎应是主要的传力路径之一;
（2）A柱上侧梁变形不明显高强度与普通强度钢材钢框架设计对比分析，因为A柱采用热冲压钢板，强度好;
（3）A柱上的铰链变形，但并不严重，认为铰链加强板起加固作用;
（4） A 柱下部和门槛区域严重变形，向后侵入驾驶舱，但无人员受伤;
（5）前纵梁变形不明显，纵梁不在25%碰撞护栏的重叠区域内，不起传力的作用;
（6）连接板虽然变形，但结构仍然完整，只有在不在 25% 碰撞屏障的重叠区域或重叠量较小时才能发现横向能量吸收。
（7） 变形严重，被认为是碰撞力传递路径之一。
图 20 纵梁、阈值和 A 柱以及材料和材料厚度的力传递路径的变化
如图 21 所示，前纵梁避开了碰撞区，巨大的冲击力通过轮胎和悬架传递到 A 柱和门槛梁。
这
较低的冲击梁与障碍物的重叠较少，一些冲击力也通过副车架传递到电池组纵梁。
模型 3 增加了侧向力传递通道，通过连接板焊接在构件和纵梁之间，将一部分能量转化为侧向动能，从而由于连接板的侧向力传递作用，将一部分碰撞力传递到机体右侧， 减少作用在乘客舱上的能量。
图 21. 正面 25% 偏移碰撞的力传递路径示意图
如图 22 所示，当障碍物撞击轮胎时，前悬和后摆臂总成弯曲，导致轮胎轻微转向，考虑到轮胎避免直接撞击 A 柱，导致 A 柱后退过多，但轮胎转向后会撞到电池组，导致电池组部分变形， 而坚固的电池组也是 Model 3 抵抗碰撞的一种手段。
图 22 正面 25% 偏移碰撞轮胎的变形
如图 23 所示，Model 3 的前防撞梁和下辅助梁的横向尺寸有所增加，与传统模型相比，前防撞梁超过吸能箱约 230 mm，增加的尺寸被认为对应于 25% 偏移碰撞屏障的重叠。
图 23： 与传统型号相比，模型 3 的前防撞梁延伸到能量吸收箱的长度之外
如图 24 所示，前部从俯视图采用 31.5° 角设计，当车体撞击障碍物时，冲击力 F 分解成 F0 和 F1，F0 将力沿力传递到 A 柱，F1 将力传递到转塔，同时对车体产生一定的横向动能， 使屏障避开了机组人员舱，并确保了乘员的安全。
炮塔和护栏重叠，因此周围部件采用高强度钢板加固，提高了乘员的安全性，而这种材料选择也是 Model 3 通过测试的原因之一。
它与纵梁、A柱和连接板形成一个封闭环，连接板与前纵构件连接，连接板的下部与副车架连接，通过这个封闭环大大增加了车身的横向刚度。
同时，闭环部件采用超高加强板和热冲压钢材料，即使在刚性屏障的挤压下也能保证抗碰撞性。
图 24 结构示意图
7. 侧面碰撞
多条碰撞传递路径，机体采用安全笼结构，对应所有侧面碰撞（如图 25 所示）;
如图 26 所示，屋盖中的横梁由超高强度钢制成，而 B 柱和侧梁由热成型材料制成，以保证侧面碰撞的力传递。
但是，屋盖中的B柱和横梁并没有形成封闭的环形结构，存在一定的错位，而这种设计考虑主要是由于Model 3的人机布置中，头部与横梁之间的间隙不足造成的，导致横梁在屋盖中出现了一定的后移， 而且这种设计也是可以接受的，因为在侧面碰撞时，车顶中的横梁传递的能量较小。
此外，POLE 碰撞对上梁的检查会更加严格，这种错位不是很有利，如果满足顶部空间，尽量保证梁与顶盖中 B 柱的连贯性，保证连续的传力结构;
图 25 侧面碰撞体的力传递路径示意图
图 26 模型 3 顶盖中横梁的力传递路径示意图
Model 3 在车门设计方面还具有以下特点，以应对侧面碰撞（包括杆碰撞）。
如图 27 所示，从侧面碰撞区域的对比图来看，前门与后门的防撞钣金与侧面碰撞区域的重叠接近 50%，可以有效抵抗障碍物对乘员的破坏;防撞梁布置得比较低，但覆盖面积比其他型号大15%左右，形状为常见的“冲压帽”防撞梁，由高强度铝合金材料制成，厚度为2mm。
这
防撞梁与车身挡块的重叠度为前门 125mm，后门 78mm，与其他车型相比为中上一级，可以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力传递的顺畅性。
外腰线加强板的上部布置在碰撞区的上部，碰撞区是铝合金材质的厚度为1.6mm的部分高强度与普通强度钢材钢框架设计对比分析，远高于常规机型的0.9mm厚度。从位置和材料厚度分析来看，外腰线加强板也是与侧面碰撞和正面碰撞相对应的主要结构之一。
图27 门防撞梁结构示意图
Model 3 的侧面碰撞主要通过控制 B 柱的变形方式来实现，主要有两种方式。
•B柱的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、强度不同的材料，加强板采用相同厚度的相同材料，以保证上部的强度高于下部的强度;
•同时，在B柱加强板的下部设计诱导变形结构（如图29所示），以控制B柱的变形模式，以满足设定的要求。
图 28 模型 3 B 柱 TWB 工艺应用
图 29 模型 3 B 柱感应特性
8.极点碰撞
根据 E-NCAP 中的柱冲击试验条件，在 75° 和 32 km/h 的侧面冲击下对模型 3 进行了分析。
如图30所示，门槛梁是主要的变形能量吸收区域，其中，门槛的内板和外板均采用高强度钢板材料，门槛加强板采用“眼”形挤压铝材，大大提高了门槛的承载能力，可以应对包括杆子碰撞在内的侧面冲击， 同时可以发挥轻量级的作用;
门槛与地板座椅梁错位，座椅梁在圆柱形对撞机碰撞路径范围内，能有效抵抗乘客舱变形。
图 30 POLE 碰撞阈值处的结构示意图
如表 30 所示，阈值截面系数和转动惯量高于同类模型，其中“网状”形挤压铝材提供主要贡献。
表 31 Model 3 与其竞争对手的阈值截面系数比较
对于电动汽车，除乘员安全外，色谱柱测试主要解决电气安全问题。（电池组挤压成柱状，可能导致火灾和燃烧）。
Model 3 电池组采用无侧向支撑结构设计，侧面碰撞（包括极杆碰撞）的电池保护主要由车身结构建立（如图 32 所示）。
如图 33 所示，电池组与门槛的距离约为 40mm，当 POLE 碰撞时，电池组存在一定的挤压风险，并且电池组的上下板设计有弯曲特性，以控制 POLE 碰撞的变形模式。
9. 后碰撞
多个碰撞传输路径。
如图 34 所示，考虑到铝制纵梁的吸能效率优于钢纵梁，车辆的碾压量全部集中在后防撞梁和后纵梁后部。
这
后纵梁截面的 Z 方向高度高于传统模型，为“日”形结构，轴向刚度大，在破碎时能吸收更多的能量，具有更好的轴向塌陷稳定性。
图 34 后纵梁结构示意图
如图 35 所示，在机体后部设计了三个“环形”框架，形成封闭的传力结构。在后碰撞中，第一层“环形”框架主要由铝制成，这是存储和折叠能量吸收区域;第二层“环”车架主要采用高强度钢板，主要保护电机在后方碰撞中的安全，后副车架加倍保护;第三层“环形”框架也由高强度钢板制成，主要用于安装和保护电池组。
后保险杠总成整体采用带电连接结构，低速碰撞后可修复，碰撞梁体采用“网状”铝材，在轻量化的同时能保证有效塌陷，防撞梁X方向超过后行李箱盖50mm，可以保证后排低速时行李箱盖的安全。
Model 3 的这种结构能够支持各种后方碰撞。
图 35 后碰撞环形框架示意图
10. 行人保护 - 腿部
如图 36 所示，Model 3 是汽车性能和造型设计的亮点之一，通过控制造型特征来避开大灯（传统的硬点区域）。
Model 3 的处理方式是避免在该位置出现较低的极值。（FLEX-PLI 测试结果的评估方法如下：将高性能极限和低温极限相结合，计算线性插值得到的点数）。
与传统车型相比，Model 3 的 Y 方向碰撞面积没有减少，但增加了塌陷泡沫和小腿支撑梁的 Y 方向长度，保险杠为碰撞区域的小腿提供稳定性支撑。
图 36 护腿结构示意图
如图 37 所示，Model 3 的正面极平，更有利于小腿在小腿碰撞测试中获得较少的损伤。（与模型相比，保险杠中间位置的平整度较差，碰撞试验时膝盖弯曲角度和剪切位移会很大）。
如图 38 所示，Model 3 塌陷泡沫的设计位置与膝关节中心重叠 30 mm，足够，且碰撞试验时膝关节的动态剪切位移较小，有利于评分。犊牛三个支撑点的 X 方向坐标彼此接近，有一定的塌陷程度，有利于保证犊牛的稳定性和犊牛移位的完整性。但是，前保险杠蒙皮与防撞梁的间隙太小，塌陷泡沫厚度最薄的部分只有28mm，远低于市面上其他优秀车型（如表39所示）。膝关节塌陷空间不足，导致中间支撑僵硬，上支撑相对较弱，导致强弱对比，导致小腿保护总体得分较低。
图 37 Model 3 与某车型的前部造型比较
图 38 Model 3 坍塌泡沫与障碍物的关系
表 39 某些 Model 3 型号的缓冲块有效厚度调查问卷
11. 行人保护 - 头部
从 E-NCAP 的测试结果可以看出，Model 3 在行人对头部受伤的保护方面效果较差，主要体现在以下几个方面：
前部形状低，导致行人保护成人头部检测区域和儿童头部检测区域离后侧太近，在这个位置有前挡风玻璃、A柱区域零件、电池、前雨刮器等硬件;检测区域的两侧方向太靠近外部，并且在这个位置有前行李箱铰链和气弹簧等较硬的部件。以上部位的刚度不利于头部评分。
此外，前躯干的钣金腔很小，无法通过自身的结构满足头部碰撞的缓冲，只能通过检测区域内零件之间的 Z 向间隙进行缓冲，但从横截面来看，Model 3 模型的检测区域内的零件间隙也非常小， 且无法满足头部受伤的缓冲，导致行人头部受伤测试得分较低。
虽然前行李箱钣金采用铝合金制成，头部损伤值低于钢材，但为了保证 Model 3 的外形和机舱布局，其行人头部保护并没有得到很高的评分。
基于上述分析，认为对材料、建模和检测区域中每个缓冲部分的尺寸进行优化，以进一步提高行人保护头的得分。
图 40 头部保护区域示意图
12. 顶压
目前，国际上测试车辆翻车，车辆对乘员的安全保护主要包括跌落测试、动态滚动和在国内进行的车顶静压测试。
为了应对上述测试，Model 3 在 B 柱的上部增加了一块加强板，侧梁的两层加强板一体成型，可以对应至少 4.5 倍的整备质量重力（如图 41 所示）。
图 41 B 柱上加强板结构示意图
表 42 Model 3 与其竞争对手的上侧梁截面系数比较
13. 总结
通过对本期Model 3碰撞安全性的分析，可以发现相应的材料和结构碰撞中有一些亮点，特别是目前的25%偏移碰撞和立柱碰撞，相关测试已经在国内的C-NCAP和C-IASI进行了，Model 3的设计对我们了解目前国外的设计水平有一些启发， 但同时，Model 3 行人保护也存在一定的弊端，希望通过以上分析，可以在未来的设计中避免。
