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西华大学硕士学位论文 道路交通事故车辆碰撞速度研究及辅助软件开发 动力机械及工程专业 研究生叶新娜指导教师黄海波教授周廷萱高级实验师 根据公安部统计，发生在我国各类交通事故中，碰撞事故占6 9 9 ，造成 的人员伤亡占7 0 ，车对车碰撞无论在事故次数、人员伤亡还是经济损失都占 到相应总数的2 3 以上，成为现代道路交通事故的主要形态。t 在交通事故鉴定中，最困难的就是确定事故车辆事故发生瞬时的车速。 解决车速问题唯一可靠的方法，是在现场及时搜集充分的证据，然后对这些 证据进行细致的分析，做出科学的结论，而力学正是从事这一分析的主要理 论工具。运用力学理论进行分析和计算，准确的推算出汽车在碰撞瞬时的速 度是事故过程分析和责任认定的基础。 本文依托四川西华机动车司法鉴定所丰富的事故鉴定实践经验和资料， 通过对大量交通事故进行分析，提出了速度技术鉴定的物证勘验需要采集的 直接信息和间接信息，对g a 4 1 2 0 0 5 交通事故痕迹物证勘验做了相应的补 充，为办案交警在事故现场的取证提供了有效可行的依据，更加有利于以后 事故车辆速度计算的准确性，方便了速度计算专业技术人员，并为交警提供 划分责任的更确切的依据。 在总结前人研究的基础上，深入地研究汽车碰撞理论，分析了车对车碰 撞作用的瞬间状态对碰撞后两车相对位置的影响，利用经典碰撞力学方法， 结合汽车碰撞事故的特点，全面系统地分析了汽车碰撞的全过程；提出了几 种常见的比较实用的事故车辆速度的计算公式，并详细研究了每个公式的使 用范围和所涉及参数的取值范围及影响因素，针对实际发生的碰撞事故，提 出在分析时要考虑各种影响因素对车辆运动的综合作用，可以采用多种计算 方法相互验证。通过大量的研究分析得出，对于有明显制动痕迹和侧滑痕迹， 同时也有大量散落物的事故，应优先采用制动痕迹或侧滑痕迹计算车辆速度， 然后利用散落物进行验证和进一步的优化。 西华大学硕士学位论文 依据国家标准g a t 6 4 3 2 0 0 6 典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定 中给出的典型事故速度计算公式，利用v b 计算机语言开发了速度技术鉴定计 算机辅助软件，以车辆撞击行人事故形态和追尾事故形态为例，对软件使用 过程中所涉及到的参数进行了详细的讨论，研究参数的不确定度对计算结果 的影响，更加便于公安机关交通管理部门、办案交警、专业技术人员和鉴定 机构对车辆行驶速度的技术鉴定，在典型案件条件下可供现场交警快速、准 确的对交通事故的责任做出初步的、科学的判断，提高了交通警察处理事故 的水平和效率。 以发生在高速公路的典型交通事故为例，利用前面所讲的计算方法和公 式计算事故车辆的速度，演示了在速度的计算过程中，如何选用合适的公式 以及如何根据不同的事故特点对参数进行选取：然后通过典型实例利用软件 进行计算，计算结果表明该速度计算软件在一定范围内的有效性、正确性。 关键词：交通事故车辆碰撞速度 西华大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ec o l l i s i o nv e l o c i t yo ft r a f f i ca c c i d e n t a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dr o a dt r a n s p o r t a t i o n ，t h e t r a f f i ca c c i d e n t sh a p p e ne v e r yd a yi nt h ew o r l da n db e c o m eas e r i o u ss o c i e t y p r o b l e m a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i cf i o mp o l i c e e a c hk i n do ft r a 历ca c c i d e n t so c c u r r e d i no u rc o u n t r v t h ec o l l i s i o na c c i d e n t so c c u p i c d5 7 t h ep e r s o n n e lc a s u a l t y w h i c hc r e a t e db yt h ec o l l i s i o na c c i d e n t sr e a c h e d7 0 r e g a r d l e s so ft h es u mo f a c c i d e n t s , t h ep e r s o n n e lc a s u a l t yo rt h ee c o n o m i cl o s s , t h e yo c c u p ya b o v e2 3o f c o r r e s p o n d i n gt o t a l ，a n db e c o m em a i ns h a p eo ft h em o d e mr o a dt r a f f i ca c c i d e n t s c h e c k u pi nt h et r a f f i ca c c i d e n lt h eb i g g e s tt r o u b l ei st h ed e t e r m i n a t i o no ft h e v e l o c i t y t h eo n l yr e l i a b l es o l u t i o nt ot h i sq u e s t i o ni sc o l l e c t i n gs u f f i e i c u t e v i d e n c e si nt h es c e n e t h e uw en e e da n a l y z et h e s ee v i d e n c e sc a r e f u l l ya n de d u c e t h es c i e n c ec o n c l u s i o n m o r e o v e f m e c h a n i c si sm a i nt h e o r yt o o lt oc a r r yo u tt h i s a n a l y s i s m a k i n gu s eo ft h et h e o r yo f m e c h a n i c st oa n a l y z ea n dc a l c u l a t e ，c a l c u l a t e t h e v e l o c i t y o ft r a 自f i cv e h i c l e a c c u r a t e l y i st h ef u u n d a t i o no fa c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o np r o c e s s 隘p a p e rd e p e n d so nt h ep l e n t ye x p e r i e n c er e s o u r c e so ft h es i c h u a nx i h u a i n s t i t u t eo fa u t o m o b i l ev e h i c l ej u s t i c ei d e n t i f i c a t i o n i t sv e r yu s e f u lf o rt r a f f i c p o l i c e m e n i tw i l lb em o r ea d v a n t a g e o u st oa c c i d e n tv e h i c l e sv e l o c i t yc a l c u l a t i o n l a t e ra n dh a sf a c i l i t a t e dt h ev e l o c i t yc a l c u l a t i o nf o rs p e c i a l i z e dt e c h n i c a lp e r s o n n e l ， a n dh a sp r o v i d e da c c u r a t eb a s i sf o rt h et r a f f i cp o l i c et od i v i s i o nr e s p o u s i b i l i t 冀 o nt h ef o u n d a t i o no fs u m m a r i z i n gt h ep r e d e , c e s s o rs t u d i e s ，t h i sp a p e rd e e p l y d i s c u s s e st h ea u t o m o b i l ec o l l i s i o nt h e o r y u s i n gc l a s s i e sc o l l i s i o nm e c h a n i c s m e t h o da n dc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o l l i s i o na c c i d e n t t h ep a p e rh a s a n a l y z c dt h e e n t i r ep r o c e s so fc o l l i s i o ns y s t e m a t i c a l l y s o m ep r a c t i c a la n d f e a s i b i l i t yf b r m u l a sw h i c hc a l c u l a t et h ev e l o c i t yo fa c c i d e n tv e h i c l c sa r ep r o p o s e d t h e nd i s s e c tu s es c o p eo fe a c hf o r m u l aa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fi n v o l v e dt h e p a r a m e t e r s a i ma tt h ea c c i d e n t sw h i c ha c t u a l l yo c c u r r e d , a n a l y z i n gt h e u n c e r t a i no ft h ee s s o n t i a lp a r a m e t e r sn e e d e db yt h ec a l c u l a t i o no fc o l l i s i o nv e l o c i t y , s u c ha sr o a ds u r f a c et r a c e 。c o e f ! f i d e n to fa d h e s i o n ，a u t o m o b i l eb o d yd i s t o r t i o na n d 5 0 0 n i h 西华大学硕士学位论文 t l l l i sp a p e ru s e sv bl a n g u a g ed e v e l o p e dt h ec o m p u t e ra s s i s t a n c es o f t w a r eo f t h ec a l c u l a t i o no ft y p i c a lt r a f f i ca c c i d e n t v e l o c i t y w i t hn a t i o n a ls t a n d a r d g a t 6 4 3 - 2 0 0 6 i t sv e r ya d v a n t a g e o u sf o rt h et r a f f i cc o n t r o ld e p a r t m e n to ft h e p u b l i cs e c u r i t yo r g a na n dt h e t r a f f i cp o l i c eo ft h ec a s e sa n dt h es p e c i a l i z e d t e c h n i c a lp e r s o n n e la n dt h ea p p r a i s a lo r g a n i z a t i o n t h es o f t w a r ec a ni m p r o v et h e l e v e la n de f f i c i e n c yo fv e l o c i t yt e c h n i c a la p p r a i s a l sp a p c ri n t r o d u c e st h r e ee x a m p l e so ft y p i c a lt r a f f i ca c c i d e n t so c c u r r e di n c h e n g - n a nh i g h w a y , d e m o n s t r a t e di n t h ec o m p u t a t i o np r o c e s sh o wt os e l e c t a p p r o p r i a t ef o r m u l aa sw e l l 雒h o w t om a k ec e l t a i nt h ep a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fe v e r ya c c i d e n t t h e nc a l c u l a t et y p i c a lt r a 丘ca c c i d e n t v e l o c i t yu s i n gc o m p u t e r - a i d e ds o f t w a r e t h f o u g ht e s t i n g , t h i sv e l o c i t yc a l c u l a t i o n s o f t w a r ei sp r o v c dt ob ee f f e c t i v ea n da c c u r a t ea n df e a s i b l e k e y w o r d s ：t r a f f i c a c c i d e n t ，v e h i c l e ，c o l l i s i o nv e l o c i t y 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 已在论文作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名 导师签名 ，叶猫卿 嘞嵌 日期： 日期： 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 随着汽车工业和交通运输业的高速发展，世界各国汽车碰撞交通事故日 益严重。交通事故不仅威胁着人类的生命，同时也给人们带来诸如心理、精 神、法律诉讼等多方面的问题。道路交通事故已成为深刻的全球性社会问题。 1 - l 汽车碰撞事故研究的社会背景与意义 从1 8 8 6 年德国人卡尔本茨发明第一辆汽车以来，汽车给人们带来文 明与进步的同时，也带来了环境污染与交通事故等危害。在美国，从1 8 8 6 年 到1 9 9 4 年一百多年的时间共有约3 0 4 万人死于道路交通事故，这一数据是其 同期各次战争中死亡人数( 约1 1 7 5 万人) 的2 5 9 倍；同一时期道路交通事故 中有约3 亿人受伤，是其过去2 0 0 年间在战争中受伤人数( 约1 4 5 万人) 的2 0 0 倍左右。1 9 9 0 年全球有统计记录的道路交通事故损失约为1 3 7 0 亿美元，1 9 9 3 年达到5 0 0 0 亿美元“。可以说，道路交通事故对于人类社会造成的总体伤害 与损失规模已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的伤害与损失规模。 随着国民经济大幅度增长，我国汽车保有量迅猛增加1 ，但随之而来的 是道路交通事故的日趋严重，图i - i 和表i - i 陆”为1 9 9 5 - 2 0 0 5 年全国道路交 通事故、道路交通死亡人数、道路交通受伤人数及直接经济损失情况。 表卜i 我国道路交通情况” 年份交通事故数( 次)死亡人数( 人)受伤人数( 人)直接经济损失( 亿元) 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 81 5 2 1 9 9 6 2 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 2 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 11 9 0 1 2 81 8 5 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 11 9 3 西华大学硕士学位论文 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 2 0 0 06 1 7 0 0 09 4 0 0 04 1 9 0 0 02 6 7 2 0 0 17 6 0 0 0 01 0 6 0 0 05 4 9 0 0 03 0 9 2 0 0 27 7 3 0 0 01 0 9 0 0 05 6 2 0 0 03 3 2 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 42 3 7 2 0 0 4 5 6 7 7 5 3 9 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 7 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 f i g 1 - 1t h es t a t u so f v m f i ct r a f f i ci no u rc o u n t r y 图1 - 1 我国道路交通情祝 目前，我国的汽车保有量为发达国家( 美国、日本) 的l 6 l 2 0 ，但交通 事故的死亡率却是他们的数倍( 表卜2 ) 。 据公安部统计，仅2 0 0 7 年5 月全国共发生道路交通事故2 5 万多起，造 成6 0 0 0 多人死亡、近3 万人受伤，直接财产损失0 8 亿元。碰撞事故依然是 道路交通事故的主要形态，占6 9 9 ；超速行驶、无证驾驶、酒后驾驶、未 按规定让行、逆行、违法会车和疲劳驾驶等违法行为仍是机动车肇事的主要 原因，占4 9 8 。 2 西华大学硕士学位论文 表1 - 2 事故数与死亡人数之比 t a b l e l - 2t h e r a t i o b e t w e e n a c c i d e n t a m o u n ta n d d e a t h l b u i国家中国美国德国日本韩国 l l 事故死亡人数 6 2 82 1 61 7 92 1 由此可见，对汽车碰撞交通事故进行研究是非常必要，有着重要的研究 价值和社会经济效益瓯”。 1 2 汽车碰撞事故研究的基本理论和方法 汽车碰撞交通事故往往都是瞬间发生并结束，很难准确地查明事故原因， 因此有必要对车辆碰撞交通事故做系统地、全面地、科学地定量分析与研究 e l o j 。 车辆碰撞交通事故再现( a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ) 是指对已经发生的事 故重新描述、模拟和重演事故的过程，目的在于了解车辆碰撞前的行为及整 个过程，借以合理地判定事故责任的归属“”传统的事故事故成因分析， 是根据事故现场所遗留的痕迹，利用专家的经验来进行事故成因分析的工作。 但是，事故现场的痕迹，往往因为人为调查的疏忽或自然的消退而无法完全 取得，再加上事故事故成因分析领域专家的稀少，使得事故成因分析工作十 分困难。随着道路交通事故处理法治化的进程，必须寻求更科学可靠的定量 分析鉴定方法。为了克服上述缺点，可从两方面解决这一问题。 一方面是建立碰撞事故再现的计算机模拟系统“3 “”，即根据事故现场所 遗留的痕迹，利用合理的运动和动量方程式，反推求得车辆碰撞前的行为， 或根据反推求得的碰撞初速度，配合己知车体损坏等相关资料，通过模拟计 算得到车辆碰撞后的相关位置“。 另一方面是建立事故再现专家系统，即经过对事故再现领域专家的访谈、 相关文献等，积累事故再现的经验知识库，构造事故再现的专家系统。 3 西华大学硕士学位论文 1 3 汽车碰撞事故的国外研究现状 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期的汽车碰撞研究主要是进行 各种条件下的碰撞试验，这包括实车碰撞试验和计算机模拟试验。 1 。3 1 国外实事碰撞试验 早在3 0 年代末和4 0 年代初，欧洲就开展了汽车翻滚和汽车侧面与圆柱 碰撞等试验。随着公路条件的改善，汽车正面碰撞成了交通事故中最常见的 碰撞形式。5 0 年代末，德国的梅塞得斯一奔驰及大众汽车公司开始进行汽车 正面碰撞试验研究“”。6 0 年代中期，美国制订了汽车安全标准。随着生物力 学研究、交通事故分析和事故再现技术研究的深入，汽车碰撞试验方法、标 准试验假人、测量分析装置和评价方法等研究工作得到迅速发展。日本是汽 车工业发达的国家之一，在实车碰撞试验方面滞后于欧美国家近1 0 年。但是， 其研究欧美实车碰撞法规和试验方法的同时也建立了自己的实车碰撞法规和 试验方法r 例如日本汽车研究所建立的全尺寸汽车碰撞模拟试验系统“”1 可以 用来模拟一维碰撞和各个角度方向的二维碰撞1 。 实车碰撞试验费用高、投入大，此外实车实验多为破坏性试验，对比性 和重复性较差( 不同车型的碰撞情况不一致) 。因此各国在进行实车碰撞研究的 同时，也开展了汽车模型碰撞试验，根据相似模型理论，把汽车原型按照比 例缩小进行碰撞研究。日本在这方面起步较早，试验结果与实车碰撞结果比 较相符1 。 1 3 2 国外汽车碰撞计算机模拟试验 国外6 0 年代中期就开始了计算机碰撞模拟研究工作。近2 0 年来，随着 计算机软、硬件技术的发展，使计算机碰撞模拟技术得到迅速发展成为可能。 这一方面由于计算机性能提高，应用日益普及；另一方面，由于汽车市场的 激烈竞争，要求提高新车型开发的成功率，降低开发费用，缩短开发周期。 为了适应新形势，各个制造厂家在汽车产品开发中采用先进的计算机辅助手 段。在市场需求的激励下，欧美国家推出了用于碰撞模拟的商业化软件包， 著名的有l s - - d y n a 3 d p a m c r a s h , m a d y m o 等唿“”。尽管计算机模 拟不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但在产品开发中，可以使样车试制、 4 西华大学硕士学位论文 试验次数减少到最低限度，从而节省开发费用、缩短开发周期。 目前对汽车碰撞计算机模拟研究主要集中于下面三个方面的开发和应 用： 1 事故再现的计算机模拟 2 、汽车碰撞乘员运动的计算模拟 使用多体系统模型进行碰撞乘员模拟的研究工作始6 0 年代中期，现在较 为成熟的软件有：m v m a 2 d ，c a l 3 d ，m a d d y m o 。国外现在广泛应用的软 件是m a d y m o ，可分别对碰撞受害者的运动和动力响应进行二维和三维模 拟分析，成为汽车主、被动安全性分析的有效工具。 3 、车辆碰撞的有限元分析 计算机模拟研究汽车碰撞过程中车身、车架变形及动态响应的重要性前 提是建立在正确的汽车结构数学模型。用于碰撞模拟的有限元软件最常用的 是l s d y n a 3 d ，m s c ，d y t r a n 和p a m c r s s h 。 这些事故再现软件都是用于科研目的的计算机软件，主要用于辅助专家 快速、高质量地进行事故收集、分析，进而研究事故形成机理，并寻求避免 事故的策略。随着汽车碰撞试验的深入开展，汽车碰撞特性参数及经验的积 累，交通事故再现分析的可靠性在不断提高。 1 4 汽车碰撞事故的国内研究现状 我国的汽车工业整体水平比较落后，实车碰撞由于经济上原因，不可能 大面积的开展，在乘员保护方面，我国的研究尚处于初级阶段，有关的标准 和法规尚处于空白或起步阶段，对交通事故的定量研究起步较晚。 我国的汽车安全性研究始于8 0 年代末。1 9 8 8 年吉林工业大学和西安公路 交通大学分别开展了道路交通事故的计算机模拟研究溉嘲，由于当时实验条件 和计算条件的限制，仅进行了较为简单的模拟计算和小比例模型碰撞试验。 1 9 8 9 年吉林工业大学李卓森就事故的计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽 车正面碰撞方程等方面进行了探讨咖。1 9 9 1 年中国第一座汽车碰撞模拟试验 台在清华大学建成；并将多刚体动力学应用于碰撞中人体的运动模拟嘲，开 s 西华大学硕士学位论文 展汽车被动安全性咖“1 的试验研究。1 9 9 3 年吉林工业大学的李江等人发表了 关于汽车碰撞事故计算机模拟方法的研究报告瞰嘲，该项研究采用了目前较 多使用的基于动量守恒定理的碰撞模型，但其物理意义不明确，计算中人为 设定输入参数过多，需人工调整碰撞整车分离速度，造成了计算结果的不准 确性。1 9 9 5 年长安大学研制成功汽车牵引式汽车追尾碰撞试验台，开展了货 车尾部护拦模拟碰撞试验。东风汽车工程研究院于1 9 9 5 年6 月建成汽车碰 撞试验设施，可进行模拟碰撞试验，又可进行实车正面碰撞试验，可用于汽 车零件和整车的安全法规认证。 在实车碰撞试验的同时，我国在计算机模拟方面也开始研究。1 9 9 2 年湖 南大学首先引进了汽车碰撞有限元软件d y n a 3 d ，利用该软件进行汽车方向 盘、假人碰撞模拟计算m 1 以及汽车耐撞性有限元分析嘲。1 9 9 5 年清华大学汽 车研究所的刘学军等人开发出关于汽车碰撞交通事故分析的计算机模拟软件 t a r “1 ，在碰撞后车辆运动力学模型方面，t a r 碰撞事故分析软件比李江 等人所用的计算模型更贴合实际情况，但其车辆碰撞模型中假设“碰撞后， 两车碰撞中心有共同速度”，实质上是以完全塑性碰撞( 碰撞恢复系数为o ) 属 于高速正面碰撞) 为计算条件，大大限制了该碰撞事故分析软件的适用范围， 且降低了计算精度。另外，该t a r 碰撞事故分析软件在计算碰撞车速时也是 采用试算方式，同样存在计算结果的不确定性问题。1 9 9 6 年，中国汽车技术 研究中心在荷兰t n o 进行了m a d y m o 软件应用培训，清华大学、吉林工业 大学、上海交通大学等也开始购买模拟软件，进行汽车碰撞有限元方面的研 究。吉林工业大学和西安公路交通大学还分别开展了交通事故再现方面的研 究，长安大学与日本北海道大学及日本汽车研究所碰撞研究室合作研究，在 大量实车碰撞试验的基础上，开发了事故计算机模拟再现系统 到目前为止，国内在关于车对车碰撞事故定量分析研究方面的最大障碍 是无法进行大量实车碰撞试验分析与验证，因而不能准确确定其分析计算方 法的正确性或精确度。这是上述关于车对车碰撞事故研究成果所存在的共同 问题，大大局限了其可信度和研究工作的深入进行。另外，研究力量分散、 缺乏统一的学术协调机构、不能及时进行该领域研究成果的交流等问题也是 制约国内车对车碰撞事故分析研究进程的原因之一。 6 西华大学硕士学位论文 国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实的基础。因此， 比较理想的方式是在国外既有的基础上，引进能够满足事故分析、碰撞模拟 的相关软件，并且进一步研究和发展国内的计算机模拟技术，开发出适合国 内环境的事故再现软件。 1 5 本论文的研究目的和主要内容 汽车碰撞过程本质上就是车速剧烈变化的过程。在事故分析中，其核心 与最终目标就是要能正确推算出事故发生瞬间的碰撞车速和准确再现事故车 辆的运动过程，车速鉴定实质上归结为汽车速度变化量的计算。事故再现最 主要的问题就是如何比较准确的推断出汽车在碰撞前后的速度。， 解决碰撞车辆速度问题唯一可靠的方法，是在现场及时搜集充分的证 据，然后对这些证据进行细致的分析，作出科学的结论 本文研究对象为交通事故中的碰撞事故，即车对车( 含摩托车、自行车) 的j 下面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞，以及车对护栏、人的碰撞。研究的主要 内容为： 1 本文依托四川西华机动车司法鉴定所丰富的事故鉴定实践经验和总 结，研究高速公路交通事故的特点，利用力学和相应的碰撞理论，系统分析 汽车碰撞的全过程，深入研究事故物证勘验需要采集的基本参数和信息；针 对实际发生的碰撞事故，找出计算碰撞速度所需要的关键参数如路面印痕、 碰撞点及坐标和车身变形量等的不确定性及其采集方法，研究其影响因素， 以及其取值的变化对计算结果的影响程度。 2 运用动力学基本定理，分析交通事故的过程，研究几种比较实用的经 典的事故车辆速度计算方法，深入分析他们的使用范围和使用条件，认真探 讨所涉及参数的取值范围及影响因素。 3 以国家标准g a t 6 4 3 2 0 0 6 典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴 定中给出的典型事故速度计算公式为依据，开发典型交通事故形态车辆事 故前瞬时速度计算辅助软件。 7 西华大学硕士学位论文 第二章车辆碰撞速度计算的有关方法 速度是形成各种交通现象的必要条件。分析交通事故发生的原因，速度则 是关键性的因素，因为汽车超速行驶经常造成交通事故。如何根据现场遗留 的车轮痕迹、人体被撞击的距离等现场资料，来推断交通事故车辆碰撞前的 瞬时速度，是分析交通事故原因和事故处理工作中经常遇到，也是必须解决 的实际问题。由于交通事故发生过程十分短暂，而且变化十分复杂，仅凭经 验来计算淮确的速度值是很困难，有时甚至是不可能的。但是，如果应用汽 车运动力学理论，用分析和试验的方法估算出近似的速度、一般可满足事故 分析计算的需要。 2 1 汽车碰撞的动力学基本定理 本小节介绍在交通事故车辆速度计算中所用的动力学基本定理，这些定 理是分析交通事故的事故过程和速度计算的基础。 2 1 1 质心运动的冲量定理 若以单车为研究对象，车体质心的运动就代表车体的平动。设车体质量 为m ，碰撞前后质心速度为v 0 和v ，碰撞力的冲量为p ，有冲量定理： 小矿一m p o f ( 2 1 ) 也就是在直接碰撞过程中，质心动量的变化等于所受到的碰撞力冲量， 其他非碰撞力的冲量一概忽略不计。 在碰撞前过程和碰撞后过程中，质心运动定理也是成立的，不过此时碰 撞力不存在，要用摩擦力等其他常见力，质心运动定理也改用微分形式。 m 譬了霉 ( 2 2 ) 8 西华大学硕士学位论文 2 1 2 动量守恒定理 若以相互碰撞的两车为研究对象，由于只考虑碰撞力，而且对两车整体 而言，碰撞力是内力，所以存在动量守恒方程式： m l 曩+ 搬2 兄一彤只o + 历2 ( 2 3 ) 式中：肌l 、? i t 2 l 车和2 车的质量： v l 、v ：1 车和2 车碰撞后速度； h o 、y 。1 车和2 车碰撞前速度 这里动量守恒公式( 2 2 ) 只适用于直接碰撞过程，在碰撞前过程和碰撞后 过程中都不成立。 2 1 3 相对质心转动的冲力矩定理 若以单车为研究对象，设车体绕质心的转动惯量为j ，碰撞前后车体转 动角速度为和，碰撞力冲量为尸，有相对质心转动的冲力矩定理： j t o 一一m o 歹 ( 2 4 ) 也就是说在直接碰撞过程中，车体绕质心转动动量矩变化等于所受到的 碰撞冲力对质心的力矩。其他非碰撞力的冲力矩一概不计。 在碰撞前过程和碰撞后过程中，绕质心动量矩定理也是成立的，不过此 时碰撞力不存在，要用摩擦力等其他常见力，绕质心动量矩定理也改用微分 形式 j 警一册。f ( 2 - 5 ) 2 1 4 动能定理 在碰撞前过程和碰撞后过程中，如果车辆被制动，路面摩擦力使车辆减 速，那么有动能定理公式 瓦一五- 睨 ( 2 6 ) 9 西华大学硕士学位论文 式中：z 、兀位置1 和位置2 时车体的动能： 彤：从位置1 到位置2 路面摩擦力重力等常力所做的功 当车体在路面上又滑又转做平面运动时，车体动能分平动动能和转动动 能两部分，即 t - 胁v 2 + j 吐，2( 2 7 ) 在直接碰撞过程中，两车整体的动能是否守恒呢? 回答是不守恒。虽然此 时碰撞力是内力，等值、反向、共线，这两个力的矢量和等于零，但内力可 以做功，因为车体有变形，弹性变形可以恢复，但塑性变形( 也叫永久变形) 不能恢复，而且在重大交通事故中，车体变形主要是塑性变形，由于塑性变 形它吸收了大量的动能，使两车碰撞后的速度与碰撞前相比大为降低。 例如有两车正面相撞如图2 - 1 所示。 v 1 0 j f i g2 * 1h e a d - o nc o l l i s i o nb e t w e e nt w o c a r s 图2 - 1 两车正面相撞 假设它们质量相等：m ，= 脚： 速度大小相等方向相反：巧。= 一 如果碰撞前速度很高，碰撞时塑性变形很大，弹性变形小到可以忽略不 计，那时弹性恢复也就忽略不计，碰撞后的速度几乎等于零，也就是两车撞 在一起几乎不动了。这样碰撞后两车速度均接近于零，动能也均接近于零， 而碰撞前速度很大，动能很大，显然碰撞前后，两车整体的动能不守恒。当 然两车整体的动量仍然守恒，因为动量是矢量，可以互相抵消，不像动能是 恒正的量，不可能抵消。 西华大学硕士学位论文 2 2 以制动拖印长度推算事故车速度 汽车驾驶员在驾驶过程中遇到突然的不测时，在大多数情况下要采取紧 急制动措施，而在事故现场遗留下制动拖印。事故现场的拖印又是事故鉴定 过程和事故过程分析中个比较重要的证据之一 2 2 1 计算公式 汽车制动时，轮胎在地面上要遗留下印迹，则汽车的绝大部分动能将消耗 在轮胎对地面的摩擦做功上( 和或制动器摩擦副之间的摩擦功) 。根据能量 守恒定律，汽车制动时摩擦阻力所做的功( 风，) 恒等于汽车制动减速过程中所 消耗的动能1 2 ( 册) t 2 4 ) 即 1 主刖：- f s 3 ( 2 _ 8 ) 式中：m - 一汽车质量，k g ( 指的是车辆发生事故时的实际质量，满载时可 参考车辆设计说明书或者车辆驾驶证，在散落物很少或者几乎没有散落物的 情况下简单的方法是直接称重；但是对于散落物过多的事故车辆直接称重就 不可行了，需要对其总质量进行估算) ”o - - 一汽车出现拖印时的初速度，m s f 一一汽车制动时的摩擦阻力，fi m g ( q j i ) ，n 旷一道路附着系数( 详见3 3 小节道路附着系数甲的确定) 屯一一制动印迹长度( m ) ，( 由出现场的交警直接在事故现场测量 获得，与测量精度有关) i - - - 坡度( ) ，( 上坡为正，下坡为负，可以用便携式制动性能 测试仪或水平尺在交通事故现场测定) g - - - 重力加速度，( 一般情况下取9 8 1 m s 2 ) 将f2 m g ( q 口f j 代入式( 2 8 ) ，得 1 1 西华大学硕士学位论文 码；y ： 2 9 如f ) 】 ( 2 - 9 ) 由此，通过现场勘测制动拖印，如果制动所做的功是作用在全部车轮上 ( 所有车轮制动器都有效) ，附着重量被充分利用时，就可测算出事故车辆出 现拖印时的初速度，即 v 0 2 - - 4 2 9 ( q 9 i ) s 3 ( m s )( 2 1 0 ) v o = 4 2 5 4 ( 妒2f 弦3 ( k i n h ) ( 2 1 1 ) 若制动不是作用在全部车轮上，则各种制动方式时，事故车辆出现拖印 时的初速度推算公式列于表2 - 1 。 表2 - 1 各种制动方式拖印时的初速度推算公式 初速度( s ) 制动方式 水平道路上坡下坡 制动作用在 v 。= j i iv 。= 压而鬲瓦 v f 再丽 全部车轮上 只有前轮制动 旷隔 v 。- j 2 喘卜，_ j 鹄卷 3 只有后轮制动 _ j z 海卜= 1 f 1 6 9 t ( + 妒如* i + ) g j x ) i l 厂l ，d 龋 只有一个前轮和 v 产正面v 。= 拓函可= - 丽 一个后轮制动 备注：h 一重心高度， ( m ) ( 如何判断轿车、客车、货车的重心) b _ 嘞距，( m ) ( 前轴和后轴中心间的距离，可利用卷尺进行测量，也可 参考表2 2 提供的数据选定) x 从前轴中心线至重心的水平距离， ( m ) d 从后轴中心线至重心的水平距离， ( m ) 西华大学硕士学位论文 表2 - 2 汽车轴距参考值 t a b l e2 - 2r e f e r e n c ev a l u eo f t h ew h e e l b a s e 车型类剐轴距( m ) 微型级 2 0 2 2 普通级 2 1 2 5 4 轿车 中级 2 5 2 8 6 中、高级 2 8 5 3 4 高级 2 9 3 9 微型 1 7 2 9 轻型 2 3 3 6 4 x 2 货车 中型 3 6 5 5 重型 4 5 5 6 总质量 ( 6 03 2 4 2 矿用自卸车 ( t ) 6 03 9 4 8 城市大客车( 单车) 4 5 5 0 大客车 长途大客车( 单车) 5 0 6 5 2 2 2 事故鉴定过程中注意事项 在事故现场，车辆作紧急制动时不一定都有明显制动拖印出现，这与车 辆的制动性能和驾驶员的操作技能有关。根据制动理论，制动拖印的出现并 不是制动的最理想效果，具有防抱死装置的车辆，制动拖印是不连续的。因 此，没有明显或连续制动拖印并不等于没有采取制动措施或措施不力。 因此，在事故现场勘验时，应该认真识别和测量事故产生的拖印在车 速计算过程中，应该注意正确理解制动拖印，选用合适的附着系数，并寻求 合适的计算方法。 2 3 通过现场试验推算车速 对于一些发生交通事故、具有行驶能力的车辆，可以利用事故车辆进行 现场试验，以扁部模拟事故的过程，来事故发生瞬间的实际车速。 西华大学硕士学位论文 现场模拟试验的方法，就是利用事故车辆以一定车速在现场路面上进行 制动试验。把试验用的车速和制动得到的拖印长度，与事故现场遗留下的制 动拖印长度进行比较，从而推算出车辆事故前的最低车速池删。 设s 。为事故现场遗留下的制动拖印长度，s ：为现场试验得到的制动施印， v 为事故前的速度，v ：为模拟试验的车速。由于 铲盖跏：。恭匕= 蹬。- - 5 - 1 2 9 妒 2 9 妒l 一p 一一j 2 y 2 则有： y - 叫z j x 化_ 1 2 ) 2 4 利用侧滑印迹推算车速 当汽车驶入弯道时，由于离心力的作用，使汽车的前外轮受力较大。在 侧滑的地点，该轮胎的外缘在弯道上遗留下一条极浅的印迹，细线条痕。当 车辆进入侧滑甚至旋转时，这条浅而细的条痕可增加到轮胎与路面接触的宽 度。这条由轮胎受力较重而产生侧滑的印迹成为计算车速的重要因素。 2 4 1 计算公式 有两种计算速度的方法m ：其一为汽车行驶于弯道滑离公路时的速度； 另一为当汽车行驶至弯道时滑离单行车道以外的速度。 计算汽车驶于弯道滑离公路时的速度时，利用侧滑印迹来计算弯道半径 计算汽车驶至弯道时滑离单行车道以外的速度时，利用单行道中心( 行驶中心) 作为周边。 汽车侧滑时的初速度计算式为 ，。4 2 5 4 ( 妒e ) r 2 ( 2 一1 3 ) 式中：v 一汽车侧滑时的初速度，k m h ； 妒道路的附着系数( 详见3 3 小节道路附着系数币的确定) ； 1 4 西华大学硕士学位论文 e 一公路的拱度： 卜弯道半径，m ( 详见2 4 2 小节) 2 4 2 使用公式时的注意事项和参数的确定 1 在使用公式( 2 - 1 3 ) 时，应首先计算出侧滑印迹的半径r ，然后才能 计算出汽车侧滑时的初速度。 2 公式( 2 1 3 ) 不适用于车辆使用了制动而偏离其弯道的情况，也不适 用于重型车辆的计算。 3 弯道半径r 的确定叫 汽车以高速驶入弯道并产生侧滑，在弯道上遗留下一条长6 1 4 m 的侧滑 印迹，计算侧滑印迹的半径r 的计算式为： r ，+ 丝 8 m2 ( 2 1 4 ) 式中：卜弯道半径，m ； c 弦长，m ： 卜垂直平分线段长，m - 其中的弦线c 和垂直平分线m 的长度由以下方法确定： 利用侧滑印迹长度的第一个i 3 段( 2 0 4 7 m ) 作为周边测得弦长为 1 5 3 5 m ，垂直平分线段长为0 6 1 4 m 具体做法见图2 2 。 f i 9 2 - 2 t h em e t h o do f p r o t r a c t i n gs i r i n gl i n ec a n dv e f t i c a ! b i s e c t o rm 图2 - 2 绘制车辆例滑印迹和行驶路线的弦线c 和垂直平分线m 的方法 西华大学硕士学位论文 2 5 根据汽车功率平衡方程推算最高车速 2 5 1 计算公式 汽车功率平衡方程“删如公式( 2 1 8 ) 所示 一盖( g ，+ g + 筹) ( 2 _ 1 5 ) 式中：一发动机额定功率( k w ) ( 根据车辆设计说明书、标牌确定) 一传动系效率( 对驱动桥用单级主减速器的4 2 汽车可取为9 0 ) 口一一车速( k i n h ) g 一汽车重力( g 2 m g ，其中m 指的是车辆发生事故时的实际总质量， 获取方法如上) ，一滚动阻力系数( 根据路面性质参考表3 3 滚动阻力系数选取，也 可根据车型选取：货车取0 0 2 ，矿用自卸车取0 0 3 ) i 一坡度( 上坡为正，下坡为负