（机械制造及其自动化专业论文）大型客车正面碰撞的自适应移动式驾驶台设计.pdf

大型客车碰撞安全问题是近几年人们逐步关心的问题。本文基于对大型客车的 结构分析和萨面碰撞时的性能需求分析，从大型客车正面碰撞的被动性安全设计角 度出发，针对在正面碰撞事故中，驾驶员伤害后失去自救和组织自救能力，以及失 去对车辆控制能力后引起二次碰撞事故的问题，提出了移动式驾驶台系统和碰撞自 动制动阀的设计方案。该方案通过驾驶台在碰撞事故中移动，实现正面碰撞事故中 对驾驶员的防挤压保护；通过驾驶台移动过程的缓冲，降低了正面碰撞事故中驾驶 员的碰撞加速度；通过碰撞自动制动阀在碰撞时自动实施驻车制动，避免出现碰撞 事故后车辆的失控。在移动驾驶台的设计基础上，本文通过建立转向操纵系统与驾 驶台的随动关系，避免了正面碰撞事故中因为转向操纵系统损坏引起的事故现场清 理困难，降低了事故引起的交通堵塞和事故处理费用。 由于大型客车正面碰撞试验是一项系统工程，投资巨大，因此本文所设计的方 案未能采用试验方法进行确认。通过对系统工作过程的分析和特征参数的计算表 明：本文的设计方案是可行性，并为大型客车的被动安全性能设计提供了可选择的 方案。 关键词：大型客车f 面碰撞 被动安全移动驾驶台制动控制 南吊删t 人学坳 学位论丈人型客寸正由姗缔的白适廊移动武驾驶台没计 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h es a f e t yi s s u eo na u t o m o b i l e c 0 1li s i o n i nt h ef r o n t a lc o u i s i o n t h ed r i v e rw a su s u a l l ys os e r i o u s l yh u r t t h a tc a u s e dh i ml u s eh i s , a b i l i t yt os a v eo ro r g a n i z et or e s c u eh i m s e l f a sa c o n s e q u e n c e t h ed r i v e r f a i l e dt oc o n t r 0 1t h ea u t o m o b i l ew h i c hr e s u l t e di n r e c 0 1 l i s i o n b yt h ea n a l y s i so nt h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m o h i l ea n do nt h e f u n c t i o hd e m a n d sd u r i n gf r o n t a lc o l l i s i o n ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dat r e a t i r e p r o p o s a lo fm o v a b l ec a bs y s t e ma n da u t o b r a k i n gv a l v ef r o mt h ed e s i g no fp a s s i v e s a f e t yo na u t o m o b i i ef r o n t a lc o l l i s i o n t h ep r o p o s a lr e a l i z e dt h ea n t i - p r e s s u r e o nt h ed r i v e rb ym o v i n gt h ec a bd u r i n gt h ea c c i d e n t ：t h ep r o p o s a lr e d u c e dt h e a c c e l e r a t i o no ft h ea u t o m o b i l e sb yb u f f e re f f e c to fm o v i n gp r o c e s sd u r i n gt h e a c e i d e n t ：t h ep r o p o s a lp r e v e n t e dt h ea u t o m o b i l eo u to fc o n t r o lb yu s i n gt h e a u t o b r a k i n gv a l v ea f t e rt h ec o l l i s i o n u n d e rt h eb a s i so ft h em o v a b l ec a b ，b y e s t a b l i s h i n gt h ef l e x i b l er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i v e r s i o nc o n t r o l l i n gs y s t e ma n d t h em o v a b l ec a b c l e a r a n c et r o u b l ew h i c hw a sc a u s e db yt h ed a m a g eo fd i v e r s i o n c o n t r o lli n gs y s t e mc o u l db ea v o i d e d o fd e a l i n gw i t ht h ea c c i d e n t s or e d u c e dt h ec o s to ft h et r a f f i cja i i ia n d l s i n c et h et e s to fa u t o m o b i l ec o l l i s i o ni sas y s t e m a t i cp r o j e c tw h i c hd e m a n d s v a s ti n v e s t m e n t ，t h ep r o p o s a lp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rc a nn o tb ea f f i r m e db y t h et e s t s w h i l eb yt h ea n a l y s i so nt h es y s t e m a t i cw o r ka n dt h ec a l c u l a t i o no f t h ef e a t u r ep a r a m e t e r ，i tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c ta n da l s op r o v i d e d t h ea lt e r n a ti v ef o rt h ed e s i g no ft h ep a s s i v es a f e t yo fa u t o m o b i l e s k e yw o r d s ：b u s 。f r o n t a lc o l li s i o n ，p a s s i v es a f e t y ，m o v a b l ec a b ，b r a k i n gc o n t r o l i j y 1 0 0 0 g 7 1 声明 本学位论文足我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：蛐 扣每伞妇 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：趔 夙形归珈 高的特点，是铁路、水运和航空等所无法替代的，在旅客运输中：占有极其重要的地 位。经过近几十年来的快速发展，汽车的使用性能已经大大提高，但汽车发展带来 的能源危机、环境污染和交通事故三大问题f 1 益严重。如何提高汽车行驶的经济性、 环保性、安伞性是目前汽车研究的三大热点。 汽车碰撞安全性问题是从汽车诞生以来就存在的。在诸多汽车交通事故形态 中，“碰撞”是最为常见的一种事故形态或原因( 如翻车、坠车、爆炸、失火等事故 形态也育很多是由于碰撞后引起的) ，到目前为止，在汽车的安全事故中，绝大多 数足碰撞事故。但在早期由于车速过低，车辆相对较少，事故损失小，而未能引起 人们的蕈视。随着汽车的大规模生产和使用，也由于车速的不断提高，事故损失大， 碰撞安全性问题变得越柬越突出。汽车交通事故己成为当今威胁、残害人类生命的 一大公害。汽车交通事故造成的大量人员伤亡必然带来一系列社会和经济问题，严 重影响了人们的生活和生产，不得不引起人们的高度重视，研究：与改进汽车的碰撞 性能足汽车安全性研究中的重点工程。 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全性是指汽车 避免发生意外事故的能力；被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行 有效保护的能力。通俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；而 被动安全性则要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。由于汽车被动安全性总是与 广义的汽车碰撞事故联系在一起，故又称为“汽车碰撞安全性”。 国外对大量汽车碰撞事故的统计研究表明，在所有碰撞事故中，车辆发尘前部 碰撞的比率占到5 0 以上，并且乘员也大多是在这一类碰撞事故中受伤或死亡。并 且在导致严重损伤和死亡的事故中，前部碰撞分占了7 0 和5 0 p j 。 在表1 1 1 的事故统计中，大客车事故死亡也占了一定的比例。欧美国家占的 比例约0 2 6 ，而且相对稳定。我国在2 0 0 0 - 2 0 0 3 年中，每年的交通事故死亡总人数 分别为1 0 3 万、1 0 6 万、1 1 d 9 万和1 0 4 万，而大客车事故每年死亡人数从不足 2 0 0 人上升到6 0 0 人，2 0 0 4 年第一季度大客车事故死亡人数就超过了2 0 0 1 年全年 死亡人数。在大客车事故中，伤害较大的是前碰撞、侧碰撞、翻车、坠崖和落水， 有一部分的翻车、坠崖和落水是由前碰撞、侧碰撞引起的i l j 。 另外，受伤乘员的比例数还与相对碰撞速度有很大的关联。因此，从保护大多 1 南旱删丁人学砷1 学位论文 人型客下正血矾捧的白适脚移动，驾驶台设计 数车辆乘员的生命意义上束说，最值得重视和研究的碰撞类型应为中高速行驶的车 辆前撞。 表i 1 i 各国车辆事故类型的构成率【i i 固家一面碰撞( ) 侧面碰撞( )尾部碰撞( )翻车( )伤害程度 同本 4 92 7 91 5 死亡 芙陶 5 42 9 31 4死亡 法固5 7 3 1 2l o 重伤和死亡 联邦德国6 33 043 重伤和死亡 意大利 5 72 51 26 轻、重伤和死亡 英国 6 42 237 。 重伤和死亡 澳大利哑 6 2 2 3 2 35 5重伤和死亡 i 2 研究现状及发展趋势 “安全第一”不只是口号，是生产与生命的保障。为了减轻汽车碰撞事故对人 类造成的危害，汽车工业发达的国家最先对汽车的安全进行针对性研究，并针对汽 车碰撞事故中常见的人体损伤和其他危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。其中最 著名的是荚国和欧洲碰撞安全法规f m v s s ( 美国联邦机动车安全法规) 和e c e ( 欧 洲安全法规) 。除此之外，日本、澳人利亚和我国也都先后建立了自己的碰撞安全 法规。如澳大利亚的a d r ；加拿大的汽车安全标准( c m v s s ) ；同本的道路运输车辆 法等。更有一些实力雄厚的汽车制造厂商为提高自身的市场竞争力，有自己一套 比国家汽车安全法规更严格的标准。旧 欧美国家在制订安全法规方面比我国要早，要求也高。我国政府部门于2 0 0 4 年6 月1 日实施了乘用车j 下面碰撞的乘员保护，对m 1 类乘用车( 9 座以下的载人 车辆) 要求按法规实施正面碰撞检测，且必须合格方能生产销售。根据我国道路的 实际睛况，参照e c e 法规针对m 1 类乘用车又制定完成汽车侧面碰撞的乘员保护、 乘用车后碰撞燃油系统安全要求，也将于2 0 0 6 年7 月1 只起实施。1 1 3 】 丌展被动安全性研究和贯彻安全法规的结果，使针对碰撞的技术研究快速发 展。一些针对碰撞的主动安全技术和被动安全技术被发明。 1 2 1 针对碰撞的主动安全技术 主动安全技术是为了防止碰撞事故的发生。主动安全技术包括：视觉系统、制 动控制系统、预报警系统。 ( 1 ) 视觉系统 南吊理丁人学埘 学位论丈 人型客下i f 血础琦的白适府移动吱驾驶台计 视觉系统是为驾驶员提供一个路面和周围车道的无阻碍视野和最好的视见度。 包括：可变角度和反光度的后视镜，强度、角度可变的灯光控制系统，红外线技术 的夜视系统。| l 5 4 3 4 9 】 ( 2 ) 制动控制系统 在制动系统的控制中，有制动防抱死系统a b s 、电子制动力分配系统e b d ，电 子感应制动系统s b c 、稳定系统e p s 、制动防侧翻系统。 制动防抱死系统用束防止在制动过程中车轮抱死。它的效果是制动过程中 制动力最大，同时车轮不发生侧向滑移。不仅减小了制动距离，而且保证了制动 过程中方向的可控制性。 电子制动力分配系统能够根掘由于汽车制动时产生轴荷转移的产生的附着 力不同，而自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能，并配合a b s 提 高制动稳定性。 电子感应制动系统在奔驰e 级车上被引入。该系统不仅可以在驾驶员急松 油门时，电子控制系统就将制动系统进入工作状态，消除了制动过程中的油压时滞， 减小了制动力增长时间，使制动距离减小。还可以监测制动器的工作状态，当制动 器匀水时，自动进行脉冲制动，清除制动器上的水膜。 稳定系统e p s 是由奔驰汽车公司首先应用在它的a 级车上的。e s p 实际上是 一种牵引力控制系统( t c s ) ，与其他牵引力控制系统比较，e s p 不但控制驱动轮， 而且可控制从动轮。对于后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，当后轮失控而甩尾 时，e s p 便会刹慢外侧的前轮束稳定车子；在转向过少时，为了校正轨迹方向，e s p 则会刹慢内后轮，从而校f 行驶方向。 制动防侧翻系统是在汽车转向的过程中，当离心力的作用使车轮的载荷减 小到一定值时，系统将控制制动系统实施制动，通过降低车速束减小离心力，防 止汽车发生侧翻。： ( 3 ) 预报警系统 。 预报警系统是在汽车行驶过程中，不断对汽车所处的环境、汽车的状况、驾驶 员的状况进行检测，当系统分析认为有发生碰撞的可能，或系统出现故障，或驾驶 员疲劳驾驶和酒后驾驶时，系统将发出危险信号，提醒驾驶员采取措施，或主动采 取安全措施。安全措施通常是执行禁止运行程序或主动采取制动。 1 2 2 针对碰撞的被动安全技术 被动安全技术是发生汽车碰撞事故时，减小事故的损失。汽车的被动安全性 研究在国外丌始与上世纪六十年代，并随着电子控制技术和试验手段的提高取得了 南承删t 人掌 口i 学位论史人型客1 _ 正血排缔的白适舟移动式驾驶台设计 长足的发展。被动安全技术包括：安全气囊与安全带控制、车身缓冲区的设计、转 向杠设计、燃油控制系统、事故自动报警与自救系统。 ( 1 ) 安全气囊与安全带系统 安全气囊系统是在汽车发生碰撞时，引爆气体发生器，给本来折叠气囊快速充 气，在车内人员与车之日j 快速建立缓冲装置。在完成充气后自动放气，以防止气 囊挤压乘客导致无法逃生。有防萨面碰撞的j 下面气囊和侧面碰撞的侧气囊。智能 安全气囊足在普通型的基础上增加传感器，以探测出座椅上的乘员是儿章还是成 年人，他们是否系好安全带以及所处的位置是怎样的高度，通过采集这些数掘， 经过电子计算机软件分析和处理，控制安全气囊的膨胀，使其发挥最佳作用，避 免安全气囊出现无必要的膨胀，从而极大地提高其安全作用。智能安全气囊比普 通型要多了两个核心元件：传感器及其与之配套的计算机软件。1 1 9 1 普通的安全带通常是被动式安全带。缓慢拉动时，安全带可以拉出，快速拉动 时，安全带被锁止。这样可以保证不发生碰撞乘客可以自由活动。在发生碰撞时 可以防止乘客冲出座位，与其他物体发生碰撞。在部分汽车上使用了主动式安全 带。当汽车发生碰撞时，引爆气体发生器，将本来宽松的安全带自动收紧。在收 紧后，再缓慢放松，保证乘客能够自由逃生。p i 5 ( 2 ) 车身缓冲区的研究 币面碰撞的车身缓冲区设计就是尽力解决缺乏缓冲距离、运动急剧停止的问 题。因为轿车和多功能车从前保险杠到驾驶员或前排乘客之i b j 的距离较大，有前纵 粱、翼子板、发动机罩等前部钣金部件。对它们进行结构优化或选用合适的材料。 就可以将它们作为车辆前部i f 面碰撞的吸能区域。目前已实施的技术和未转化专 利，就有很多种类。如利用人体肋骨形态特点设计的吸能结构通过肋骨的弯曲断裂 束吸收能量；给保险杠增加液压活塞支撑结构、通过碰撞时油液一方面流入储压 器组内吸收震力、另一方面超过系统设定压力值之油压经减压阀流回油箱，以吸收 冲撞之震力；把车辆相碰撞产生的力，转化为支撑力；塑料复合构件，就象形成了 摺铍的钢件，可以吸收碰撞能量，还可恢复原状。 在面包车的设计过程中，由于原来是平头结构，所以从汽车的前保险杠到驾驶 员或前排乘客之问的距离较小，因此无法用结构优化或选用合适的材料的方法束改 进碰撞安全性能。目前普遍的方法是把平头结构改成短头结构，或加装防撞保险杠， 以增加正面碰撞的吸能区域。 在侧面碰撞的车身缓冲区设计上，不少汽车公司就在汽车两侧门夹层中日j 放置 一耐根非常骚固的钢梁，这就是常说的侧门防撞杆。防撞杆的防撞作用是：当侧门 受到撞占对，峰固的防撞杆能大大减轻侧门的变形程度，从而能减少汽车撞击对车 内乘员的伤害。 南京删1 - 人学坳f 学位论丈 人掣客下于血啡捕的白适膨移动式驾驶台设计 ( 3 ) 转向柱设计 长期以柬，关于汽车碰撞事故的调查统计表明，转向机构是一个致伤率极高的 部件。人的胸部及头部由于离转向盘较近，很容易受到转向盘的撞击，还会受到车 辆破挤压后转向盘对驾驶员的伤害。根掘交通事故的统计资料和对汽车碰撞试验的 研究表明，当汽车发生正面碰撞时，有4 6 的驾驶员伤害是由转向盘、转向管柱和 转向器组成的转向系统造成的。因此，在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶 员受伤的机构。例如在转向系中，使有关零件在撞击时产生塑性变形、弹性变形或 是利用摩擦等柬吸收冲击能量。研究表明，在汽车前撞事故中，对于无安全带约束 的驾驶员，吸能安全转向机构可使其伤害降低6 0 ，其中，对胸部和腹部的伤害可 降低8 0 。 ( 4 ) 燃油控制系统 燃油系统控制是在汽车发生碰撞时，防止燃油泄漏而引起爆炸，主要部件是油 管自动关闭阀。当发生碰撞时，阀芯在惯性力的作用下，向关闭方向移动。关闭 后，保险装霄将阀芯固定在关闭状态，防止燃油从油管流出。 ( 5 ) 事故自动报警与自救系统 事故自动报警系统是在汽车发生碰撞后，报警系统发射信号，在g p s 系统的帮 助下，救援人员在第一时日j 知道事故的发生和发生的地点，便于及时组织救援。 自救系统目前一方面是在发生碰撞后，自动打开门窗保险，或打碎门窗玻璃， 便于逃生。另一方面是汽车常备自救药箱。 1 2 3 大客车安全技术现状 因为政府部门尚无对大型汽车币面碰撞立法定规的意向或立法不严，以及大 型汽车发生碰撞的比率相对较小，个体被伤害的程度也相对小，所以目前对大型客 车碰撞的性能要求较低。但随着大型汽车的发展，大型客车的安全问题将会越束越 被人们重视。 因为目的的法规主要是针对m 1 类9 座以下的载人小型客车制定的，所以目前 各国汽车制造企业和相关研究机构对汽车的安全性研究都加紧了对轿车与面包车 碰撞的研究，对大型汽车的安全性研究因为缺少强制措施，所以研究较少。 根掘有关规定，大型客车驾驶员的驾驶技术要求较高。通常，必须要有五年 以上的中型汽车或货车驾驶经历，才可以报考大型客车驾驶员，因此在技术上得到 了根本保证。另外，对于单位自备的大型客车一般在城市道路上驾驶，在国道和高 速公路上驾驶的机会较少，驾驶速度不高，因此发生碰撞的概率较小，碰撞强度也 小强。对于经常在国道和高速公路上驾驶的营运性大型客车，营运单位对它们的要 求相当高，驾驶员通常都是有多年大型客车驾驶经验的优秀驾驶员，对他们的管理 南帛删t 人掌r 啦 学位论文人掣g 下i f 血拼缔的自适府移动式驾驶台设计 与考核部足比较严格的，因此在技术和思想上都得到了进一步保证，因此发生碰撞 的概牵也较小。由于概率小，损失小，因此，人们对此尚未重视。 在大型客车的碰撞事故中，有一半左右是与小型车碰撞。由于大型客车的整 体质量大，大型客车的乘客被伤害的可能性和程度都要比小型客车小得多。与此相 比，小型客车在碰撞事故中是与自身质量相近或比自身质量大的车辆发尘碰撞。因 此，人们对小型客车的安全研究要多于大型客车。 目前只是把小型客车中成熟的安全带、安全气囊、a b s 等技术引用到大型客车 上，对大型客车安全的针对性研究几乎为零。 1 2 4 大客车安全技术发展趋势 随着经济的发展，高速公路与汽车将更加普及。汽车在国道和高速公路上驾驶 的机会将增多。因此，大型客车不仅在国道和高速公路上驾驶的机会会增多，同时 因为车流量加大，在国道和高速公路上发生碰撞的概率也会增大。另一方面随着汽 车技术的发展，大型客车的行驶速度会加快，发生碰撞的强度会增大。在近几年大 客车的事故死亡人数明显增加的现象正说明了这种趋势。在这样的情况下，人们对 大型客车安全设计的要求将提高。 为了社会安定，政府部门必然会针对大型汽车安全性制定严格的法律，迫使生 产设计厂家对大型汽车安全性深入研究，为乘客提供高安全性的产品。 随着大型客车市场的恶化，为了赢得市场份额，在其它性能已经超出人们的普 遍需求或已无潜力可挖之时，厂家将把更多的精力放到针对逐步被人们重视安全性 能的研究与设计中，这将是一种必然趋势。 随着人们对汽车安全性的要求越来越高，相应地研究工作越来越受到重视。过 去那种主要侧重于汽车的动力性、燃油经济性和制动性能等儿个方面性能的做法， 正在经受蓄新观念的冲击。在国外，政府对汽车性能的要求己重点放在了汽车的安 全性能和环境保护性能上，而汽车的动力性和燃油经济性则任由市场与用户去评 说，可见，汽车安全性是人们最关心的问题。 在我国。尽管丌展对汽车被动安全性研究的历史还不足1 0 年，但随着科技的 发展，取得的成绩是显著的，使针对大型客车的安全性研究与设计成为可能。小型 客车安全性研究与设计技术已经相当的成熟，目前无论是车身的碰撞设计，碰撞分 析，还是碰撞实验，都取得了很好的成绩。在碰撞的实验研究方面，已经从单一的 正面碰撞发展成多方位的碰撞。碰撞实验室从原来的一家发展为多家。由于实例的 实验数掘增多，已经成功丌发了多套碰撞分析方面的软件，这些软件与设计软件配 合，可以对新设计的车型进行模拟试验，减少低级的碰撞实验，降低研究与丌发成 本。 南鼋删1 - 人学帅f 学位论史 人掣吝下i f 血础 帝的自适府移动式驾驶台设计 我们相信，随着人们对安全性要求的提高，汽车碰撞试验分析的深入和被动安 全仿真研究的深入，尽管在安全性研究中不断出现新问题，但只要充分调动好方方 面面的力量，协同攻关，是一定能够克服困难，将我国汽车产品韵安全性能推上一 个新台阶的。 1 3 课题研究的目的与意义 本文针对人们对大型平头客车安全使用性能要求的发展，通过对汽车f 面碰撞 的研究，在探讨如何改进大型客车碰撞性能问题上，探讨如何设计一种移动式驾驶 台，以便改进大型客车的碰撞的被动安全性能。使用移动式驾驶台系统后，可以保 证在萨常行驶时具有平头汽车良好的视野性。在碰撞时，具有与长头汽车相同碰撞 缓冲吸能区域，降低驾驶员被挤压的可能，而且降低了驾驶员受到的最大减速强度。 移动式驾驶台系统与安全气囊、安全带一起组成驾驶员的被动安全系统，实现在最 大范围内保护自救组织能力最强的驾驶员的目的。通过碰撞时自动制动保持系统和 后霄转向机机构，束加强在碰撞过程中和碰撞后车辆的控制，防止二次事故的目的。 该系统从加强碰撞时车辆控制和碰撞后的自救组织能力两个方面，束减少事故 的损失。采用移动式驾驶台，突破了碰撞研究停留在改进车身设计的思想，解决了 驾驶视野性和碰撞缓冲吸能区域不能兼顾的矛盾，为解决碰撞时驾驶员受到的减速 强度过大和被挤压问题，提供了一个新的研究方向，具有较高的理论研究意义。 1 4 课题研究内容与目标 1 ) 通过对目前大型客车正面碰撞的研究，建立驾驶台移动系统、方向操纵保持 系统、自动制动保持系统的工作模型； 2 ) 通过对大型客车乖面碰撞过程驾驶台移动系统的分析，确定系统的特征参 数：； 3 ) 提供对驾驶台移动系统在正面碰撞过程的性能测试方案； 4 ) 为驾驶台移动系统的商业开发提供指导性建议。 1 5 论文的组织结构 本论文一共七章。 第一章绪论，介绍了交通事故的严峻形势和碰撞安全的研究现状，并说明了课 题研究的目的与意义。 第二章碰撞事故分析，介绍了一般交通事故的分类和特征，针对乘员损伤机理 和汽车酌部碰撞政府技术法规，总结并提出了前部碰撞中降低乘员人体损伤程度的 南乐珲t 人学徊1 学位论炙 人掣客，r j 下血郴缔的自适脚移动吱驾驶台设计 研究方向。 第三毒总体设计，针对大客车前部碰撞的事故特征和结构特点，提出了解决目 蓟大客车萨面碰撞被动安全性改进的设计方案，并重点介绍了驾驶台移动系统。 第四章移动驾驶台设计，介绍了移动驾驶台的结构原理，在系统性能分析的同 时，给出了针对5 0 k m h 碰撞仞速度的系统特征参数。 第五章自动制动保持系统设计，通过对目前制动系统的性能分析，介绍了碰撞 自动制动系统及碰撞自动制动阀的工作原理，并给出了碰撞自动制动阎的关键特征 参数。 第六章驾驶台系统试验方案设计，通过对目前汽车碰撞试验方法的归纳，提出 了驾驶台移动系统的试验方案。 第七章结论，通过对研究工作的总结，提出了本文研究的主要成果；针对研 究中的技术不足，提出了课题进一步研究的方向和内容。 南甲删t 人学砸 学位论丈 人型窖1 _ 下由甜 缔的白适廊移动式驾驶台改计 2 碰撞事故分析 2 1 碰撞事故的分类 在诸多汽车交通事故形，奈中，“碰撞”是最为常见的一种事故形念或原因( 如翻 车、坠车、爆炸、失火等事故形态也有很多是由于碰撞后引起的) ，也是汽车交通事 故分析与模拟再现难度大，袭击面宽，技术性较强的事故形态。 从碰撞的对象来看，碰撞主要有汽车与汽车碰撞、汽车与两轮车( 摩托车和自行 车) 碰撞、汽车与行人碰撞、汽车与障碍物碰撞等事故形式。 从碰撞的角度柬看，碰撞主要有翻车过程中的多角度碰撞、前撞、尾撞、侧撞和 高空坠物。通常把与车轴线有一定角度的斜碰称为“二维碰撞”，与车轴线平行的j 下 碰称为“一维碰撞”。可以把汽车与障碍物正面碰撞、汽车与汽车正面碰撞、汽车与 汽车追尾认为是一维碰撞，其它的碰撞认为是二维碰撞或多维碰撞。 i 2 2 碰撞事故的特征 翻车事故一般是驶离路面或高速转弯造成的，也有一部分是因为碰撞惯性力作用 或碰撞后车辆失控造成的。翻车事故中汽车受力相当复杂，可能是受到前、后、左、 右、上、下的冲击载荷，其严重程度主要与事故车辆的车速和翻车路况有关。既可能 是人车均无大伤的局面，也可能造成车毁人亡的严重后果。但凡是翻车后的坠崖与落 水的事故，通常伤亡较大。 与障碍物碰撞事故主要有前撞、尾撞、侧撞和高空坠物，其中侧碰撞和高空坠物 较少发尘。尾碰撞通常在倒车时发生，由于车速较底，其强度和损失较小。前碰撞通 常是操作不当或制动失灵引起，较为常见，在与障碍物碰撞的事故中，该类事故占绝 大多数。由于前碰撞的速度大小差异较大、角度不等，以及被碰撞的对象差异，即使 是同型号的车辆，伤害的程度也有较大差别。在统计事故时，尾碰撞和轻微的前碰撞 通常破忽略，所以，与障碍物碰撞事故绝大多数是前碰撞事故。 汽车与汽车碰撞的事故中绝大多数为两车相撞事故，有两辆以上的汽车同时相撞 事故较少。多车事故中在高速公路的特大事故中，也偶尔出现因为碰撞使车辆腾空而 起，在落地的过程中对其他车辆形成高空坠物型撞击。在两车相撞事故中以正撞、追 尼和侧撞较为典型。其中追尾事故由于在后面的车辆速度大于前面的车辆，由于相对 速度较小，碰撞后的速度变化不大，所以其碰撞强度和事故损失较小。正撞和侧撞占 两车相撞事故的7 0 ，由于相对速度较大，碰撞后的速度变化大，碰撞过程中车辆难 以控制，所以其碰撞强度与事故损失较大。由于在两车一撞事故中，两车部是韵碰。 南甲删t 人学坝 学位电艾 人型9 1 - 正血郴谁的自适脚移动吱驾驶台设计 在追尾与侧碰的事故中，总有一辆车是前碰。因此，在两车相撞事故中，属于前碰伤 害的比例占大多数。 多车事故中的乖面碰撞和障碍物碰撞事故中的萨面碰撞通常部被简称为正面碰 撞。因此在碰撞的描述与研究的过程中，除特别指出外，本文在以下提及的正面碰撞 是指包含以上论述的多车事故中正面碰撞和车辆与障碍物的正面碰撞。 经过许多的统计表明，对大型客车的乘客有较大伤害的事故通常是翻车后的坠崖 与落水，以及较强烈的正面碰撞。因此，对大型客车进行正面碰撞有普遍意义与重大 意义。 2 3 正面碰撞过程中的动力学一般分析方法 汽车碰撞过程包括三个阶段，即碰撞前( p r e c r a s h p h a s e ) ，：碰撞( c r a s h p h a s e ) 和碰撞后( p o s t c r a s h p h a s a ) 。碰撞莳阶段指汽车碰撞前，从驾驶员意识到有危险到 “碰撞对”第一次接触：碰撞阶段指汽车发生碰撞，进行动量交换的瞬间过程；碰撞 后阶段指汽车碰撞后车体分离，汽车运动至停止的过程。由于汽车碰撞阶段历时很短， 加速度很大。出现巨大的碰撞冲击力。在对其进行力学分析计算时可作如下简化： ( 1 ) 在碰撞作用阶段，由于碰撞力非常大，重力、摩擦力、风作用力、驱动力等 普通力远远不能与之相比，因此这些普通力的冲量是可以忽略不计的。 ( 2 ) 由于碰撞作用时日j 非常短促，汽车在碰撞丌始和碰撞作用结束( 脱离碰撞瞬间) 时的位霄可以近似认为没有改变，即可以忽略碰撞作用阶段的汽车位移。 由于碰撞作用时日j 短而碰撞力的变化规律很复杂、难测定。很难根掘力的变化规 律研究车辆在碰撞过程中的运动状态，因此一般不用力来量度碰撞的作用，也不用运 动微分方程束描述碰撞作用问题。碰撞不仅使物体发生变形，同时在碰撞过程中还会 有发声、发热、发光等其它物理现象发生，即几乎所有碰撞现象都伴随着机械能的损 失，机械能蕈损失的程度决定于许多因素、首先是与材料性质有关。因此对于碰撞作 用阶段不宜用动能定理而应用动量定理和动量守横定理进行分析计算。 大多数情况下，碰撞汽车的损坏变形都只局限于碰撞的局部部位，其它大部分仍 然完好。因此为了简化计算，在进行碰撞运动力学分析时可以把汽车作为刚体运动束 处理，只有在进行车辆结构分析时针对损坏变形部分按塑性体或柔性体处理。 2 4 乘员损伤机理 根掘人体生物力学的特性，汽车碰撞造成的人体损伤可分为机械损伤、生物损伤 和心理损伤。机械损伤指人体在受到外界的碰撞载荷作用下产生的内伤和外伤，如骨 折和皮肉撕裂等，也就是外载的强度超过了人体骨胳或肌肉组织酌承受极限：生物损 伤指在碰撞导致的加速度作用下人体某些部位如大脑产生的生物功能损伤，如脑组织 1 0 -r-ir 南京理t 人学垧l 学位论史 人掣客1 - j 下血诽缔的白适府移动武驾驶台设计 发生分离而失去知觉等；心理损伤指碰撞过程对人的心理造成的惊慌和恐惧感等。 对车内乘员而占，碰撞造成的人体损伤机理比较复杂。如果没有安全带的有效保 护，乘员在正撞中很容易向前翻飞，前排乘员常撞碎挡风玻璃，飞出车外。若安全带 发生作用，乘员一般不会飞离座位，但可能与汽车内饰件发生碰撞，导致不同部位的 损伤。即使乘员在安全带的有效作用下不与汽车内饰件发生碰撞，乘员头部和颈部等 也可能由于承受过人的加速度而损伤，或者胸部由于承受过大的安全带压力而损伤。 当安全气囊发生作用时，乘员一般可免受与内饰件碰撞，但与气囊覆盖件和气囊的接 触可能导致外伤或烧伤。 大多数情况下车内司乘人员伤亡都是由于汽车碰撞导致司乘人员与车内部件的 碰撞造成的。人们常将汽车的外部碰撞称为“一次碰撞”，而将人体与车内部件的碰 撞称为“二次碰撞”。显然“二次碰撞”是由于“一次碰撞”导致人体与汽车快速相 对运动造成的。 综上所述，司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下四点： ( 1 ) 一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超过了人体的 耐受极限，使人体器官受到损伤。 ( 2 ) 司乘人员在车内遭受单次或多次“二次碰撞”而受伤。 ( 3 ) 碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部，直接挤压司乘人员造成的 伤亡。 ( 4 ) 在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空日j 而伤亡。 由于现在大客车普遍采用发动机后置或中置，车门前置，所以，处于最前位置的 驾驶员会受到以上所有伤害，而且最容易受伤害。右前排乘客会也受到以上所有伤害， 但由于到前端的距离较大，受到后两种伤害的可能很小。其他乘客只会受到i j 两种伤 害。 2 5 人体的伤害部位及指标 l 一、全身加速度1 1 j 表2 5 1人体全身耐冲击等级 冲击加速度g 冲击持续时间i l l s受伤程度 l o o 2 6受伤界限 5 05 0 受伤界限 4 0 1 0 0中等伤 3 02 2 5 明显碰撞症状 3 05 9 结膜、虹膜出血 3 0 7 5 损伤界限 南乐删t 人学垧t 学位论史 人_ 掣髯寸i f 血嘶掩的白适一移动式驾驶舟设计 在汽车碰撞时，乘员的伤害与加速度的大小及作用时间有关，短暂的加速度，再 加上一定的耐久作用时间，两者共同的数值大就可能对人体造成伤害。受伤程度与冲 击加速度及冲击持续时m 的关系如表2 5 1 所示。 在碰撞过程中头部与物体直接发生碰撞时的机械损伤、生物损伤。 头部损伤指数h i c ( h e a di n j u r yc r i e r i a ) 是指头部与物体直接发生碰撞时的 衡量指标： 肌南肛j ( t 2 - - ) ， d 头部合成加速度足重心加速度g 的倍数； ，：、，碰撞过程中的两个时刻，单位：s 。它们应使h i c 计算结果最大。 颈部的指杯主要有：弯曲扭矩、外翻扭矩、轴向拉力、轴向压力、轴向剪力峰 值。由于现在气囊技术的普及，颈部的伤害大大减小。 ( 1 ) 粘性伤害准则 7 胸部的重要器官部足由软组织组成的。过去的研究表明软组织的损伤主要由胸 部的速率敏感变形引起。当碰撞速度很高而胸部变形量很小的情况下，有时也会造成 ，重伤害。v c ( v is c o u sc r i t e r i o n ) 值以胸腔壁的变形速率与胸腔的挤压变形率的乘 v c ：韭丛。盟 ( 2 2 ) 式中：d ( t ) 一为沿冲击方向躯干的瞬时压缩变形； d ( 0 ) 一在正面碰撞时为胸部的仞始厚度，侧面碰撞时为躯干初始厚度的一 半。对不同类型的假人其值见表2 5 2 。 表2 5 2不同假人的参数 5 1 【4 7 】 ， 碰撞类型服人类型d ( 0 ) ，单位：f i l m 正面碰撞5 h y b r i di i i 1 8 7 5 0 h y b r i d i i i2 2 9 9 5 h y b r i di i i 2 5 4 侧面碰撞b i o s i d1 7 5 e u r o s i d1 4 0 -lil-r-， 南京玛lt 学坳 学位论史人型牟，广平血腓缔的自适p 移动式驾驶舟搜计 v c 虽然很好地反映胸部的伤害机理，但其精度依赖于试验中对胸腔变形的准确 测星，而这一点很难做到，所以使用较少。 ( 2 ) 胸部3 m s 准则 由于试验中加速度容易测得，f m v s s 2 0 8 建议试验假人的胸部加速度在6 0 9 时，作 用时i 日j 不得超过3 m s 。通常所说的人胸部受伤程度的界限水平，是指作用在上胸部重 心处的作用时间为3 m s 或更长时间的线性加速度最大值为6 0 9 。 ( 3 ) 胸部压缩量 胸部压缩量定义了躯干和肋骨的最大压缩量，它表明了胸部骨折的情况。胸骨相 对脊椎的位移：7 5 m m 。 事故调查研究表明，乘员最容易遭受损伤的部位是头部和胸部，其遭受伤害的比 率分别是：头部4 4 6 ，胸部1 8 9 。而在死亡事故中，最频繁的伤害位于头部( 9 7 ) 和胸部( 9 3 ) 。因此，如何对人体头部和胸部在碰撞中所受的损伤进行评价便显得最 亏要。 五、腿骨 ( 1 ) 大腿骨轴向力 对于人体下肢的伤害，各国法规普遍采用大腿的径向受力f 来表示。 ( 2 ) 小腿骨准则 t i ( t i b i ai n d e x ) 用来评价胫骨的伤害。可以用小腿骨载荷传感器处的固定铰 链的约束力来计算。 l 2 6 汽车前部碰撞政府技术法规 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工业发达国家先后针对汽车碰 撞事故中常见的人体损伤和其他危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。其中最著名的 是荚国和欧洲碰撞安全法规，除此之外，开本、澳大利亚和中国也都先后建立了自己 的碰撞安全法规。 我国汽车行业政府部门于2 0 世纪8 0 年代末丌始引进f m v s s 系列汽车安全法规， 并于9 0 年代后期丌始实施。在这些安全法规标准中，重点是关于车辆前部正面碰撞 的，如汽车乘员碰撞保护的g b t1 1 5 5 1 - 8 9 、防止汽车转向机构对驾驶员伤害的g b 1 1 5 5 7 8 9 等。1 9 9 9 年1 0 月2 8r ，我国颁布了关于正面碰撞乘员保护的设计规则 c m v d r2 9 4 0 ，并从2 0 0 2 年丌始强制执行c m v d r2 9 4 。c m v d r2 9 4 的颁布与实施杯志着 我国的碰撞法规i f 逐步与国际接轨。这说明，我国汽车行业政府部门己将车辆的碰撞 安全性问题摆在了重要位置，它必将促使国内汽车生产企业加强汽车碰撞安全性的研 究，从而不断提高我国车辆的碰撞安全性能，逐步改善我国的汽车道路交通事故乘员 伤亡状况。 -rr-， 广- l c m v d 学坳 学位论史人型客下f 血矾缔的自适膨移功式驾驶台设计 ： r2 9 4 要求试验车辆内前排外侧座椅上放置两个5 0 百分位h y b r i di i i 型假 人，并使用乘员约束系统，即假人须系上安全带：如果车辆配备有安全气囊，则在试 验时要使安全气囊处于有效状念。被试验车辆以4 8 - 5 0 k m h 的速度与固定障碍壁表面 垂直相撞，其中，固定障碍壁的质量不得低于7 0 t ，宽度不小于3 m ，高度不小于1 5 m ， 并且受试验车辆撞击的障碍壁表面覆盖有2 0 m m 厚的胶合板。在试验车辆被牵引的过 程中，试验车辆偏离理论中心线的偏差不得超过士0 1 5 m 。 c m v d r2 9 4 要求测量下 列项目：两假人头部的三向加速度；两假人胸部的挤压变形量；两假人左右大 腿骨的轴向受力：车体碰撞加速度的时间历程，其测量点位于驾驶室b 柱下瑞( 实 际试验中，一般在左右b 柱下端各向置一个测量通道) 。【4 1 按照c m v d r2 9 4 的技术要求，对试验车辆碰撞性能的评价可以分为对车身的要求、 对乘员约束系统的要求、对假人损伤指标的要求以及对燃油泄漏的要求等。 一、对车身碰撞性能的要求 ( 1 ) 在碰撞过程中车门不得丌启。 ( 2 ) 在碰撞过程中，前门锁止系统不得发生锁止。 ( 3 ) 碰撞后，不使用任何工具，每排车门至少有一个车门能够打开。 二、对乘员约束系统的要求 ( 1 ) 碰撞后，安全带系统完好，织带不能断裂，固定点不得脱落，锁扣不得自动 丌启或脱落，但在锁扣上施加不超过6 0 n 的压力，锁扣应能打开。 ( 2 ) 碰撞后不应有能够伤害假人的凸出物侵入乘员室，假人应能完好地取出。 三、对假人损伤指标的要求 ( 1 ) 碰撞过程中，假人头部性能指标h i c 不大于1 0 0 0 0 。 ( 2 ) 碰撞过程中，假人胸部性能指标( 胸骨相对脊椎的压缩量) v c 不大于7 5 m m 。 ( 3 ) 碰撞过程中，假人太腿性能指标( 大腿骨的轴向压力) f 不大于l o k n 。 四、对燃料系统完整性的要求 ( 1 ) 碰撞过程中，燃料供给系统不允许发生泄漏。 ( 2 ) 碰撞过程结束后，若燃料供给系统存在液体连续泄漏，那么，其泄漏率不得 超过3 0 9 m i n 。 因为大客车与小型客车在碰撞过程中要保护的对象是相同的。所以，目前虽然没 有针对大客车的法规，但以上几个方面中针对防止人员伤害与保证人员救护方面的要 求，对大客车具有同样的意义。 2 7 前部碰撞中降低乘员人体损伤程度的研究方向 根掘以上的表术，要进行减低碰撞程度和碰撞事故损失的汽车安全研究主要有 以下几个方向： -ptli-ll ， l【i-l 南累删tj 、学帧 学位论丈人型客下正曲碰掩的自适向移动式驾驶青驶计 一、降低碰撞时的相对速度 目的的主动安全技术主要是为了减少碰撞发生的可能与和减低碰撞时的相对速 度。碰撞时的相对速度的减低直接降低一次碰撞过程中速度的变化值，使碰撞的作用 力与时问的乘积减小。不仅间接降低了人体受n i n o n 速度，减小了人体受力和二次碰 撞强度。同时也减低了车体的变形，避免人员受到挤压。目前主动安全系统部属于该 方向的研究。 ， 但从近几年的事故增长率柬看，与不断提高的驾驶速度与汽车捌有量的积聚增长 相比，似乎收效不大。而且，经过几十年的研究，主动安全技术已经相当成熟。因此 现在的研究普遍转向到汽车被动安全对策上。 二、设霄人体与碰撞面之b j 的加速度缓冲装置 目前的破动安全技术中的车身缓冲区设计、加装保险杠设计和平头改短头设计就 属于该类装胃，主要是为了降低一次碰撞的加速度。 车身缓冲区设计要牺牲车身的刚度，增加了碰