（车辆工程专业论文）汽车安全座椅动力学仿真.pdf

摘要 y3 9 8 1 3 5 本文在大量调查国内外研究资料的基础上，以u s - 5 8 1 0 4 1 7 一a 的美国专利 安全座椅作为研究对象，利用多刚体系统动力学之r w 法对安全带保护下 的人体建立动力学方程：对安全座椅保护下的人体则采用拉格朗日方程建立动 力学方程，利用m a t l a b 软件分别对两种情况下人体的头、胸等部响应进行计 算，最后，对二者仿真结果进行分析比较，证实了安全座椅在发生汽车碰撞时 对乘员的保护具有积极作用，并对今后的工作提出了建设性意见。本文对安全 座椅的设计和试验研究有重要意义。 关键词：汽车被动安全碰撞人体响应安全座椅 a b s t r a c t b a s e do n i n v e s t i g a t i n g l o t so fr e l a t i v e d o c u m e n t s ，a n a m e r i c a n p a t e n t ( u s 一5 8 10 417 - a ) - - a u t o m a t i cs a f e t yc a rs e a ti ss e l e c t e da sr e s e a r c ho b j e c ti n t h i sp a p e et h ed y n a m i c a le q u a t i o no ft w o d i m e n s i o n a lm o d e lo f v e h i c l e o c c u p a n t p r o t e c t e db ys a f e t yb e l t i se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt om u l t i b o d y s y s t e md y n a m i c a l m e t h o do fr ，w t h e d y n a m i c a le q u a t i o n o ft w o d i m e n s i o n a l m o d e lo f v e h i c l e 。o c c u p a n tp r o t e c t e db ys a f e t ys e a t i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt od y n a m i c a l e q u a t i o no fl a g r a n g e t h er e s p o n s eo fh u m a nh e a d ，t h r o a x ，e c ti nc a rc r a s hi s c a l c u l a t e db ym a t l a b t h es i m u l a t e dr e s u l t sw h i c hi sc o m p a r e dp r o v et h a ts a f e t y s e a tc a n p l a y a na c t i v er o l ei n p r o t e c t i o no fo c c u p a n ti n e a rc r a s h t h i s p a p e r p r o p o s e st o t h ef u t u r e w o r k ，a n di si m p o r t a n tt od e s i g na n de x p e r i m e n t a t i o no f s a f e t ys e a t k e y w o r d ：a u t o m o b i l ep a s s i v es a f e t yc a rc r a s hh u m a n r e s p o n s es a f e t ys e a t ! ：堕迨 1 绪论 1 1 研究目的及意义 随着经济和社会的发展，汽车的拥有量不断增加和车速的逐渐提高，作为 一种便捷快速的现代化交通工具，汽车在给人们生活带来极大便利的同时，也 因其造成的交通事故给人们的生命和财产安全带来了严重威胁。据统计，全世 界每年因交通事故而死亡的人数估计超过5 0 万人，伤1 ，0 0 0 万人以上，自汽 车面世以来，全世界因车祸而丧生的已有4 5 亿人，远远超过两次世界大战死 亡人数的总和。因此，汽车安全性是国际性的重要课题，从某利t 意义上来说， 足人类社会共同面对的公害。目前我国汽车安全水平还远不尽如人意：在汽车 保有量仅为发达国家( 如：美国、日本等) 的1 6 - 1 2 0 的情况下，交通事故死 亡率却超过他们1 0 倍。仅1 9 9 8 年，我国交通管理部门共受理道路交通案件 3 4 6 ，1 2 9 宗，因交通事故造成7 8 ，0 6 7 人死亡，2 2 1 ，7 2 1 人受伤，直接经济 损失高达1 9 3 亿元，居世界首位。汽车安全性已成为我国汽车工业可持续发 展的必备条件，在加入w t o 以后，我国汽车工业将迎来高强度的竞争挑战和 重大机遇。然而作为一个发展中国家，年汽车拥有量增长很快，我国除了要在 汽车安全性的研究方面努力缩小与国外的差距，同时要应付汽车交通设施陈 旧、交通管理水平落后、汽车安全法规滞后及国民安全素质不强等的压力和负 面影响，汽车安全性问题显得尤为突出。 汽车安全性是针对汽车碰撞事故而言的。人们通常把汽车安全事故全过程 中汽车安全性划分为四个阶段：事故预防、事故回避、碰撞安全和碰撞后防止 事故扩大。按事故发生的前后，汽车安全性可划分为主动安全性和被动安全 性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或当突发因素作 用时，能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能：被动安全性是指汽车 发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生 南京理工大学硕士论文 ! ：堡鱼一一 伤害或使伤害减低到最低程度的性能。前者是在事故发生之前采取的措施，后 者是在事故发生后减少事故损害的措施。对应于主动安全性和被动安全性，现 代汽车上设置了多种安全装置，基本上可分为主动安全装置和被动安全装置两 类。 多年来，人们在制动性、操纵稳定性方面做了大量的工作，有效的改善了 汽车的主动安全性，但是在由于意外因素( 如：驾驶员、环境等) 而造成无法 避免的交通事故中，如何最大限度地保证乘员的安全，减少事故造成的伤害， 提高被动安全性，具有现实重要性，尤其涉及车身结构和汽车装备的汽车被动 安全装置的| 丌发研究是极具时代意义的。而这些研究的根本目的在于对人体的 保护，所以人体在各种碰撞环境中的响应情况是这些研究的基础。 1 2 国内外汽车安全性研究现状 在汽车安全性的研究中，试验研究是基础，国外一些汽车工业发达国家在 这些方面从本世纪初就已着手进行了。从5 0 年代起，德国、美国、日本等各 大汽车公司就已进行了广泛的事故研究工作，日本在7 0 年代就曾由汽车研究 所组织丰田、日产、五十铃8 个厂家，对不同车型的车进行了大规模的整车撞 击试验，获得了大量的数据，进行了对比分析。目前，国外许多研究机构都相 继建成了十分完善的实车碰撞试验设施，对不同车型的车进行大规模的整车撞 击试验，采用多通道( 8 0 1 2 0 通道) 数掘采集和处理系统进行参数测量、记 录、显示，还采用1 0 2 0 台高速摄像系统从各个角度进行拍摄。且都利用儿童 及成人的标准假人作为测试装置安装在乘员位置，测量碰撞对人体响应和伤害 值情况。对乘员约束系统，如：汽车安全带、汽车安全气囊系统都进行了深入 研究。 近几年来我国汽车工业的发展极快，特别是轿车工业迅速兴起，大量的高 速公路的建设，国家在汽车被动安全性方面也做出了许多强制性碰撞政策规 南京理工大学硕士论文 - 2 l 绪论 定，要求新出厂的车都必须通过相应的碰撞试验，而且随着我国加入w t o 日 子的临近，国外许多汽车大公司大规模进入中国，为了与国际惯例接轨，使得 这方面工作尤其显得迫切需要。近年来，国内在碰撞过程中的计算机模拟方面 也开展了一些工作。吉林工业大学在计算机模拟碰撞中所需的汽车碰撞刚度和 汽车正面碰撞方程等问题进行了研究；清华大学将多刚体动力学应用于碰撞事 故中人体的运动模拟，研究安全带对人体的保护作用；一些院校( 湖南大学、 清华大学和上海交通大学等) 引进了d y n a 3 d 软件。并运用软件进行了一些 碰撞模拟研究；吉林工业大学和西安公路交通大学分别丌展了道路交通事故再 现的计算机模拟研究。但我们还应清楚认识到，我国汽车碰撞计算机模拟方面 的研究起步较晚，并且研究受计算机软、硬件和试验条件的限制较大，在碰撞 模型的建立、参数的选择以及计算机模拟研究方法等方面仍有待进一步深入， 计算机模拟碰撞的真实性和实用性也有待提高。我国汽车安全性的研究面临的 问题又不同于欧美，首先，我们经费有限，要以这有限的费用达到理想的效 果，不能追求绝对的安全，需要通盘考虑成本、生产率等；其次，欧美主要针 对车与车或车辆单独事故，而我们还要应付车辆与行人或自行车的事故。我们 同时看到，即使在高度自律的美国汽车工业，汽车安全性研究也不是在无序和 无计划的状态下展开的，所以，我们必须把汽车安全技术研究这一重大课题纳 入国家支柱产业发展战略的组成部分中去，在国家政策、法规的指导下，制定 近、中、长期计划，充分借鉴吸收国外经验，结合我国国情以产学研的联合方 式，逐步付诸实施。可以相信，我国汽车工业随着我国国民经济的稳步发展而 壮大，汽车安全性研究也将有力的促进我汽车交通的现代化。 1 3 本文研究工作的主要内容 本文的研究工作是围绕汽车碰撞过程中的被动安全性研究而展开的，即研 究在无法避免的交通事故中，如何最大限度的保护乘员的安全，减小伤害。本 世纪初国外就已着手此方面的研究，我国在汽车被动安全性方面也有了不少文 南京理工大学硕士论文- 3 1 绪论 章发表，但其研究前提都是基于汽车安全保护装置围绕着“静止不动”的座椅 对乘员实施约束，乘员处于“被动”的等待保护地位，亦即撞车时乘员没有主 动避让。美国人机工程公司总经理赫克托塞伯在动态平衡概念的基础上，提 出了一种新式座椅反向平衡运动( c b m c o u n t e r _ b a l a n c e dm o t i o n ) 座 椅，在被动安全保护中从被动转为主动，在撞车时设法使座椅主动运动，积极 保护自己。由于安全座椅这一概念是1 9 9 8 年才正式提出，相关产品还未广泛 地应用于现实生活中，目前国内尚无相关的安全座椅研究。经过多方查找，本 文选取了专利名为u s 5 8 1 0 4 1 7 一a 的安全座椅( a u t o m a t i cs a f e t yc a r s e a t sa n ds h e e t t y p es a f e t y b e l t ) 作为人一椅多刚体系统中的座椅 对象，对安全座椅约束下的乘员保护研究做个尝试，提出自己的一点浅见。在 轿车工业高速发展的今天，该课题还是具有极大的现实重要性。本文研究内容 分为以下几方面： ( 1 ) 大量查找并收集国内外有关汽车被动安全性研究资料和相关专利，在 进行深入调查研究的基础上，归纳总结了汽车碰撞环境中乘员的保护要求，以 及当前国内外汽车被动安全装置的特点及局限性。分析碰撞过程中人体的加速 度响应特性。 ( 2 ) 通过阅读相关文章，查找相关专利，针对最近提出的新概念一安全座 椅，采用美国专利u s 5 8 1 0 4 1 7 一a ( a u t o m a t i cs a f e t yc a rs e a t sa n d s h e e t t y p es a f e t y b e l t ) 的安全座椅作为研究汽车被动安全性对象之 一，对其进行分析研究。 ( 3 ) 根据多刚体系统动力学理论，建立二维人一椅多刚体系统动力学模 型。文章研究发生汽车正面碰撞时人体的头、颈、胸、腹等各部分响应情况， 将人体各部分看成集中的质量块，作为刚体。人一椅系统中人体参数( 如：质 量( m ) 、质心( p ) 、转动惯量( j ) 和刚度( k ) 等) 根据相关的文献加以确 定，座椅则分别采用“不动”的座椅以及“动”的安全座椅。 南京理工大学硕士论文 ! ：缝鲨 ( 4 ) 对于安全带保护下的人体模型，利用r w 法建立多刚体系统方程， 对于安全座椅保护下的人一椅模型则利用第二类拉格朗日方程建立动力学方 程。经过整理后，利用m a t l a b 软件，采用龙格一库塔法，对于二者建模产 生的二阶微分方程进行求解，从而计算出人体各部分的加速度响应，绘制出相 应的曲线，评估各部分的响应情况。 ( 5 ) 对传统的采用安全带保护和采用了安全座椅保护下的人体在发生汽 车正面碰撞时，身体响应曲线进行分析比较，考察安全座椅是否具有先进性、 实用性，对不同条件下安全座椅保护的人体n 向应做出比较，确定较好的方案 并尽可能对安全座椅优劣提出一点自己的看法。 南京理工大学硕士论文 - 5 - 2 汽车被动安全 生综述 2 汽车被动安全性综述 汽车被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或 车外行人进行保护，避免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。多年来， 人们在自动性、操纵稳定性方面做了大量的工作，有效的改善了汽车的主动安 全性，但是在由于意外因素( 如：驾驶员、环境等) 而造成无法避免的交通事 故中，如何最大限度地保证乘员的安全，减少事故造成的伤害，提高被动安全 性，具有现实重要性。 2 1 汽车被动安全性的研究方法 如图2 1 1 所示为汽车被动安全性的相关领域，我们可从中知道汽车被动 安全性研究是个跨学科的众多领域联合参与( 如：生物学、材料学、力学等) 的复杂体系，它的研究任务是艰巨的。本文涉及内容为碰撞领域范围，下面对 现有的汽车碰撞过程中的研究方法叙述一下。 汽车在行驶过程中会发生各种各样的事故，其中最严重和危害最大的就是 汽车碰撞事故，它在瞬间发生并结束，而且极易判断失误，因此有必要对汽车 间的碰撞事故作系统的、全面的、科学的分析和研究。各国研究人员提出了 “汽车碰撞事故的再造”这一概念，即a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ，他是指用人 为的方法对事故重新描写、模拟和用实验重新演示事故的过程，并预测事故的 后果。早在6 0 年代美国就研制了了世界上第一个汽车碰撞模拟模型s m a c 软 件( t h es i m u l a t i o nm o d e lo fa u t o m o b i l ec o l l i s i o n ) 。之后各种软件如雨后春 笋般层出不穷。到目前为止，世界上已有的汽车碰撞模拟软件无法统计，其中 7 0 年代至8 0 年代应用较广泛的有美国的c r a s h 3 和i m p a c 软件，c r a s h 3 软件为7 0 年代后期为估计汽车碰撞速度变化而开发出来的，i m p a c 软件是通 过汽车碰撞事故的再造来研究汽车的碰撞过程，c r a s h 3 和i m p a c 的数学模 型是相似的，只是计算顺序相反，i m p a c 软件采用正推算法，从碰撞前的情 南京理工大学硕士论文6 !：盏主垫塑室全壁堡堡一 况来解决碰撞后的情，c r a s h 3 软件则采用正推算法的逆过程，称为逆推算 法。目前具有代表性的几个商业化软件有美国c a l s p a nc o o p e r a t i o n 开发的 图2 1 1 被动安全性研究领域 c a l 3 d 软件；荷兰t n o 开发的m a d y m o 软件；美国l a w r e n c el i v e m o r e 国 家试验室开发d y n a 3 d 软件；法国e s i 公司的p a m c r a s h 软件。这些软 件根据建模方法和功能的不同，可分为两类：一类是c v s 碰撞伤害模拟软 件，这类软件采用多刚体系统动力学理论建模，主要用于模拟碰撞事故中乘员 与环境的相作用，c a l 3 d 和m a d y m o 就属于这一类；另一类是采用显示有 南京理工大学硕士论文 兰：塑主堡塾室全丝堡姿 限元理论建模，主要用描述车身结构的抗撞性，这一类以d y n a 3 d 和p a m c r a s h 为代表。这些软件的共同特征就是能够进行车身结构碰撞大变形模拟 和标准假人在碰撞过程中的动态响应分析，还可对法规碰撞试验进行计算机仿 真。这些功能强大的软件包在安全车身开发、碰撞受害者保护措施优化、人体 生物力学、碰撞试验用标准假人开发等工作中发挥了很大的作用。 由于真车碰撞试验要浪费大量的人力、财力、物力，因此汽车碰撞更适合 采用“虚拟显示”v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 这一手段，这是一个新兴的领域，它 是通过计算机及相关的装置，利用逼真的图像、声音、触感等虚构尚未实现的 事件和过程，以便分析其实用性和可行性，为科学研究提供更完善和广泛的手 段。随着v r 技术的发展，在不久的将来就可以构造出异常逼真复杂的汽车碰 撞事故情景。 2 2 汽车被动安全性试验 2 2 1 汽车被动安全性试验分类 对于汽车安全性的评价主要是确保乘员的生存空间、缓和冲击、防止火灾 等。基于以上述目的，试验方法可分为四大类：实车碰撞试验、台车冲击试 验、试验台上的冲击试验、静态强度试验。 实车碰撞试验是以交通事故再现的方式，以乘员保护为出发点，来解析 车辆碰撞前后人与车的运动状况及伤损情况，并以此为依据来改进车辆结构安 全性设计，增设或改进车内乘员保护措施。由于它与真实事故情况最为接近， 其试验结果最有说明力，所以，它是综合评价汽车碰撞安全性的最基本、最有 效的方法。台车冲击试验对实车撞车试验的模拟，用于乘员保护装置的性能评 价和零部件的耐惯性力试验。这种方法再现性好而且试验费用低。试验台冲击 试验是对车辆的某一零部件进行，评价其抗冲击性能。 南京理工大学硕士论文 兰：童主夔垫室全丝绫鲨 实车撞车、台车和试验台的冲击试验都是动态试验，用它们进行评价时， 现象的再现性、测量方法、分析方法及精度都存在很多技术难题。静态强度试 验是分析各种动态试验及事故再现试验等测得的对象部件或零件上产生的负 荷，把它换算成静负荷，然后评价其强度的模拟试验。 2 2 2 汽车实车碰撞试验的分类 在被动安全性试验中，实车碰撞试验由于与事故情况最为接近，因此它是 综合评价车辆安全性能的最基本方法。其他三种试验方法都是以实车试验的结 果为基础确定试验条件的。 实车碰撞试验按实验手段可以分为：固定屏壁撞车试验、移动屏壁撞车 试验、车列车撞车试验、翻车试验。固定屏壁撞车试验是试验车以指定的速度 对坚固的固定屏壁碰撞的试验方法，它在实车碰撞试验中具有最高的稳定再现 性。移动屏壁撞车试验是试验车静止，用移动屏壁撞击车辆的方法，对追尾和 侧面撞车的车辆进行安全性评价时广泛应用这种方法。有时为了再现实际发生 的事故，常采用车对车撞击试验，这种方法虽然真实反映了事故，却要浪赞大 量的人力、财力、物力。翻车试验主要是为了评价当发生翻车事故时乘员生存 空间的确保程度以及乘员依赖于玻璃破损、开门等脱离方法从车内脱出的程 度。 汽车碰撞事故按碰撞形态可分为正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞和翻滚等 几种类型。按照碰撞形态论，正面碰撞和侧面碰撞为最主要的形态，这其中正 面碰撞事故是最常见且造成伤亡人员最多的新式。美国f m v s s 2 0 8 法规碰 撞时乘员的保护，统一规定了碰撞车速为4 8 3 k m h ，固定壁为硬壁障时， 碰撞形式有三种：a 正面碰撞( 车辆纵轴线与碰撞用固定壁表面垂直) 。b 左 3 0 0 角斜碰撞( 车辆保险杠与碰撞壁障表面成3 0 0 角，碰撞车辆左端与碰撞壁障 先接触) 。c 右3 0 。角斜碰撞( 车辆保险杠与碰撞壁障表面成3 0 0 角，碰撞车辆右 端与碰撞壁障先接触) 。 南京理工大学硕士论文9 2 汽车被动安全性综述 2 3 汽车碰撞中的乘员保护要求 2 3 1 人体伤害机理 由大型交通事故的冲撞种类研究表明，在有乘员伤害的汽车事故中，绝大 部分都是正面碰撞，当汽车发生碰撞事故时，乘员最容易受伤的部位是头部、 胸部和腹部。其伤害主要原因是“第二次碰撞”，即人体首先向前移动，膝盖 撞到仪表盘下部，小腿和踝关节受到冲击，接着全身向前上方抛起，胸部撞到 方向盘，头部撞到挡风玻璃。 日本科学技术厅交通事故综合研究所曾经用模型人进行过一次实车碰撞试 验，用高速摄影机记录模型人的位移。其结果为：( 1 ) 车速为l o k m h 时，碰 撞加速度在1 0 9 以下，模型入与车内物体无碰撞，可保持原来的座姿。( 2 ) 车速为l5 k m h 时，碰撞加速度在2 0 9 ，模型人被坐着抛起来，头部碰到车顶 棚，前排座上的模型人头部撞到挡风玻璃上，撞击加速度约为5 0 9 。( 3 ) 车 速为2 9 k m h 时碰撞后，后排模型人被抛起，膝部和上半身被撞到了前排椅 背上，助手座上的模型人头部撞到了挡风玻璃窗的上窗框上，胸部和腹部撞到 了仪表盘上，驾驶席上模型人胸部顶在转向盘的下边缘，将转向盘撞坏，头部 和颚部撞在转向盘上边缘上，撞击加速度约为9 5 9 。 ( 4 ) 车速为4 9 k m h 时， 撞击后，后排座上的模型人全部撞在前排座上，助手座上的模型人头部把挡风 玻璃撞碎，撞击加速度可达1 1 0 9 ，胸部和腰部把仪表盘撞坏，坐在驾驶席上 的模型人要受到加速度为1 5 0 9 的冲击，把转向盘撞坏。以上试验表明了：在 没用任何保护措施的情况下，一旦发生碰撞事故，人体将受到严重的伤害。 2 3 2 人体的损伤指标 交通事故中人员的受伤程度可以按照国际标准分类法a i s 值( a b b r e v i a t e d i n j u r ys c a l e ) 进行评价。简明受伤分级a i s ，是由美国医学协会一个专门委员 会在7 0 年代初针对汽车安全性而制定的标准，这个标准在美国已应用多年， 南京理工大学硕士论文1 0 ， ! ：童主熊垫室全堡堡姿一 并经过若干次修订，许多国家亦相继沿用这个标准。根据这个标准，碰撞受伤 者身体每一处均用下列数码级进行评价：l 一轻微、2 - 中等、3 - 较重( 一般无生 命危险) 、4 - 严重( 有生命危险，但可以救治) 、5 - 垂危( 难以救治) 、6 - 致 死( 在2 4 小时内发生，无法救治) 等，简明受伤分级只是较粗略的估计。有 c w g a d d 研究出的人体损伤严重性指标s i ( s e v e r i t yi n d e x ) 以及由此而发展 v a r s a c e 提出的头部损伤指标h 1 c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) ，为许多国家的安 全法规或标准所采用。 f i 田= l 爿( f ) ”d t ( 2 3 2 1 ) i n 其中：t o 、t i 为撞击过程的始末时间，a ( t ) 为合成加速度，r l 为加权系数。 1， 25 胱= ( 志j a ( t ) d t ( ，2 一) i t l a 。 ( 2 弛2 ) z。i f 其中：t 1 t 2 分别为撞击过程中的任意两个时刻，a ( t ) 为头部质心合成加速 度，用g 的倍数来表示 2 3 3 乘员的保护要求 世界各国根据人体的安全标准纷纷制定了一些汽车碰撞过程中的损伤指标 极限，美国的联邦机动车安全法规f m v s s 分为三个系列，1 0 0 系列为预防事 故发生，2 0 0 系列为碰撞过程中的乘员保护或减少伤害，3 0 0 系列为减少事故 后的灾害。作为整车碰撞最终试验的法规标准，主要有三项指标：汽车乘员碰 撞保护( f m v s s 一2 0 8 ) ；防止转向机构对驾驶员的伤害( f m v s s - - 2 0 4 ) ； 汽车碰撞时燃油的泄漏( f m v s s - - 3 0 1 ) ，这些法规要求整车以4 8 3 k r n h 的车 速正面碰撞固定壁然后进行各种测量分析。其中f m v s s - - 2 0 8 系列中规定 如下： ( 1 ) 头部伤害指数h i c 三1 0 0 0 ( 2 ) 胸部在3 m s 内的合成加速度 6 0 9 ，胸骨相对于脊柱的变形6 7 6 2 m m 南京理工大学硕士论文 ! ：塑主夔垫室全壁堡姿 ( 3 ) 大腿骨轴向力f 1 0 k n 出此，在考虑汽车被动安全性问题时，汽车结构设计中要满足以下基本要 求按其重要性排序为： ( 1 ) 具有必要的生存空问 ( 2 ) 小的乘员减速度值 ( 3 ) 有大面积的能量吸收接触区 ( 4 ) 约束系统作用的保证率 ( 5 ) 有效的乘员保护 ( 6 ) 燃烧装置的密封性 各汽车公司为了满足上述要求，均采取了大量措施，例如使转向轴在一定 条件下可以与转向盘装置脱开，用以减小发生前部碰撞时其向后移动：燃油箱 放在冲撞变形区之外：对转向盘、门内蒙皮、脚踏板都采用软质材料，如木头 等制的吸能覆板等，但目前最主要的保护措施是安全带和防撞气囊系统，欧洲 各国相继颁布了强制使用安全带法。1 9 8 9 年，在美国，装车并投入的自动约 束系统有自动安全带和气囊两种，他们都满足f m v s s - - 2 0 8 的要求。 2 4 汽车被动安全性保护装置 汽车被动安全装置是在事故发生后为了减轻事故后果而设置的。他可分为 两大类：( 1 ) 安全车身结构( 包括“经得住碰撞的车身”和“吸收冲击的保 杠”) ，其设计原则是：使乘客舱有较大的刚度，碰撞时可减小变形；使前部 发动机舱和后部行李箱刚度相对较小，以便在碰撞时产生变形吸收能量； ( 2 ) 乘员保护装置包括座椅安全带、安全气囊、安全转向柱和头枕。下面就 乘员保护装置进行介绍。 南京理工大学硕士论文 1 2 ! ：童至熊垫塞全丝堡鲨一 2 4 1 安全带系统 为保护汽车乘员免受碰撞伤害，国外从6 0 年开始，就已在轿车上普遍安 装了座椅安全带以提高了汽车碰撞时的安全性它将人体用高强度的织带约束 在座椅上，避免撞车事故发生时，人体由于强大的惯性而摔出车外或与车内其 他部件发生第二次碰撞而造成伤亡。在一般的3 0 k m h 的正面碰撞中，安全带 可约束驾驶员不与转向盘和仪表盘发生二次碰撞。大量的研究和调查证明：安 全带是最有效的保护装置。为此，世界各国都将使用安全带列入汽车安全法 规。美国制定了第f m v s s 2 0 9 、2 1 0 号标准；欧洲经济委员会( e c e ) 制定了 r 1 4 和r 1 6 法规：日本制定日本道路运输车辆安全法规第2 1 、2 2 号；我国制 定的g b l 4 1 6 6 、g b l 4 1 6 7 强制性法规，规定驾驶员必须系安全带。 安全带有两点式肩带、腰部安全带、三点式安全带等。安全带系统的最新 和最重要的进展，是解决了安全带带松的问题，即用张紧器产生必要的压力， 从而在带松的情况下，通过滚轴的绳索传动，把安全带张紧。 在如何提高安全带利用率方面，存在两种观点，并因而产生了两种不同的 解决方法。一种观点认为：安全带利用率低重要是因为使用不方便。乘员上车 后，要进行一系列的扣带安全带的动作，下车后又要解脱，令人感到麻烦。因 此，为了提高使用方便性，要研制出一种上下车时不需要乘员做任何操作即可 自动约束系统，当汽车碰撞时，不需乘员做任何动作即可自动对乘员提供保 护。另一种观点认为，乘员不重视安全，存在侥幸心理是利用率低的主要原 因。与其费力、费钱搞自动约束系统。不如使用强制手段迫使人们使用现有的 手动安全带，这种方法成本效益最佳。 在欧洲，持第二种观点的人最多，因此，欧洲各国相继颁布了强制使用安 全带法( 如：不使用则罚款) ，使手动安全带的使用率明显提高。在英国和德 国，安全带的使用率已超过9 0 。与此同时，欧洲还致力于提高安全带的保 南京理工大学硕士论文 1 3 2 汽车被动安全性综述 护性能，如在紧急锁止卷收器内装一电子打火装置，汽车碰撞时，该装置触动 气体发生器，气体压力推动气缸活塞，迅速拉紧安全带，约束人体。 在美国，持第一种观点的人很多。1 9 8 4 年，美国运输部国家公路交通安 全局( n h t s a ) 在f m v s s 2 0 8 中就增加了这样的内容：从1 9 8 6 年9 月1 日 起，在美国销售的轿车，必须逐年增加安装( 在前排外侧座位) 乘员自动约束 系统的比例。到1 9 8 9 年9 月1 日后要全部安装，这条规定大大推动了美国汽 车制造业对乘员自动约束系统的研制。1 9 8 9 年，在美国，装车并投入试产的 自动安全约束系统有安全带和气囊两种，他们都满足f m v s s 2 0 8 的要求。这 种自动安全约束系统要求车门关上之后，安全带等就自动处于约束乘员位置。 本文所用的安全座椅正是基于自动安全约束要求应运而生的。 安全带系统由于安装方便，价格经济，故成为当前普遍使用的被动保护装 置。但他还存在一些局限性，由于安全带束缚躯干，人的头部向前伸，使颈部 受到极大的冲击，安全带与身体接触部位承受一定的载荷。且在碰撞加速度较 大时，由于人体“下沉”效应，会发生安全带压迫腹部或卡住颈部的现象，容 易对乘员造成致命的伤害。 2 4 2 安全气囊系统 车用安全气囊的防冲撞损伤效果，目前已被人们普遍认识，并成为了9 0 年代汽车技术的热点。研究证明：装有安全气囊的汽车在碰撞时可减少2 3 的死亡数，配有安全气囊的驾驶员在车祸中面部受伤可减少7 5 ，安全带与 安全气囊配合使用，可使乘员在汽车碰撞时减少9 0 的伤害。美国、欧洲和 日本等国的各大汽车厂家在9 0 年代均把汽车安全气囊作为了大多数汽车的标 准件。 汽车安全气囊系统是由三个重要部分组成：一是安全气囊、充气装置、气 体过滤装置：二是电子控制器、触发装置、传感器、连接插头、导线、监控 南京理工大学硕士论文1 4 ! ：童主塑塾室全：堕堡蓬 一 器，在某些情况下还要有提供电压保护的装置及储备f g n ；三是转向盘或仪表 盘上的气囊安装位置，以及其他重新布置的内饰件，以免在发生正面碰撞时使 气囊的展开受到干扰。 在汽车行驶过程中，传感器不断的向电子控制器发出汽车速度变化的信 息，中央电子控制器不断的加以分析、判断，如果所测的数值超过了预定值并 作用一段预定时间，或已判明确系发生碰撞，则电子控制器将向气体发生器发 出点火引燃的指令。于是，气体发生器点火引燃，产生气体，并经充气器过滤 降温，吹胀气囊。气囊上带有一定数量的泄放孔，它的作用是让气囊内的气体 从气囊背部的孔排出，起到缓冲作用。整个动作用时3 0 6 0 m s 。 安全气囊防止驾驶员与转向盘、成员与前壁板等硬表面相撞，在很大面积 上支撑了人的头部和上身，并能为安全带接触部位减载，同时减小头部转动。 然而由于气囊充气占据一定的体积，在一些情况下妨碍了驾驶员的视线，反而 造成更大的伤害，同时减小了生存空间；另一方面气囊充气物质含毒性，且温 度较高，释放后易引起驾驶员灼伤。 2 4 3 其它被动安全保护装置 两车高速相撞时，巨大的能量很容易导致转向柱、转向盘后移，从而使驾 驶员的头部、胸部撞到转向盘或前玻璃窗上，为减轻这种伤害，近年来多采用 可吸收能量的安全转向柱。此外，头枕在汽车后部受到撞击时能限制人的头部 向后运动，避免脊髓受损导致截瘫。当汽车受到正面碰撞时，后排的乘客也有 可能撞到前排座椅的头枕，此时，头枕可起到缓冲作用。在追尾碰撞中，乘员 相对车体向后运动，导致安全带与人体之间有较大间隙，当乘员从靠背上回弹 后，将与织带发生碰撞，引起乘员受伤。为解决这一问题，现在已经开发了整 体约束座椅，在这种结构中安全带固定点都在座椅上，无论在什么情况下，安 全带都会随着座椅的运动始终约束和保护乘员。 南京理工大学硕士论文1 s ! ：直主丝垫室全。堕堡姿一 2 5 汽车被动安全性发展的未来趋势 今天s 3 e ( s a f e t y ，e c o n o m y ，e n e r g y ，e n v i r o n m e n t ) 即安金、经济、节 能、环保的观念深入人心。汽车安全、环保和节能成为当今汽车发展的三大问 题。为解决不断困扰汽车结合人类社会的汽车安全问题，各国控制汽车安全的 技术法规不断追加和加严。使汽车被动安全技术呈现日新月异的态势，未来汽 车被动安全性技术呈现以下趋势： 车内外的全面保护。人们已经把汽车各个局部安全措施的关注提高到了一 个整体的层次。比如；7 系列的宝马已具用6 个安全气囊，包括2 个前碰气 囊、2 个侧碰气囊和2 个头部保护气囊。现在安全气囊不仅出现在了侧面，西 门子公司甚至开发出了足部气囊，使一致认为不会致命的部位也得到了保护。 车外碰撞气囊也正在研制中，这种气囊可对行人加以保护。 被动保护装置的智能化，在乘员约束方面，值得一提的是未来的智能约束 系统。其基本思维是尽可能的收集和利用乘员形体位置及撞车类型和撞车速度 的数据，建立数据库，对某一碰撞中获得的乘员和车的有关信息进行判断识 别，调整约束系统的性能参数，是人体获得最佳的保护。如：智能化气囊，通 过增加传感器，判断乘员是儿童还是成人，以及坐姿及安全带状况，然后经计 算机分析，合理控制气囊的展开时间和强度，以减少安全气囊对人员的意外伤 害。这种智能气囊已在g m 、丰田和t r w 公司、福特、日产等的研究计划 中。 南京理工大学硕士论文1 6 3 汽车安全座椅的研究 3 汽车安全座椅的研究 3 1 安全座椅的概念 迄今为l l ：，绝大多数汽车乘员安全保护皴筠：都绕糟“i ! f ? l e 不动”的座椅 划乘员实施约束，人都是处于“被动” 的等待保护地位，撞车时乘员没有主 动避让。是否有人想过，搅车时设法 使乘员随彳j ：胁楠| ：动运动，积极倮护 n 已? 茭闻人机：f ：襁公司总经理赫 克托摩伯在动态平衡概念的基础上， 发叫了了一种新式座椅一一反m 平 撕运动( c b m 一一c o u n t e 卜b a l a n c e d m o t i o n ) 座椅，在被动安全防护方而 刊册独j 蹊径，从狱动争取了主动。 图3 1 1 ：c b m 座椅工作原删! 当汽年在m 常行驶时，c b m 于其他普通座椅没什么l 则皿区别，它的独特之 处在于：下部有一对下凹川j 线型滑轨( 如图3 1 1 ) ，滑轨的l i 线形状是根据人 体t l ij _ i _ u c tj j 的： 犬态，鸭。i 合汽车内 i | i 空州形状决定。c b m 胜椅设计以速度瞬心为 ! 占i i i i ，而速度瞬心山每辆汽车的内部空问形状决定。在汽车碰撞时，乘员和座 榆组合仆沿i 线型滑轨运动，或彬既绕浆一速度“瞬心”转动，结果使膝黼阳 l ：j 行越远7 仪表扳，l ：使人1 木陷入座椅底部f | j “深芥 l hu i 】l l - b 向后例， 从而反向抵消人的1 j i 冲运动。 c b m 座犄不仅在汽车正常行驶条件下能够调节到人的最佳舒适位置，而且 作蛳1 i 州能够显示 i ；最大优点。普通座椅的坐挑形状耵i 靠背倾们等的渊：只 考虑了i 协止n 0 舒适性，但这种座椅剥撞7 i - h j 的动态状况不能做任何反应。安 全；特、膝垫或气囊无疑能保护人体，但这些装爨不可能使其缓冲性、刚度或作 南京理工大学硕士论文 3 汽车安全座椅的研究 用力变更，以适应各种撞车情况的要求。因而这些装置导致乘员骨盆、脊柱、 大腿骨折和面部受伤的实例屡见不鲜。 使用c b m 座椅，人体会连同座椅一起产生运动，对碰撞运动和气囊的膨胀 等做出积极的“退让”，而不是消极被动的“等待约束”，因而可减轻安全带、 气囊和汽车本身对人体的伤害。显然，由于c b m 座椅的反向平衡作用，在设计 时还可进一步降低安全带、膝垫或气囊等安全装置的作用力。 1 9 9 8 年在德国斯图加特举行的国际车身工程会议举行的国际车身工程会议 上，塞伯指出，滑车试验表明，使用c b m 座椅可以使头部伤害指数h i c 值减 小4 0 ，使头部、胸部和躯干下部的加速度减小2 0 一3 5 。在计算机上用 m a d y m o 软件模拟演示表明，经过进一步优化，该结构还可有效的减小人体 所受的伤害。 3 2 安全座椅专利u s 5 8 1 0 4 1 7 a 的原理 图3 2 1 ：u s 一5 8 1 0 4 1 7 - a 安全座椅结构图 a 南京理工大学硕士论文1 8 ( 图3 2 2 ：u s 5 8 1 0 4 1 7 a 安全座椅工作原理图) 安全座椅这个概念只是近几年才提出，国内的许多座椅专利所含有的乘员 被动安全性保护内容。基本上都围绕着如何改善乘员乘坐舒适性，头枕的设计 以及安全带锁紧装置的设计，它们的共同前提是座椅“静止不动”，目前尚无 与c b m 安全座椅相关的专利( 即在发生汽车碰撞时，座椅没有反向平衡运动) 。 经多方查找，在欧美汽车座椅专利中，找到几个与c b m 安全座椅相似，却不完 全相同的专利，例如：u s 一5 8 1 0 4 1 7 a 、e p 8 7 8 3 4 8 、d e 一3 3 3 7 2 3 2 等等。他们都 是在汽车发生碰撞的瞬间，座椅向后移动或者翻转，以期达到被动之中求主动。 最后，经过比较分析，本文决定采用专利名为u s 一5 8 1 0 4 1 7 - a 的安全座椅作为研 究对象。 美国专利u s 5 8 1 0 4 1 7 - a ( a u t o m a t i cs a f e t yc a rs e a f sa n d s h e e t t y p es a f e t y b e l t ) 全名为汽车自动安全座椅及片型安全带，它具 有一套独特的机械装置和专门为该专利而设计的独特形状的安全带。这个专利 南京理工大学硕士论文- 1 9 ! ：墨奎塞全查塑塑堡壅 一 造价不高，结构简单( 通过简单的扭簧机构实现运动，采用机械式触发) ，安 全可靠。 这种自动汽车安全座椅的设计目的是：汽车发生正面碰撞时，通过该装置 尽可能的减小汽车碰撞造成的伤害。当汽车发生碰撞时，座椅椅背在弹簧及各 种专门设计的机械机构 的作用下，椅背由于惯性 力的作用，先向前运动， 运动到某个位置时，很快 向后倾倒，座椅上的驾驶 员或乘员的上躯干被专 门设计的安全带约束并 紧固在座椅上，随着座椅 的翻转而向后倾倒。与此 同时汽车在正面碰撞中 前部产生的高度变形，导 致了车内的方向盘、转向 柱和仪表盘向内部发生 变形，同时方向盘也向下 图3 2 3 ：u s 5 8 1 0 4 1 7 a 安全座椅机构侧视图 变形，这时车内乘员的生存空间变小，但是通过该安全座椅的避让，避免了乘 员的头部、颈部、胸部和骨盆与车内变形的部件( 如：转向盘、仪表盘等) 部 件碰撞；此外，安全座椅的最初的向前运动产生的座椅正向加速度可以抵消汽 车碰撞的负向加速度的最大峰值，随后进行的向后翻转运动虽然有增大负向加 速度的趋势，但此时已越过了汽车碰撞的负向最大峰值，所以整个过程起到了 缓冲乘员头部、胸部的加速度以及耗散和吸收汽车碰撞时对乘员的冲击能量的 作用，有效的避免或减小了乘员的脑损伤和胸部伤害。该安全座椅专利设计不 仅有 i i 排座椅上乘员保护，而且还考虑了后排座椅上乘员的保护，二者在原理 南京理工大学硕士论文2 0 ! ：壅圭室全蹩塑塑塑塞 一 上基本相同，只是在机械结构上存在着细微的差别，由于本文研究内容只是考 虑前排座椅上乘员的响应，故对后排座椅结构不作额外叙述。 圈3 2 1 为u s 5 8 1 0 4 1 7 安全座椅的结构示意图，图3 2 2 为，发生汽车正面 碰撞后，该机构对乘员的提 供的保护状况图，从图中可 看到，乘员身体已经远离了 车内的方向盘和仪表盘。图 3 2 3 为该机构的机械结构 图，图3 2 4 为与该机构相 配合的安全带设计图。 该安全座椅机构为一 个简单的扭簧联动机构。如 图3 2 3 ，座椅的整个翻转动 作由扭簧2 3 4 来实现如图 所示扭簧一端缠绕在座椅 f i g 3 0 图3 2 4 ：u s 5 8 1 0 4 1 7 a 安全座椅的安全带 椅背侧面2 1 4 的转轴2 2 1 上，扭簧的刚度很大，当汽车发生正面碰撞时，此时 汽车的加速度远远超过正常情况( 包括紧急刹车) 下的加速度，椅背2 1 4 受到 了一个很大的加速度冲击惯性力，座椅首先绕着转动中心2 2 1 向前方翻转，由 于扭簧的压缩，座椅到达某一位置时，在扭簧回复力的作用下，座椅向后方翻 转，从而避免了与车内部件发生二次碰撞，减小和缓冲了人体头部、颈部和胸 部加速度，实现对乘员的保护，扭簧另一端穿入滑块2 4 3 上与之形成滑动副， 滑块2 4 3 又与滑槽2 4 2 形成了滑动副，三个简单的运动副就可以完成整个翻转 动作。为了防止安全座椅无限制的向前或向后的翻转，如图3 2 1 ，专利中增加 了几个限位机构： ( i ) 弹簧缓冲吸能限位机构由弹簧3 3 4 、调控螺母3 3 l 、调整螺栓3 3 2 和角 度标尺3 3 6 组成，为了限制座椅的向后倾倒角度，事先根据角度标尺3 3 6 ，调节 南京理工大学硕士论文2 1 ! ：童奎室全壁煎塑竺窒一 螺栓3 3 2 ，获得乘员自己所需要的椅背倾倒最大角度，汽车发生正面碰撞时，当 椅背到达向后翻转的极限角度时，椅背底部2 1 4 与弹簧3 3 4 发生接触，限制了 椅背继续向后运动。与此同时椅背2 1 4 通过压缩弹簧3 3 4 ，缓冲和吸收座椅的冲 击能量： ( 2 ) 缓冲向后运动的弹簧机构由弹簧3 2 0 、3 2 1 、3 2 2 组成，为了防止安全 座椅向后翻转太快，弹簧3 2 0 和3 2 1 与椅背2 1 4 底部接触，当椅背向后翻转时， 弹簧被压缩，对椅背形成一个反力矩，减缓了座椅的向后运动趋势，在机构中 起到阻止运动的作用： ( 3 ) 向前限位机构由弹簧3 0 9 、3 1 0 以及杠杆3 0 8 等组成，扭簧2 3 4 刚度选 取合适，正常碰撞情况下，椅背不会超过前方最大位置，为了防止座椅在特定 情况下( 如：汽车碰撞加速度非常大时) ，向前翻转超过极限位置，专利对向 前运动作了