（车辆工程专业论文）轿车碰撞性能试验分析及车身结构安全性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车碰撞安全问题在当今社会已经越来越受到人们的关注，而在汽车碰撞过 程中，发生几率最高的是汽车前部和侧面碰撞。本文讨论分析了国内外关于汽车 安全的法规和试验方法、汽车被动安全的研究方法、取得的最新成果及发展动态。 以具有代表性的车身正面碰撞加速度波形为研究对象，对正面碰撞加速度波形与 乘员伤害指标相关性进行了分析，确定了碰撞加速度波形与乘员伤害指标的关 系。对汽车结构基础件薄壁管件的碰撞安全性进行了研究，重点讨论了管形、 管材厚度、预变形设置等影响因素。前纵梁主要依靠其弯曲变形和压溃变形吸收 碰撞能量，是车身主要吸能零件。可通过对前纵梁的结构进行优化取得理想的车 体碰撞加速度波形，从而提高车体结构的碰撞性能，降低乘员的伤害指标。为取 得理想的碰撞加速度波形和保证乘员空间完整性，对汽车前纵梁碰撞最大变形量 的控制、前纵梁碰撞吸能结构合理的变形模式、前纵梁碰撞吸能结构变形次序、 保证碰撞吸能结构的有效性进行全面控制。对约束系统部件的功能进行了研究， 讨论了不同车身结构的约束系统匹配问题，提出匹配设计方法。分别对转向机构 和安全气囊的碰撞吸能进行研究。通过对约束系统的选择匹配，来综合改善乘员 保护。最后通过对一车型侧面碰撞性能改进的过程分析，对车身结构的侧面碰撞 性进行了分析和研究。 关键词：汽车，碰撞安全性，加速度波形 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s si sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n di nt h ep r o c e s so f v e h i c l ec o l l i s i o n s ，t h eh i g h e s tp r o b a b i l i t yo fo c c u r r e n c ei st h ef r o n ta n ds i d e t h i s p a p e rs t a r t sw i t l ld i s c u s s i n gr e g u l a t i o n s ，m e t h o d sa n dd e v e l o p m e n tt r e n df o rv e h i c l e p a s s i v es a f e t y b a s e do nl o t so ft e s to ff u l l 丘o n t a lc o l l i s i o n s ，t h i sp a p e rg e t sc o r r e l a t i o n b e t w e e nf u l lf r o n t a li m p a c ta c c e l e r a t i o np u l s ea n do c c u p a n ti n j u r ye r i t e r i ab ya n a l y s i s o ff r o n t a li m p a c ta c c e l e r a t i o np u l s ea n do c c u p a n ti n j u r yc r i t e r i a t h ep a p e rs t u d i e s s t r u c t u r a lc r a s h w o r t h i n e s so ft h ef r o n tr a i l ，w h i c hw a sa f f e c t e db yt h ef a c t o r so fs h e l l t h i c k n e s s ，c r o s s s e c t i o na n dp r e - - d e f o r m a t i o n ，n l ev e h i c l e sf r o n tr a i l sa l em a i n e n e r g y - a b s o r b i n gc o m p o n e n t sb yb e n d i n ga n dc o l l a p s i n g t a r g e ta c c e l e r a t i o np u l s ei s a c h i e v e dt oi m p r o v es t r u c t u r a lc r a s h w o r t h i n e s sa n dd e c r e a s eo c c u p a n ti n j u r yc r i t e r i a b yo p t i m i z a t i o no fv e h i c l e sf r o n tr a i ls t r u c t u r e t oa c h i e v ed e s i r e dc r a s ha c c e l e r a t i o n p u l s ea n do c c u p a n tc o m p a r t m e n ti n t e g r i t y , t h ec o l l a p s em o d eo ff r o n tr a i l ss h o u l db e c o n t r o l l e di nt h ee v e n to ff r o n ti m p a c t t h er e s t r a i n ts y s t e md e s i g nm e t h o di sp u t f o r w a r df o rd i f f e r e n tf u n c t i o n o c c u p a n tp r o t e c t i o nw i l lb ei m p r o v e db ym a t c h i n gt h e r e s t r a i n ts y s t e me f f e c t i v e l y a tl a s t ，t h i sp a p e rs t u d yv e h i c l es i d ec r a s h w o r t h i n e s sb y t h ep r o c e s so fs i d ec r a s h w o r t h i n e s si m p r o v e m e n to fav e h i c l et y p e k e yw o r d s ： v e h i c l e ，c r a s h w o r t h i n e s s ，a c c e l e r a t i o np u l s e 独创性声明 本人声明，所星交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人 已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 in 签名：名叁董里扣期。垒业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅l 学校可以公布论支的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文 t ( 保密的论事在解密后应遵守此规定) 签名i 龇师签名：白蚣日期：1 迎拿z 上 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车安全性研究的意义 从汽车出现的那一刻起，汽车的安全问题一直受到普遍关注，各大汽车生产 商及研究机构不断投入大量的物力、财力进行相关研究。汽车安全技术分为主动 安全和被动安全，主动安全主要包括汽车动力性、舒适性、操纵稳定性和制动性 等；被动安全就是发生事故后来尽量保护乘员和行人。被动安全性目前已经成为 汽车研究开发过程中必不可少的一个重要环节。 近几年来，中国汽车市场迅猛发展，机动车保有量逐年上升，截止到2 0 0 8 年年底，我国机动车保有量已突破1 6 8 亿辆，汽车保有量达到了6 2 8 9 3 万辆。 仅2 0 0 9 年上半年中国汽车总销量就突破了六百万台，增长速度达到1 7 7 ，一 举超过美国成为全球最大的新车销售市场。在轿车大规模进入家庭的拉动下，中 国汽车社会的雏形已经显现，越来越多的人实现了有车的梦想。在汽车消费繁荣 的背后，交通事故的发生却令人触目惊心。据公安部统计，我国交通事故死亡人 数连续十余年居世界第一，中国汽车保有量占世界的3 ，但交通事故死亡人数 却占世界的1 6 ，中国在迅速跻身世界汽车大国的同时，也尴尬地成为世界上交 通最为危险的国家之一。 中国道路交通情况复杂，人、车并行情况多，是世界上典型的以平面混合交 通为主的国家，道路交通伤害中死亡人数居世界前列。据中华人民共和国道路 交通事故统计年报( 2 0 0 8 年度) 数据显示，2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故 2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产损失1 0 1 亿元。2 0 0 9 年上半年，全国共发生道路交通事故1 0 7 1 9 3 起，造成2 9 8 6 6 人死亡、1 2 8 3 3 6 人 受伤，直接财产损失4 1 亿元。和发达的国家相比，中国的道路安全事故最高。 中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5 1 8 0 亿人民币，死亡率为9 人 万车，而欧美的这一数字则为3 人以下。我国道路交通事故伤亡人数长期在高位 徘徊，死亡人数多年来一直位居世界第一，新技术的研发意味着提升安全性能并 减少潜在的死亡事故，所以加强汽车安全性研究，有效减少道路交通事故伤害， 势在必行。 1 2 汽车碰撞安全法规发展现状 随着汽车工业的发展壮大，汽车安全已经成为汽车制造业和公共安全的一个 非常重要的问题。不同发达国家为减少汽车交通事故对人类造成的巨大损失，都 武汉理工大学硕士学位论文 对汽车碰撞安全性建立了的各自法规体系。总的说来，最具有代表性的汽车安全 技术法规有两大体系：美国和欧洲技术法规体系，各个体系有不同的特点。分别 是美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法规( e c e 和e e c ) 。 1 2 1美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 汽车安全在美国也受到了高度的重视，1 9 6 6 年国会通过了“国家交通和汽车 安全法”，由国家公路交通安全局( n h t s a ) 执行并负责修订，随后在原有的1 7 项中又增加了9 项，形成了f m v s s 的先导。 表1 1f m v s s 安全法规项 条款内容条款内容 乘员撞车体内饰件o c c u p a n t 保留r e s e r v e d 2 0 1 2 1 5 p r o t e c t i o ni ni n t e r i o ri m p a c t 顶部碰撞保护r o o f c r a s h 2 0 2 头部约束h e a dr e s t r a i n t s 2 1 6 r e s i s t a n c e 司机撞转向机构i m p a c t 公共汽车紧急出口和车窗定 2 0 3 p r o t e c t i o nf o rt h ed r i v e rf r o m 2 1 7 位及开启b u se m e r g e n c ye x i t sa n d t h es t e e r i n gc o n t r o ls y s t e mw i n d o w sr e t e n t i o na n dr e l e a s e 转向机构后移量 摩托车头盔 2 0 4 s t e e r i n gc o n t r o lr e a r w a r d 2 1 8 d i s p l a c e m e n t m o t o r c y c l eh e l m e t s 窗玻璃材料风挡玻璃区域的侵入 2 0 5 2 1 9 g l a z i n gm a t e r i a l w i n d s h i e l dz o n ei n t r u s i o n 门锁及约束部件d o o rl o c k 校车翻滚保护s c h o o lb u s 2 0 6 2 2 0 a n dd o o rr e t e n t i o nc o m p o n e n t sr o l l o v e rp r o t e c t i o n 座椅系统校车车身连接点强度s c h o o l 2 0 7 2 2 1 s e a t i n gs y s t e m s b u sb o d y j o i n ts t r e n g t h 乘员碰撞保护 校车乘员座椅和碰撞保护 2 0 8 2 2 2s c h o o lb u sp a s s e n g e rs e a t i n g o c c u p a n tc r a s hp r o t e c t i o n a n dc r a s hp r o t e c t i o n 安全带部件 追尾碰撞防护装置r e a r 2 0 92 2 3 s e a tb e i ta s s e m b l i e s i m p a c tg u a r d s 安全带固定点s e a tb e l t 追尾碰撞保护r e a ri m p a c t 2 1 0 2 2 4 a s s e m b l ya l l c h o r a g e sp r o t e c t i o n 2 1 1保留r e s e r v e d3 0 1燃油系统完好f u e ls y s t e mi n t e g r i t y 风挡玻璃安装w i n d s h i e l d内饰材料易燃性 2 1 23 0 2 m o u n t i n gf l a m m a b i l i t yo fi n t e r i o rm a t e r i a l s 儿童约束系统 压缩天然气汽车的燃料系统 2 1 3 3 0 3 完好f u e ls y s t e mi n t e g r i t yo f c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m c o m p r e s s e dn a t u r a lg a sv e h i c l e s 侧撞保护s i d ei m p a c t 压缩天然气燃料容器完好 2 1 4 3 0 4 c o m p r e s s e dn a t u r a lg a sf u e l p r o t e c t i o n c o n t a i n e ri n t e g r i t y 2 武汉理工大学硕士学位论文 美国联邦机动车安全法规是以减少汽车交通事故及减轻汽车碰撞事故过程 中乘员的伤害程度为目的，以联邦机动车安全标准的技术内容为核心的十分完善 的体系。可以说是世界上最完善的法规体系之一，它从各个方面规定了对车辆乘 员、路上行人的保护及车辆应该具有的避免事故的性能。如下表1 1 。 1 2 2 欧洲汽车安全法规 欧洲从2 0 世纪6 0 年代后期开始制定碰撞安全法规，到现在都已经形成的完整 的体系。欧洲一体化后，欧洲的e e c ( 欧洲经济共同体) 指令和e c e ( 联合国欧 洲经济委员会) 法规相继出现，前者是强制性的，后者是成员国任意选用的。但 e c e 法规已被大多数成员国所接受，并引入本国的法规体系中。 表1 2 现行欧洲e c e 和e e c 汽车碰撞安全性法规 法规编号 法规内容 适用车型 e c e e e c r 1 1_ o f 3 8 7 e e c 汽车门锁及车门保持件m ，n ，o r 1 21 4 f 2 9 7 e e c 碰撞中防止转向机构对驾驶员的伤害m l , n 1 r 1 4 7 6 11 5 e e c 安全带固定点 m n r 1 67 7 5 4 1 e e c 安全带和约束系统 m n r 1 77 4 4 0 8 1 3 e c 座椅、座椅固定点和头枕 m n r 2 17 4 6 0 e e c 内饰件m i r 2 57 8 9 3 2 e e c头枕 m i l 也67 4 4 8 3 e e c 外部凸出物m i r 2 9 商用车辆驾驶室乘员保护n r 3 2追尾碰撞中被撞车辆的结构特性 m l r 3 3 正面碰撞中被撞车辆的结构特性m l r 3 4火灾预防 m l r 4 2 车辆前、后端保护装置m l r 4 3 9 2 2 2 e e c 安全玻璃及玻璃材料 m ，n ，o r 4 4儿童约束系统 m i r 5 87 0 2 2l e e c 后下部防护装置及安装 n 2 , n 3 。0 3 ，0 4 r 6 6 大客车上部结构强度 m 2 ，m 3 r 7 38 9 2 9 7 e e c货车、挂车及半挂车侧面防护装置 n 2 ，n 3 ，0 3 ，0 4 r 9 49 6 7 9 e c正面碰撞乘员保护 m i r 9 59 6 | 强哐c 侧面碰撞乘员保护 m l ，n 1 2 0 0 3 10 2 e c行人碰撞保护 m i 1 2 3中国汽车安全法规 1 9 9 9 年1 0 月2 8 日，我国正式颁布了c m v d r2 9 4 关于正面碰撞乘员保护 武汉理工大学硕士学位论文 的设计规则，该设计规则适用于m 1 类车辆( 除驾驶员座位外，乘客座位不超 过八个的载客车辆) 关于正面碰撞时前排外侧座椅乘员保护方面的认证。并在 2 0 0 3 年将这个强制性设计规则升级为乘用车正面碰撞乘员保护的国家标准 ( g b l l 5 5 1 2 0 0 3 ) 。随后颁布了g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的乘员保护和 g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 乘用车后碰撞燃油系统安全要求国家标准。 目前，我国的汽车强制性标准体系在技术内容上主要参照欧洲e c e e e c 汽 车技术法规体系，少数项目参照美国f m v s s 和日本保安基准，这是我国汽车行 业多年来积极参加国际汽车标准、法规工作，深入研究国际先进汽车标准、法规， 并密切结合我国汽车工业发展的实际情况而做出的决策。 表1 3 中国汽车碰撞安全相关标准 标准编号法规内容适用车型 备注 g b l1 5 5 0 1 9 9 5 汽车座椅头枕的性能要求及试验方法m i修订中 g b l1 5 5 1 - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护 m i g b l1 5 5 2 1 9 9 9轿车内部凸出物 m i 修订中 g b l1 5 5 7 1 9 9 8 防止转向机构对驾驶员伤害的规定m i修订中 g b l1 5 6 7 1 9 9 8 汽车和挂车侧面和后下部防护要求 n 2 n 3 0 s 0 4 g b l 4 1 6 6 2 0 0 3机动车成年乘员用安全带和约束系统mn修订中 g b l 4 1 6 7 2 0 0 3 汽车安全带同定点mn修订中 g b15 0 8 3 2 0 0 6 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和m in 试验方法 g b15 0 8 6 - 2 0 0 6 汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验 m l n l 方法 g b l 7 3 5 4 1 9 9 8汽车前、后端保护装置 m l g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6汽车侧面碰撞的乘员保护 m l n l g b 2 0 0 7 2 - 2 0 0 6乘用车后碰撞燃油系统安全要求 m i g b t2 0 9 1 3 2 0 0 7 乘用车正面偏置碰撞的乘员保护m i g b 厂r 1 7 5 7 8 1 9 9 8客车上部结构强度的规定m 2m 3 汽车对行人的碰撞保护 m i 制订中 乘用车顶部强度 m i 制订中 商用车辆驾驶室内乘员保护 n 制订中 1 2 4 新车评价规程n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 汽车安全法规仅是国家或区域政府管理部门对汽车产品推向市场前，对汽车 产品安全性的所必须满足的标准最低要求，不能对市场上销售的汽车产品进行安 全性能高低进行评价对比。为此一些汽车行业性组织，把追求更高安全性为目标， 推出了n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) ，中文称为新车评价规程。它对定 4 武汉理工大学硕士学位论文 期将市场上出现的新车进行碰撞试验，它规定的实车碰撞速度往往比政府制定的 安全法规的碰撞速度要高，比国家强制性标准评价项目要求更多，更高；来对车 辆的安全性进行综合评价分级。从而在更苛刻的碰撞环境下评价车内乘员的伤害 程度，除对假人头部、胸部、腿部等主要部位的伤害程度进行考核，还对安全配 置进行加分，来对车辆的安全性进行综合评价分级。尽管n c a p 不是政府强制 性试验，但由于它代表性广泛、标准科学、试验严格、组织公正，直接面向消费 者公布试验结果，目前广大汽车消费者已接受了新车评价规程向消费者表示什么 汽车是安全的或是最安全的。 我国于2 0 0 6 年制定颁布了中国新车安全评价程序( c n c a p c h i n an e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) ，该规程目的旨在建立高标准、公正和客观的车辆碰撞安全 性能评价方法，以促进车辆技术的发展，追求更高的安全理念。汽车安全法规中 规定了达到政府规定的最低安全性能要求，n c a p 以更高的车速进行碰撞试验， 以展示汽车产品的碰撞安全性能。鉴于不同的碰撞试验方法对车辆安全性评价的 侧重点也是不同的，所以一个国家的碰撞安全法规直接影响生产厂家产品开发的 设计思想，各国在制定汽车技术法规时都要结合本国的实际情况，再加上政府管 理部门对汽车安全性的侧重点的不同，制定符合本国国情的汽车技术法规。我国 汽车碰撞安全法规和规则的不断逐步完善，对所有的汽车生产企业也都提出了更 高的要求。 1 3国内外被动安全研究现状 汽车安全一直是社会关注的重要问题。汽车交通事故造成的人员伤亡和财产 损失巨大，特别是人员的伤亡，对社会的经济秩序、社会稳定构成了严重危害， 因此要加强汽车碰撞安全性的研究。上世纪初一些汽车厂家开始采用简单的实车 碰撞试验，随后发展了台车模拟碰撞试验，8 0 年代随着计算机技术的不断发展， 以基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术得到了空间的发展，目前国外广泛采用 这一技术。 由于汽车碰撞是一综合复杂的过程，目前主要从汽车车体和乘员伤害两个方 面进行研究。对于车体的方面，主要从汽车车体的碰撞吸能性和乘员舱的完整性 进行，通过采用重量轻又具有良好的撞击吸能特性新材料的开发研究，使车体能 够适应从低速碰撞到高速碰撞的各种撞击吸能要求。对于乘员伤害的方面，主要 从乘员为主的二次碰撞特性研究出发。汽车碰撞事故的形态千差万别，所以对汽 车碰撞性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。经过多年的研究，在汽车 碰撞试验方法、标准碰撞试验假人、测量分析仪器和伤害评价方法等方面取得了 极大的成果。美国、欧洲和日本等汽车工业发达国家，通过汽车碰撞试验法规的 武汉理工大学硕士学位论文 强制实施，使汽车碰撞安全性取得了极大的改善。 由于有了国外的经验可供借鉴，国内开展汽车碰撞安全性的研究虽然起步较 晚，但发展也相当迅速。1 9 8 9 年，清华大学汽车系在黄世霖教授的带领下，首先 建立了国内第一个简易的实车碰撞试验设施。随后，天津汽车检测中心、东风汽 车公司、长春第一汽车等单位也先后建立了较为完善的汽车碰撞试验设施，开始 进行汽车碰撞试验，展开了对汽车碰撞安全性研究的相关工作。随着国家强制性 的汽车正面碰撞、侧面碰撞和追尾碰撞安全法规颁布实施后，国内各汽车生产厂 家开始重视对汽车碰撞安全性的设计研究工作。尤其是我国于2 0 0 6 年制定颁布了 中国新车安全评价程序( c - n c a p c h i n an e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 后，国内 各汽车生产厂家更加重视汽车碰撞安全性技术的发展，把追求更高的安全理念作 为企业的目标。同时国内各大学和研究机构进行了大量的计算机汽车碰撞安全模 拟分析，并采用了如p a r m c r a s h 、m a d y m o 、l s d y n a 等国外先进工程软 件，且取得了相当的成果。 总的说来，由于中国在汽车碰撞安全性这一领域的研究起步较晚，所做的基 础研究工作还相当有限，在各方面都有待于提高。 1 4 本文的研究内容与意义 本文对国内外汽车正面碰撞、侧面碰撞法规以及新车评价规程进行对比和研 究；介绍了实车碰撞试验设施；通过大量的碰撞试验数据分析，揭示出汽车不同 车身结构的碰撞特性。在分析多个车型的正面碰撞试验数据的基础上，确定了碰 撞加速度波形与乘员伤害指标的关系，能够指导正面碰撞中车辆加速度与约束系 统的匹配，为车辆的正面碰撞安全性改进提供了有效的方法。 汽车结构前纵梁对实际车辆的碰撞安全性设计具有重要的指导作用。因此对 汽车结构前纵梁薄壁管件的碰撞安全性进行了研究，重点讨论了管形、管材厚度、 预变形设置等影响因素。在汽车碰撞结构变形控制方面，本文首先分析了在正面 碰撞中主要变形吸能结构的弯曲失效，提出了抗弯梁的设计方法。对约束系统部 件的功能进行了研究，讨论了不同车身结构的约束系统匹配问题，提出匹配设计 方法。分别对转向机构和安全气囊的碰撞吸能进行研究，为约束系统匹配提供可 靠的依据。 最后通过对一车型侧面碰撞性能改进的过程分析，对车身结构的侧面碰撞性 进行了分析和研究，总结改进车身碰撞性能的方法和侧面气囊匹配的经验。为汽 车碰撞安全性的改进提高，提供确实可行的经验和方法，总结出有效的设计方法。 使我们设计的新车，在汽车安全性方面，不仅能满足国家强制性安全标准，同时 能在新车评价规程中取得最高的星级得分。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章碰撞试验法规和新车评价规程研究 汽车碰撞事故的形态千差万别，所以对汽车碰撞性能的评价也必须针对不同 的碰撞形态来进行。车辆的前部正面碰撞、车辆的成一定角度碰撞、车辆的偏置 碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞以及车辆的翻滚是汽车在交通事故中经常见的汽车碰 撞形式。在所有这些交通碰撞事故中，统计研究表明撞车事故发生率最高的是前 部碰撞，车辆发生前部碰撞的比率占到汽车碰撞交通事故一半以上。次之的是侧 面碰撞，车辆发生侧面碰撞的比率占到汽车碰撞交通事故的四分之一以上，参见 图2 1 【l 】，并且乘员也大多是在这两类碰撞事故中受伤或死亡，所以本文主要研 究正面和侧面碰撞。 5 3 4 ，7 3 7 图2 - 18 0 年代美国车辆碰撞发生部位统计【1 】 4 1 3 0 国外汽车标准法规主要有美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大体系。其它国 家的技术法规大多是参照上述两个法规体系制定的。美国联邦机动车安全法规 f m v s s 2 0 8 为正面碰撞法规，而相对应的e c e 正面碰撞法规为e c er 9 4 。美国 联邦机动车安全法规f m v s s 2 1 4 为侧面碰撞法规，而相对应的e c e 侧面碰撞法 规为e c er 9 5 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 碰撞试验法规 2 1 1 正面碰撞试验法规 f m v s s 2 0 8 标准由于是针对被动约束系统的，由于安全气囊在美国轿车上安 装十分普及，在f m v s s2 0 8 中规定的正面碰撞试验是o 。和3 0 。固定壁障碰 撞，在正面碰撞时前排座椅上的两个h y b r i di i i 假人是不系安全带的，从而要求 轿车必须安装安全气囊。对于系安全带的乘员，在安全带和安全气囊共同作用时 轿车的碰撞保护性能是由n c a p 试验来考核的( 5 6k n g h ，正面固定壁碰撞) 。 e c er 9 4 0 0 法规于1 9 9 5 年1 0 月实施，当时的碰撞试验方法：固定壁3 0 。 斜角碰撞，碰撞车速为5 0k r n h ，在斜面碰撞壁上安装了两块防滑装置，使车辆 在碰撞中的变形与实际事故更接近。从1 9 9 8 年l o 月起实施e c er 9 4 0 1 一变形吸 能壁障4 0 偏置碰撞( o f f s e tc r a s h ) 试验，并将碰撞车速提高到5 6k r n h 。日本 还是采纳了象美国那样的9 0 0 垂直碰撞试验方式。 1 9 9 9 年1 0 月中国制订了机动车设计法规c m v d r2 9 4 关于正面碰撞乘员 保护的设计规则。2 0 0 3 年1 1 月中国参照欧洲e c er 9 4 0 0 制订了g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护。中国的g b l l 5 5 1 2 0 0 3 碰撞方式为了9 0 0 垂直碰 撞方式。 表2 1 正面碰撞试验法规的试验方法对比 日本 法规号 f m v s s2 0 8e c er 9 4 0 1g b l l 5 5 l - 2 0 0 3 t r a i s l1 - 1 - 4 2 3 碰撞速度 4 8 3 k m h 5 0 k m h 5 6 k r n h5 0 k m h 量画 一 o 帕瞳t 蕞 回正面娃7 叵硒 i ( 驾t 员j 一 f 碰撞形式 噪i ；面娃7咧正哪 整备质量+ 行李+ 假整备质量+ 假人( 2整备质量+ 假人整备质量+ 假人 试验车质量 人( 2 个) 个)( 2 个)( 2 个) h 蛳di i i 第5 0 百y b r i di i i 第5 0 百h y b r i di i i 第5 0 百h y b r i d i i i 第5 0 百 试验假人 分位男性分位男性分位男性分位男性 假人位置前排座位2 个前排座位2 个前排庠位2 个前排座位2 个 座椅位置中间位置可适当向后调节中间位置中间位置 转向盘位置 中间位置中间位置中间位置中间位置 制动系统驻车制动松开 驻车制动松开驻车制动松开驻车制动松开 变速器档位 空档空档空档空档 门窗位置门窗关闭不锁止 门窗关闭不锁止 门窗关闭不锁止门窗关闭不锁止 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 侧面碰撞试验法规 侧面碰撞是仅比正面碰撞发生几率低的一种碰撞形式。汽车侧面碰撞法规的 目的是为了降低在侧碰事故中乘员受重伤和致命伤害的风险，以提高汽车侧砸碰 撞安全性。f m v s s 2 1 4 原先只是提出了对车门侧面进行静态压缩的试验，而后， 建立了新的模拟两车侧面相撞的动态碰撞试验方法。侧面碰撞法规e c er 9 5 是 1 9 9 5 年颁布实施的。1 9 9 8 年1 0 月1 日侧面碰撞的欧洲指令9 6 2 7 e c 强制执行。 日本的侧面碰撞法规采用了与欧洲相同的碰撞方式，1 9 9 8 年将侧面碰撞法规正 式纳入日本保安基准。从下表中可见，碰撞形式不同，移动壁障的台车质量、尺 寸以及吸能块尺寸、形状和性能不同；试验用侧碰假人不同；碰撞速度不同：碰 撞基准点的位置不同；乘员伤害指标不同。我国也是以e c er 9 5 蓝本制订的， 标准号为g b 2 7 0 0 1 2 0 0 6 。 表2 - 2 侧面碰撞试验法规的试验方法对比 法规号 f m v s s 2 1 4 ( 美国) e c e r 9 5g b 2 0 0 7 1 - 2 0 0 6 项目名称侧面碰撞乘员保护侧面碰撞乘员保护侧面碰撞乘员保护 台车纵轴线与被试车辆台车运动方向、台车台台车运动方向、台车台 碰撞形式垂直，台车运动方向与纵车纵轴线与被试车辆车纵轴线与被试车辆垂 轴线成2 7 0垂直直 碰撞速度5 3 9 k m h5 0 k m t - d ：l k m h5 0 k m k a ：l k m h 试验车质量 整备质量+ 假人+ 工具 整备质量+ l o o k g ( 包括整备质量+ 1 0 0 k g ( 包括 假人) 假人) 质量 1 3 5 6 k g9 5 0 k g9 5 0 k g 轴距 2 5 9 l m m3 0 0 0 m m3 0 0 0 m m 移 轮距 1 6 0 0 m m1 5 0 0 m m1 5 0 0 m m 动 离地间 障2 8 0 m m3 0 0 m m3 0 0 m m 隙 碍 宽度 5 5 9 m m 5 0 0 m m 5 0 0 m m 壁 吸能材蜂窝铝块蜂窝铝块蜂窝铝块 质 2 2 新车评价规程n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 安全法规仅是对汽车产品安全性的最低要求，而汽车生产企业追求的却是行 业上公认的n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) ，中文称为新车评价规程，它 是一个非官方、第三方、非盈利组织，定期将市场上出现的新车进行碰撞试验， 9 武汉理工大学硕士学位论文 比政府制定的强制性安全法规的碰撞要求高。因此各大汽车企业都非常重视 n c a p ，把它做为汽车安全性评价的重要评估依据。在n c a p 试验取得良好成绩 的厂家，也将试验结果做为产品推广的宣传内容。 n c a p 最早出现在美国，随后欧洲、日本也制定了相关的n c a p 。知名度最 高，最有参考价值的是欧洲的e u r o - n c a p 和日本的j n c a p 。欧洲n c a p 不依附 于任何汽车生产企业，所需经费由欧盟提供，不定期对己上市的新车和进口车进 行碰撞试验。欧盟实施的e u r o - n c a p 测试是这些法规中公认最为严格的，测试 内容包括正面碰撞( 正面偏置碰撞速度：6 4 k m h ) ，侧面碰撞( 碰撞速度：5 0 k m h ) 、 侧面柱撞( 碰撞速度：2 9 k m h ) 以及行人碰撞试验( 碰撞速度：4 0 k m h ) 。测试 的成绩通过由五个星级表示，星级越高表示该车的碰撞安全性能越好。 e u r o - n c a p 成绩是衡量车辆安全性的一个权威指标。 由于很多发达国家都开始建立本国的n c a p ，中国于2 0 0 6 年制定颁布了中 国新车安全评价程序( c n c a p c h i n an e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 。测试内容 包括4 0 重叠率可变形壁障撞击( 正面偏置碰撞速度：5 6 k m h ) ，侧面碰撞( 碰 撞速度：5 0 k i n h ) 、1 0 0 重叠率的刚性壁障碰撞( 碰撞速度：5 0 k m h ) 。各国n c a p 在组织实施方式、试验规程和评分方法上都有明显不同，具体内容见表2 3 。 表2 3n c a pl l 较 欧洲 美国 日本中国 e u r o n c a pu s n c a p j n c a pc - n c a p 正面完全壁障 5 6 k m h5 5 k m h5 0 k m h 被 碰撞偏置6 4 k m h6 4 k m h5 6 k m h 动侧面碰撞 5 0 k m h6 1 k m h5 5 k m h5 0 k m h 安 鞭打( w h i p l a s h ) ( d 发展中 全 柱撞试验 2 9 k m h 行人保护 发展中 主制动 ( ) 动操纵稳定动态 ( 彤 、， 安 性 静态 全 驾驶帮助系统 2 3 本章小结 本文主要对各种正面和侧面碰撞法规进行了对比分析，同时对不同国家的试 验要求进行了对比分析。1 0 0 正面碰撞试验主要考察约束系统的匹配，而偏置 碰撞试验考察车身的结构强度是汽车设计者在汽车设计阶段就要考虑的问题。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章实车碰撞设施和程序 由于实车碰撞是破坏性的、不能重复进行、瞬时发生的猛烈冲击试验。为了 采集准确的试验结果，要求试验设备必须准确无误地地记录下车辆和乘员在碰撞 时的运动状态、破坏形态及伤害相关的动力学响应。因此，建造一个实车碰撞试 验系统需要大量的资金。如图3 1 是日本汽车研究所( j 铷r i ) 的实车碰撞试验室， 一个较完善的实车碰撞试验室应包括：假人标定室、电测量系统、碰撞区、牵引 系统、浸车环境室、光学测量系统、测量分析室等，下面对主要设施作一简介。 3 1碰撞区 图3 - 1 实车碰撞试验室( 日本j a r i ) 由于碰撞过程具有一定的不可预见性，要求碰撞区足够大，以防止各种不 同形态的碰撞过程中车辆与其他设施发生意外的碰撞。 1 ) 固定壁障 碰撞区中的正面碰撞试验区域设置有固定壁障。按照g b l l 5 5 1 2 0 0 3 要求， 固定壁障表面宽度不小于3 m ，高度不小于1 5 m ，固定壁障厚度应保证其质量不 低于7 x 1 0 a k g 。壁障表面垂直于壁障前的路面，且覆盖一层2 0 m m 厚的胶合板， 壁障尺寸和结构应足以限制其表面变形量小于车辆永久变形量的l 。大多数试 验室的固定壁障采用固定的混凝土结构，但也有一些试验室，为了场地能实现其 他碰撞形态，将固定壁障设计成能移动的结构，如英国的m a r y 实车碰撞试验 台，其固定壁障通过一个气垫顶起，置于一条横向轨道上后可推到一侧，以便于 武汉理工丈学硕士学位论文 实施汽车与护栏、标志牌等公路设施的碰撞试验。 2 ) 移动壁障 侧面碰撞是采用移动壁障对停放在碰撞区域中的试验车辆实施碰撞。移动壁 障的质量、碰撞表面结构按照不同的试验要求是不同的。f m v s s2 1 4 和e c er 9 5 中规定的侧面碰撞试验法规中的移动壁障，它代表一辆平均”的标准车，移动壁 障的质量代表该地区使用车辆的平均质量，移动壁前端装有蜂窝状铝材制成的吸 能壁障，用于模拟该地区使用的车辆前端碰撞时的平均剐度，如图3 - 2 、3 - 3 示。 f m v s s 2 1 4 移动台车结构尺寸( r a m )e c e r 9 5 移动台车结构尺寸( m m ) 捌 幽3 0f m v s s2 1 4 移动壁障图3 - 3 e c e r 9 5 移动壁障 32 牵引系统 牵引系统是将试验车辆或移动壁障由静止加速到所设定的碰撞初速度的装 置。用于实车碰撞试验的牵引系统应满足下述几方面的要求： 1 ) 准确的速度控制，以满足试验法规中固定的碰撞速度要求。 2 ) 对于放置有假人的试验车辆，在牵引过程中，为了防止加速过程中假人 姿态发生变化，加速度不能过大。f m v s s2 0 8 的试验程序和日本t r i a s l l 4 3 0 中规定牵引加速度不大于05 9 ，欧、美、开等国家的实车碰撞试验设旌的牵引系 统一般都将最大牵引加速度限制在02 9 05 9 之间。 武汉理工太学硕士学位论文 3 ) 具有导向和脱钩装置，导向装置确保试验车辆沿设定的轨道运动。在 g b l l 5 5 1 - 2 0 0 3 、f m v s s2 0 8 、t r i a s l l 一4 3 0 及欧洲e c e9 40 0 中规定，正面碰 撞试验车牵引过程中对设定中心的偏移量不能超过3 0 0 m m ( 1 5 0 m m ) ；在e c e r 9 40 1 中规定对设定中心线的偏离量不能超过1 5 0 m m ( 7 5 m m ) 。脱钩装置用于 实现牵引系统与碰撞车辆脱离，以便保证碰撞车辆处于自由状态下发生碰撞。 武驻车糕 骀动轰 醇| 艇强紧 图3 4 实车碰撞试验牵引系统原理图 遴熟端 图3 - 5 实车碰撞试验牵引系统图3 巧牵引小车与脱钩装置 图3 - 4 、3 5 所示为一实车碰撞试验台的牵引系统原理图与动力系统实例， 该系统采用两台2 2 0 k w 的直流电机，分别驱动两个轮毂，牵引钢丝绳为循环盘 绕，在两个轮毅间使用液压油缸张紧，通过钢丝绳与轮毂间的摩擦力驱动循环的 制丝绳运动，牵引试验车辆进行碰撞试验。 牵引脱钩装置用于拖挂且引导车辆。脱钩装置在车辆碰撞前与试验车辆脱 开，以保证被试车辆有一段匀速行驶距离，并在自由状态下发生碰撞。如图3 - 6 所示为牵引小车，牵e l j , 车与牵引钢绳、牵引车辆脱开的过程中是通过固定在导 轨侧面的挡块柬实现的。 33 光学测量系统 汽车碰撞是极为短暂的猛烈冲击过程。在碰撞过程中车身变形、乘员运动形 态等具有不可预见性，仅使用电测量方法很难全面了解碰撞过程。从全面掌握转 垂覆。毖 武汉理工大学硕士学位论文 瞬即逝的汽车碰撞过程这一点上看，高速影像分析方法是最有效的。 序列影像运动分析方法以时间坐标为媒介，使用摄像( 影) ：机拍摄碰撞过程 中的序列影像，而后进行定性和定量分析、测量运动参数。定性分析：在二维影 像中记录了运动过程丰富的信息，对运动过程的序列影像缓慢回放、逐帧分析， 可以看到对人眼来说发生的太快的事件，从而分析运动过程中的细节，如假人的 运动形态、气囊的打开形态等。定量分析：在拍摄前将运动物体的相关点设置醒 目的标志点，对所摄取的运动过程的序列影像在像平面内逐帧进行像平面坐标判 读，应用摄影测量学的理论，求解待测量点的位置，从而获取运动物体的特征参 数，如车速、车身变形等。序列影像运动分析方法弥补了电测量获得的一维信息 对现象描述不直观、不全面的不足。用电测量和同步获取的高速影像进行对照分 析，可以观察和分析汽车碰撞过程中丰富的信息。 实车碰撞试验过程中，根据待研究问题的性质，必须选择适当的拍摄速度， 同时使用多台高速摄影机同步拍摄，以获得碰撞过程多角度清晰的序列影像。表 3 - 1 所列为一些事件发生的平均速度和要求的拍摄速度。图3 - 7 所示为汽车正面 固定壁碰撞试验中摄像( 影) 机的一种布置方案图。在固定壁前方一般设置有摄 影地坑，在地坑内设置照明系统和高速摄影机，从而可以从地坑中实施拍摄。为 了增强被摄影零部件的可分辨性，试验前可对车辆底部的动力总成、水箱、前纵 梁等对碰撞性能影响较大的部件喷涂不同的颜色