汽车被动安全-吴孝森第七组

1、汽车被动安全分析车辆 1002 3100105203 吴孝森 随着社会进步，科技发展，生活水平提高，汽车作为人们的代步工具开 始走入平常百姓的家庭， 尤其是城市化的加快， 越来越多的汽车出现在我们身边， 交通安全问题越来越凸显， 各种安全隐患被无形放大人们的生命安全也面临着更 加严峻的挑战。 传统的汽车安全措施并不能有效解决交通事故的发生， 目前汽车 安全理念也在逐渐发生变化， 随着科技的进步， 汽车的安全被细化， 安全行驶措 施可以大略地分为主动安全措施 （防止事故发生） 和被动安全措施 （减小事故后 果）。被动安全是指汽车在发生事故以后对车内乘员的保护， 如今这一保护的概念 以及延伸到车内

2、外所有的人甚至物体。 由于国际汽车界对于被动安全已经有着非 常详细的测试细节的规定，所以在某种程度上，被动安全是可以量化的。被动安全装置， 则是在车祸意外发生， 车辆已经失控的状况之下， 对于乘坐 人员进行被动的保护作用， 希望透过固定装置， 让车室内的乘员， 固定在安全的 位置，并利用结构上的导引和溃缩， 尽量吸收撞击的力量， 确保车室内乘员的安 全。一、主要被动安全技术：1. 预紧式安全带当汽车发生碰撞事故的一瞬间， 乘员尚未向前移动时它会首先拉紧织带， 立 即将乘员紧紧地绑在座椅上， 然后锁止织带防止乘员身体前倾， 有效保护乘员的 安全。预紧过程预紧式安全带的特点是当汽车发生碰撞事故的一

3、瞬间， 预紧式安 全带中起主要作用的卷收器和普通安全带不同， 除了普通卷收器的收放织带功能 外，还具有当车速发生急剧变化时，能够在 0.1s 左右加强对乘员的约束力，因 此它还有控制装置和预拉紧装置。控制装置分有两种：一种是电子式控制装置， 另一种是机械式控制装置。 预拉紧装置则有多种形式常见的预拉紧装置是一种爆 燃式的，由气体引发剂、气体发生剂、导管、活塞、绳索和驱动轮组成。当汽车 受到碰撞时预拉紧装置受到激发后， 密封导管内底部的气体引发剂立即自燃， 引 爆同一密封导管内的气体发生剂， 气体发生剂立即产生大量气体膨胀， 迫使活塞 向上移动拉动绳索， 绳索带动驱动轮旋转号驱动轮使卷收器卷筒转

4、动， 织带被卷 在卷筒上，使织带被回拉。最后，卷收器会紧急锁止织带，固定乘员身体，防止 身体前倾避免和方向盘、仪表板和玻璃窗相碰撞。2.乘员头颈保护系统（ WHIPS ）WHIPS 一般设置于前排座椅。当轿车受到后部撞击时，头颈保护系统会迅 速充气膨胀起来， 其整个靠背都会随乘坐者一起后倾， 乘坐者的整个背部和靠背 安稳地贴近在一起， 靠背则会后倾以最大限度地降低头部向前甩力量， 座椅的椅 背和头枕会向后水平移动，使身体的上部和头部得到轻柔、均衡地支撑和保护， 以减轻脊椎以及颈部所承受的冲击力，并防止头部向后甩所带来伤害。安全气囊分布在车内前方（正副驾驶位） ，侧方（车内前排和后排）和车顶三个

5、方向。 在装有安全气囊系统的容器外部都印有 （ Supplemental Inflatable RestraintSystem， 简称 SRS）的字样，直译成中文，应为“辅助可充气约束系统” 。旨在 减轻汽车 碰撞后，乘员因惯性发生二次碰撞时的伤害程度。 做为车身被动安全性的辅助 配置，日渐受到人们的重视。当汽车和障碍物碰撞后，称为一次碰撞，乘员和车 内构件发生碰撞， 称为二次碰撞， 气囊在一次碰撞后、 二次碰撞前迅速打开一个 充满气体的气垫， 使乘员因惯性而移动时 “扑在气垫上” 从而缓和乘员受到的冲 击并吸收碰撞能量， 减轻乘员的伤害程度。 安全气囊可将撞击力均匀地分布在 头部和胸部，防止

6、脆弱的乘客肉体和车身产生直接碰撞， 大大减少受伤的可能性。 安全气囊对于在遭受正面撞击时， 的确能有效保护乘客， 即使未系上安全带， 防 撞安全气囊仍足以有效减低伤害据统计， 配备安全气囊的车发生正面碰撞时， 可 降低乘客受伤的程度高达 64%，甚至在其中有 80%的乘客未系上安全带！至于 来自侧方及后座的碰撞， 则仍有赖于安全带的功能。 此外， 气囊爆发时的音量大 约只有 130分贝，在人体可忍受的范围； 气囊中 78%的气体是氮气， 十分安定且 不含毒性，对人体无害；爆出时带出的粉末是维持气囊在折叠状态下不粘在一起 的润滑粉末，对人体亦无害。安全车身设计优良的车身结构是被动安全的主要课题。

7、 有研究表明， 在道路交通事故 中，绝大部分的碰撞能量被车身所吸收。安全车身的表现形式是车室结构坚固， 在发身事故时变形量极小， 充分保证内部乘员的生存空间； 同时， 车身前后能在 碰撞时变形以吸收能量， 减轻乘员受到的冲击。 最新的安全带增加了预紧装置和 限力保护措施， 即当传感元件探测到碰撞发生时， 预紧器通过爆破能量 (比安全 气囊的爆破能量小很多， 因此后文中把安全气囊当做惟一先释放能量的装置) 把 安全带收紧，使安全带的吸能时间和距离得到延长限力保护是在乘员受到压迫极 限的时候适当放松安全带，避免不必要的伤害发生智能安全气囊安全气囊的工作原理是： 当汽车前部遭受一定力量的撞击后， 安

8、全系统就会 引发某种类似小剂量炸药爆炸的化学反应， 隐藏在方向盘内的安全气囊就在瞬间 充气弹出，在车内人员的身体由于惯性作用向前冲撞即将撞上车上设备之前起到 铺垫作用， 以减轻身体所受到的撞击力。 由于在事故发生的一瞬间必须完成铺垫 功能，因此气囊必须以极快的速度弹出。这样能很好的有效保护驾驶员的生命。二、被动安全性的新技术 ：能承受碰撞吸收能量的车身及车门 进一步改善能承受正面及侧面碰撞并吸收能量的车身 , 改进车门设计 , 增加 横 梁 , 使其能有更好的防侧撞能力 , 采用中间有泡沫充填物的夹层钢板等。侧边安全气囊在头枕及椅背的侧方布置侧边安全气囊 , 当发生侧面碰撞时 , 气袋即膨胀吸

9、 收 侧撞能量 ,保护乘员的安全。乘员保护系统当预测到事故不可避免时 , 中央微机控制系统 , 便指令安全带收紧 , 使座椅 沿 滑轨向后移动 , 使收缩型方向柱收缩到仪表板内 , 使气袋投入工作。紧急门锁释放装置当车辆发生碰撞 , 传感器已确认发生碰撞 , 系统能立即释放门销 , 让车门能 迅速打开。灭火系统发动机室内传感器检测出火情后 , 即起动灭火装置自动灭火 , 如装置失灵 , 则 发动机罩自动释放开 , 可从外面灭火。6) 行车记录仪类似飞机上的黑匣子 , 可以记录事故发生瞬间前后操作车辆和环境的多种 信息 , 而且可以再现导致事故的发展过程 , 可以分析事故原因 , 为以后预防提供

10、 可靠资料。7） 紧急事故自动通报系统 通过该系统车辆和负责交通管理的无线电台及时联系 , 电台可以获知发生 事故 的车辆的位置、事故及乘员受伤害的主要情况 , 可以通知有关部门及人员 及时前 往事故地点 , 进行救援工作。如福特汽车公司的 RescueCar技术可在碰撞 事故发 生后立刻向有关部门报告，并在救援人员赶赴现场的途中转发伤员身体 方面的重 要信息。三、车行人保护发展现状研究被动安全行人保护技术使用背景及意义 行人作为道路交通中的弱势群体，其被汽车碰撞造成的伤害是相当严重的， 但在在汽车各项技术的发展过程中，人们一直比较注重对车上驾乘人员的保护， 安全气囊、安全气帘、安全带、 AB

11、S、以及 ESP 等装备越来越多地出现在国产 汽车上。 然而行人的碰撞保护研究，却没有受到同等重视，相对于车内乘员伤 亡人数的逐年减少，车外行人伤亡情况却得不到改观。国内外法规现状2003年，欧洲行人保护法规 2003102EC 正式出台，该法规对车辆行人 保护方面的性能进行了分阶段的引导式要求。 2009 年根据多年的实际情况，欧 洲对行人保护法规进行了修改和调整，推出了新法规即 782009。欧洲行人保 护法规的推出及改进可以说是发达国家对行人保护要求的一个缩影。 （2005 年开 始第一阶段， 2010 年开始第二阶段。）由中国汽车技术研究中心标准化研究所制定的 汽车对行人的碰撞保护 标

12、 准已经由国家质检总局和国家标准委联合发布，并从 2010年7月 1日起正式批 准，成为推荐性国家标准，并有望在 2013 年汽车行人保护全球法规实施时同步 采用。在法规的制约下， 为了提高各自产品的竞争力， 各大汽车制造商和一些研究 机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的计算机设备从事行人安全保护的实验 模拟分析工作。行人保护技术研究现状 根据对事故数据的研究，大多数的严重伤亡是因为行人和车辆的发动机罩、挡风玻璃以及车顶发生碰撞而造成的， 且下肢是行人和车辆的第一碰撞位置。 下 肢膝盖的伤害通常被认为是最严重的伤害， 因为它可能导致人员长期的残疾， 而 头部的伤害则有可能造成死亡。伤害则是由于

13、腿部和保险杠发生碰撞造成的 i1 ，所以我们必须有针对性的 在这些方面做出改善。目前国际上用于车辆的行人安全保护装置主要可分为 4 大类：一是保险杠改 进；二是行人安全气囊系统； 三是发动机罩技术； 四是车辆智能安全保障系统。在汽车被动安全性范围内主要包含了前三项， 即保险杠技术、 行人安全气囊 技术、发动机罩技术，将在下文阐述。保险杠技术现状 保险杠改进是对保险杠外形进行优化设计 或在保险杠的适当地方放置高密 度泡沫材料，使碰撞的伤害减轻。采用性能好的材料是碱轻伤害的有效方法。 除采用新材料外， 改进保险杠的 外形设计也可以提高行人的保护能力。 如将保险杠的碰撞点抬高 井尽可能不出 现尖锐的

14、突起，使整个前脸呈圆润的造型，从而降低碰撞时对行人的伤害。研究结果表明， 可能存在两种理论用于解释小腿骨折的致伤机制。 一种理论 认为小腿骨折是直接作用力造成， 多发生在碰撞点附近， 采用作用力和加速度进 行评估；另一种理论认为碰撞点以下的小腿惯性弯矩是导致骨折的原因， 骨折不 一定发生在碰撞点，这一理论被用于解释胫骨近地端的骨折， 采用弯矩进行评估。 而针对长骨的弯曲试验表明长骨材料具有生物材料常见的黏弹性特性。 骨折的发 生不仅决定于载荷大小和加载形式 ,也决定于载荷持续时间，见下图图 2 长骨骨折载荷时间曲线 一般运用多体动力学方法来进行事故重建分析，来自查尔摩斯工业大学的CPMS0 百

15、分位行人多体动力学模型经过多种尸体试验验证，被用做参考的基准 行人模型。这一行人模型由 24个椭球体组成， 由 14 个关节铰链连接， 并增加了 可旋转的膝盖和可模拟骨折的腿骨部分。骨折是通过建立的一个球铰链实现的， 行人的小腿通过被球铰链连接的两段刚体来描述， 一旦作用在铰链上的载荷超过 设定的限值，球铰链就由锁止变为自由运动状态。使用 VC 编程控制软件中 GEBOD 程序，以便行人模型基于真实受害者的身高和体重，调整身体各部分的 尺寸、质量和惯性矩， 根据行人伤害的骨折部位信息， 调整可模拟骨折的铰链在 小腿的高度位置。 肇事车也采用多体动力学模型建立， 根据实际车辆外形和尺寸 确定模型

16、前部结构形状，参考 Euro-NCAP 类似车型的行人测试结果，不同车辆 的前部结构刚度特性采用对应的刚度曲线以定义前部接触特性。评价的指标包括，可断裂铰链处的横向加速度 （对应加速度评价指标 ）、侧向 力 （对应剪切力评价指标 ）、轴向力和剪切力的台力和力峰值的作用时间，同时计 算了保险杠和小腿的接触作用力发动机罩技术现状3.2.1 动机罩抬升技术目前的发动机罩抬升装置主要有两种： 气体发生器式和机械式。 气体发生器 式抬升装置通过化学反应产生瞬时高压气体， 推动发动机罩后端抬升， 反应迅速， 但属于一次性使用的产品， 使用后的维修成本较高； 机械式抬升装置通过释放加 载后的弹簧或者高压气体

17、抬升发动机罩， 结构复杂且体积较大， 但可实现可逆使 用，成本较低。最新的行人保护设计引入了汽车预碰撞技术， 车辆通过安装在车头的雷达和 摄像头等探测前方行人， 在人一车碰撞发生前一定时间触发行人保护装置， 从而 为行人保护争取宝贵的时间。 本研究设计的主动式发动机罩抬升装置基于最新的 行人保护设计理念， 主要由传感系统和发动机罩抬升装置组成， 传感系统中有给 抬升装置触发信号的传感单元当传感系统探测并判断车辆将和行人发生碰撞 时，传感单元给抬升装置触发信号。 抬升装置通过加装在底部的气体发生器， 瞬 时产生大量气体， 将发动机罩的尾端抬升。 该装置反应迅速且可靠性高， 结构简 单，体积小巧，

18、使用后维修方便，成本低，具有很好的经济性。一般采用实车试验验证新型主动式发动机罩抬升装置的有效性。 分析发动机 罩的抬升时序，采用高速摄像机记录发动机罩的整个抬升过程。发动机罩结构参数仿真及总布置设计研究欧盟对儿童头型撞击发动机罩的试验的要求为： 使用 2.5kg 的头型以 40km/h 的速度和车辆发动机罩发生碰撞， 在整个发动机罩试验区域内头部伤害指数 (HIC) 不得超过 1000。通常发动机罩和发动机舱内部件有一定距离，如果在撞击过程 中发动机罩变形过大而和舱内部件接触， 很有可能造成二次碰撞， 增大头部伤害。发动机舱内部对头部碰撞有影响的零部件主要是： 发动机罩、 蓄电池、空滤、 电

19、器盒及储液罐等。 在进行发动机舱布置时， 应考虑头部碰撞区域， 尤其是蓄电 池、空滤及发动机本体最为重要， 要降低这些件的高度， 增大和发动机盖板的有 效距离；同时应结合具体零件尺寸考虑离地间隙、 运动干涉及热平衡等因素对发 动机舱布置的限制，这些限制性约束主要和前期造型和总布置有很大关系。 因此， 在布置发动机舱时应考虑全面，避免造成法规和布置上的冲突。通常采用 Hypermesh 等软件建立发动机罩和头型的数学模型，添加约束条 件，如材料、接触条件等，从而对不同的撞击位置、不同发动机罩结构厚度等参数进行仿真3.3 行人安全气囊技术现状行人保护安全气囊可避免人体撞击到汽车的前挡风玻璃上。 这

20、类气囊共有 2 种，一是发动机罩气囊， 二是前围安全气囊， 两者配合使用可减少最常见的行人 伤亡事故。 2 发动机罩气囊位于保险杠的上方，紧靠保险杠处开始展开。碰撞 前由一个碰撞预警传感器激发，可在 50-75 ms 内完成充气。保持充气状态时间 可达数秒钟。 充气后的安全气囊在前大灯之问的部位展开， 由保险杠顶面向上伸 展到发动机罩表面以上。 气囊的折叠模式和断面设计保证气囊展开时能和汽车前 端的轮廓相吻合，以保证儿童头部和成人腿部的安全。 前围气囊系统的作用则 是提供两次碰撞保护， 防止行人被甩到发动机罩后部后被前窗底部碰伤。 该系统 包括 2 个气囊，分别由汽车中心线向一侧的 A 柱延伸

21、。气囊由传感器探测到行 人和保险杠发生初始碰撞后触发。在行人翻到发动机罩上滚向前窗这段时间内， 气囊完成充气， 2个气囊沿前窗底部将左右 A 柱之间的区域完全覆盖， 不仅能盖 住前窗玻璃底部， 还可盖住刮水器摆轴和发动机罩支座等致命的 “硬点”。同时， 气囊不会完全封住驾驶员的视线。四、AHSS对汽车安全的影响被动安全实例 不久前，美国著名安全测试机构 IIHS （高速公路安全协会）进行了一场别 开生面的碰撞试验：一辆 2009款的雪佛兰 Malibu 以 64km/h速度和一辆 1959 款雪佛兰 Bel Air 进行 40%重叠正面碰撞试验。结果， 2009 款雪佛兰 Malibu 车 内

22、的驾驶席假人几乎毫发无损，而雪佛兰 Bel Air 车内驾驶员席假人头部、胸部 和下肢等部位均遭受到毁灭性伤害。 同一品牌的两款车型为何在安全性上差别如 此之大呢？这一方面是因为 2009 款的雪佛兰 Malibu 采用了安全气囊、预紧式安 全带等先进的安全配置，更重要的是 50 年来，汽车安全车身设计技术有了根本 性的变革。今天，以雪佛兰 Malibu 为代表的新车型无不大量采用高强度钢板来 增强车身抵御碰撞冲击的能力，这也使得其安全性有了质的提高。（1）安全不安全，车身材料是关键碰撞时， 车身承担着吸收、 分散碰撞能量和抵御变形的职责， 因此是决定其 安全性的最关键一环。 但真正起作用的部

23、分不是我们所能摸到的发动机罩、 车门 板等部件，而是内部核心的结构件。这些结构件主要包括 A 柱、B柱、C柱、前 后保险杠（包括吸能盒）、前纵梁、门槛梁、车门防撞梁及车顶纵梁等。这些部 件材料性能的优劣，将直接决定车辆的安全性能。目前车身部件所采用的材料主要以钢材为主， 且主要是钢板。 其它材料如铝 合金、碳纤维等，因为成本较高，只使用在少数豪华车和超级跑车上。 AHSS （advanced high strength stee 先进高强度钢 ） 是一种新近出现的钢板材料， 它在汽车领域的大量使用为车身安全设计带来了一场革命。（ 2）什么是 AHSS？依照世界钢铁协会的定义， AHSS是 指抗

24、拉强度在 500MPa到 1500MPa之间（屈 服强度在 280MPa到 1200MPa之间）的钢材。这种钢板材料不仅强度高， 可以抵御高速碰撞的冲击变形， 而且具有很好吸 能性，因此在提高安全性方面起着非常重要的作用。目前 AHSS主要使用于车身 上关键的安全件和加强件， 且日益受到各大汽车公司的青睐。 据世界钢铁协会的 研究数据显示，目前平均每车的 AHSS使用量约在 68kg 左右，而到 2020年这一 数字将会达到 204kg。大量采用高强度钢不仅可以使车辆的耐撞性及乘员安全性 大幅提升，而且整车的质量也可以显著减轻，从而减少油耗及尾气排放。AHSS材料和传统钢板相比，不仅强度更高，

25、而且拉伸性能也更为出色，即 吸能特性更好。 同时它的焊接工艺和传统钢板材料相近， 因此可以比较方便地由 传统钢板部件升级到 AHSS部件。而和铝合金、碳纤维等材料相比， AHSS具有非 常明显的优势，因此是目前提高车辆安全性的一种最为有效且可行的解决方案。作为一种先进的钢板材料，世界上只有少数公司掌握了生产 AHSS的核心技 术，其中瑞典 SSAB钢铁公司就是该领域的领先者。 SSAB是一家年产仅 600 万吨 的小钢厂。 但在特种钢领域， 它却是一家非常著名的公司， 它所生产的各种特种 钢在工程机械、商用车及轿车领域都被广泛使用，其中专为乘用车开发的 DOCOL 系列先进高强度钢板被广泛使用

26、于汽车行业。 沃尔沃、 宝马、大众等国外知名汽 车公司都采用了它的 AHSS产品。（3）车门防撞梁最应采用高强度钢的部件分析 Euro NCAP近两年来的测试结果可以发现， 绝大多数车型在侧面碰撞项 目上都获得了满分或接近满分的成绩。而 C-NCAP测试的很多车型侧面碰撞成绩 却不是很理想， 特别是很多小型车侧面碰撞成绩非常差。 这除了和我国侧面安全 气囊及侧气帘的配置率较低有关外， 侧面结构设计上的不同也是造成这种差距的 关键因素，其中尤以车门防撞梁最为关键。当发生侧碰事故时， 车内乘员的胸部是最容易受伤的部位， 而其受伤的严重 程度直接和车门的侵入变形速度有关。 在车门上采用高强度钢材料的

27、车门防撞梁 可以有效减缓车门的侵入变形速度，从而降低车内乘员胸部受到的伤害。在 C-NCAP侧面碰撞试验中获得高分的车型，基本上都采用了高强度车门防撞梁， 而得分较差的车型往往是没有车门防撞梁，或是车门防撞梁的强度不够。车门防撞梁不仅在侧碰事故中起着非常重要的保护作用， 它在正碰事故中也 发挥着重要的作用， 是分散及传递前部碰撞力的重要途径之一， 可以更加有效地 将前部碰撞产生的能量分散到车辆的中部和后部，从而减轻车内乘员受到的伤 害。正是由于车门防撞梁在碰撞中发挥着如此重要的作用， 因此各个整车厂家都 积极采用 AHSS材料制作车门防撞梁。 车门防撞梁一般是车身上强度最高的部件， 某些新型的

28、车门防撞梁强度可以达到 1000MPa甚至是 1300MPa以上。（4）AHSS在汽车领域大有可为AHSS材料除了被使用于车门防撞梁以外，还被广泛使用在保险杠、座椅导 轨及车身结构件上，从而显著提高车辆的安全性。当汽车和其他车辆或障碍物发生低速碰撞时，前保险杠骨架对保护翼子板、 散热器、发动机罩和灯具等部件同样起着至关重要的作用。 对使用者来说， 这直 接影响着发生碰撞事故后的维修费用。 主横梁的强度对整个保险杠骨架系统起 着决定性作用， 目前在欧洲主横梁的钢材普遍使用抗拉强度高达 1000MPa以上的 AHSS钢材，其厚度一般 2mm左右。根据测算，如果用 420MPa的中等强度钢等效 替代，其厚度至少要达到 6mm，质量可想而知。座椅导轨也是决定车辆安全性的关键部件。发生碰撞时， 3 点式安全带勒紧 座椅的力可以达到 8000N，如果座椅导轨强度不够的话，那么座椅很容易发生前 移。座椅上乘员的胸部、 腿部都可能和内饰件发生二次碰撞而造成严重伤害。 此 外，A柱、B柱及 C柱等关键部件采用 AHSS材料可以大幅提高车身的耐冲击性， 从而保证车内乘员的生存空间。（ 5）小型车 AHSS助其提高安全性1.3L 排量以下的小型车节油、