车辆被动安全性设计

车辆被动安全性设计一、车辆事故分析和被动安全性的评价方法二、车内被动安全性三、外部被动安全性四、被动安全性试验一、车辆事故分析和被动安全性的评价方法(一)分析车辆事故道路交通事故的统计和分析是研究汽车被动安全性基础。根据事故统计，了解事故与气候、道路、时间以及驾驶员和车外人员的年龄等的关系(影响因素)，并找出发生频数最多的那一部分事故(即所谓“典型事故”），便于集中力量进行研究。右侧通行的轿车碰撞事故类型分布正面碰撞占64％以上，其中50%是车前左侧（右侧通行）。侧面碰撞是第二种常见事故类型。大客车追尾碰撞比例高于轿车，大客车右后角更容易被碰撞。1.碰撞部位分布侧部前部左前部右前部正前部后部侧翻翻滚轿车碰撞事故类型分布从撞车速度来看，正面撞车速度高于侧向撞车和追尾碰撞。有50%以上的正面碰撞事故的速度高于60km/h，而90％的追尾碰撞事故的速度低于30km/h。事故中头、胸、下腹和脊椎等部位伤害是主要致死原因。00.050.10.150.20.25轿车各座位的危险系数k座位0.1840.2290.1490.1670.171驾驶员副驾驶员后左座后中座后右座轿车各个座位的危险系数撞车中轿车驾驶员受伤过程撞车中轿车前排乘客受伤过程受伤部位分布撞车中轿车前排乘客无安全带/有安全带受伤过程1-头2-面部3-颈4-胸部5-上肢6-腹部7-下肢事故中轿车乘员身体各部位受伤分布0510152025驾驶员副驾驶员驾驶员19.718.53.721.58.56.520.5副驾驶员22.522422.37.2419头部面部颈部胸部上肢腹部下肢事故中轿车乘员身体各部位受伤分布汽车和自行车碰撞时速度多在40~50km/h，而与摩托车碰撞速度则高得多，往往超过65km/h。大多数行人是在交叉路口和道路入口处从侧面被汽车正面所撞。轿车平均碰撞速度不超过35km/h。汽车速度超过40km/h，则常会导致行人死亡。载货汽车，20km/h的速度已可使行人头部受到致命伤害。评价被动安全性的最简单指标是“事故严重程度因素”F，即/sshFNNNs—事故中死亡人数(当场死亡或事故后存活不超过7昼夜的)；Nsh—事故中的受伤人数。各国统计数据表明，—般在1/5～1/40范围内。衡量道路交通事故严重程度的指标还有每10万居民、每1000000km行程、每万车的事故死伤人数。考虑到事故中的伤亡情况的差异，前苏联学者提出了“危险系数k”的概念，即Nq—轻伤人数；Nz—重伤人数；No—未受伤人数；k1、k2、k3—加权系数，取k1=0.015，k2=0.36，k3=1123()/()qzsqzsokkNkNkNNNNN事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接有关，骨折与作用力有关，组织损伤与剪切应力有关。研究汽车内部被动安全性的重要内容是降低人体的减速度。汽车与固定障碍相撞时减速度的变化a)平均减速度沿车长方向分布b)质心处减速度随时间变化过程在轿车发生正面碰撞或碰撞固定障碍物时，前部出现特别大的平均减速度jcp(300～400)，向后逐渐降低。其质心位置的平均减速度jcp为40~60，瞬时值可达80~100g。1.安全车身轿车各部不同的刚度(乘坐区刚度大,保证乘员的生存空间)为了降低正面碰撞时的减速度，在轿车前部做成折叠变形区。这样，在撞车时可提供400mm~700mm的变形行程，通过前部折叠区的变形来吸收撞车时的动能。轿车前部变形力梯度特性折叠区的变形力应满足梯度特性。即可分为五个区行人保护低车速保护对事故对方共存保护自身保护(针对本车乘员)生存空间图4-68轿车前部变形力梯度特性变形力从前向后逐渐增加，使得撞车力较小时，变形仅限于前部零件。1.安全车身轿车各部不同的刚度(乘坐区刚度大,保证乘员的生存空间)后部撞车的速度较低，轿车后部折叠区的变形过程约为300~500mm。备胎后置有助于减小冲撞加速度，而油箱位置则必须避开折叠区。行李箱盖边缘不能穿过后窗而撞入车内。侧向碰撞时，由于碰撞部位的装饰件和结构件允许的变形行程很小，吸引能量的能力远小于前部和后部，因而引起的车内的严重变形对乘客伤害的危险性很高。伤害危险性很大程度上取决于轿车侧部结构强度(立柱和车门的联接、顶部及底部与立柱的联接)、底板横梁和座椅的承载能力以及门内板的设计。应保证主撞车不致侵入被撞车的乘员空间。轿车驾驶员和前排乘客多用三点式安全带后排乘客或载货汽车、大客车乘员也有用腰部安全带的，赛车乘员则用四点式。2.限制乘员位移安全带形式安全带的惯性式锁紧装置只要拉伸速度超过设计速度就可以把安全带拉紧。腰部固定点承载能力不应低于22.7kN，肩部固定点则应高于22.9kN。在正常行驶时，安全带可以任意伸长而不妨碍驾驶员的操作和乘员的基本活动。安全带效果无安全带的死亡事故在使用了安全带以后可转化为重伤或轻伤。以50km/h撞墙试验时汽车与乘员减速度变化情况50km/h撞墙试验时乘员头部的减速度如右图，三点式安全带可使头部减速度降低一半。为了避免在严重事故时乘员过分前移，在安全带上增设了收紧器。在碰撞时收紧器被触发收紧作用的时间约为5ms乘员最大前移距离约1cm因而减小了汽车和乘员间的速度差。前部气囊(airbag)在发生碰撞时，被以突然爆炸方式充气，在乘员与气囊接触前充满。气囊与乘员接触时，立即部分泄气，并以生理上可承受的表面压力和减速力，柔和地吸收能量，这时至少在很大程度上可以减小乘员头部和胸部损伤。驾驶员前部气囊容积50~60L，应在30~35ms时间内充满氮气；副驾驶前部气囊容积100~140L，要求在50ms内充满。乘员前部防护1-安全带收紧器2-前排乘员气囊3-驾驶员气囊4-传感器和备用电源驾驶员的最大前移空间通常为12.5cm，气囊放气时间约100ms，碰撞和能量吸收全过程约在150ms内完成。安全气囊安全气囊可以不必限制乘客的正常活动。安全气囊的作用情况，传感器1在撞车发生时可感知车身变形和减速度，撞车信号通过引爆装置2使气体发生器3产生了高压氮气和氩气进入安全气囊4。气囊可在50ms内充气完毕，保护乘客的头部和上身。事故发生后经过100ms，气囊的气体通过专门的孔放出，乘客可以自由活动。使用安全气囊的缺点是在放气时形成160～180dB的声压，另外成本高。安全气囊的作用情况侧面气囊装在车门或座椅架上由于乘员与向内移动的汽车部件之间距离很小，所以容积为12L的侧面气囊响应时间不得超过3ms，充满时间应小于10ms。影响安全带收紧器和气囊保护效果的决定因素是在准确的时间触发。就气囊来说，要使乘员在气囊仍然处于充满状态并开始放气时与其接触。电子控制的触发装置通过加速度传感器来检测碰撞过程中减速力的大小，在识别碰撞类型后（如正面、横向或成一定角度碰撞），迅速准确触发气囊和安全带收紧器，引爆气体发生器。侧面气囊利用压力传感器来检测侧向碰撞造成车门变形引发的压力上升，触发气体发生器。两侧使用相互独立的传感器，分别检测各自的压力，决定是否触发。3.消除部件致伤因素在乘坐区设计时必须保证在乘员生存空间内没有致伤部件。由于人体尺寸的差异，乘员乘坐姿势的不同，生存空间的形式也各不相向。生存空间在图中画出了在撞车前和撞车后零件变形界限。生存空间界限1-1将引起轻伤，界限2-2导致重伤，3-3将是致命的。仪表板下部、转向盘和挡风玻璃引起伤害的事故频数较高。仪表板下部应安装膝部缓冲垫。挡风玻璃应采用钢化玻璃或夹层玻璃。转向盘可采用弹性有波纹的结构，并且盘缘可变形，转向柱能弯曲或伸缩。乘员室内各种部件应软化，材料的燃烧速度要小。在轿车与行人碰撞过程中，首先行人腿部撞到保险杠上，然后骨盆与发动机罩前端接触，最后头部撞到发动机罩或挡风玻璃上。这时行人被加速到车速，这就是所谓的“一次碰撞”。车速越高，头部撞击点越靠近风挡玻璃。由于汽车制动使行人与汽车分离，行人以与碰撞速度相近的速度撞到路上，这是“二次碰撞”。1.轿车与行人的碰撞撞人事故中行人动态示意图在有的事故中还发生行人被汽车辗压。这是“三次碰撞”。决定行人伤害严重程度的主要因素是一次碰撞的部位和汽车与人体碰撞的部件形状、刚度。行人/轿车碰撞结果统计汽车前部的形状参数和刚度对碰撞的影响汽车前后均应装保险杠。设计合理的保险杠不仅应考虑内部被动安全性，也要顾及外部被动安全性。从减轻事故中受伤程度看，行人与保险杠的碰撞部位在膝盖以下为好，希望保险杠降低。保险杠过低，会加大头部在发动机罩或挡风玻璃上的撞击速度。保险杠高度取为330~350mm是合适的，可保证大部分行人的碰撞部位发生在膝盖以下。保险杠应该没有尖角和突出部，并且适当软化。从安全角度看，发动机罩前端圆角半径应大些，机罩高度低，挡风玻璃倾角小。在头部撞击区要求妥善软化，并且取消突出部，如雨刷在停止状态时应位于发动机罩下，不设导雨槽等。载货汽车与轿车相比，其质量、刚度和尺寸都要大得多，在与轿车正面相撞时，轿车损坏比载货汽车严重得多。特别是两者尺寸相差悬殊时，轿车往往“楔入”载货汽车下面，轿车的前部折叠区不能发挥作用，而导致乘坐区受到破坏。故对于尾部离地高度不小于700mm车辆应装后保险杠，保险杠安装高度一般为380～560mm。尾部缓冲装置2.载货汽车的外部被动安全性载货汽车与行人相撞造成的伤亡远比轿车严重。这是因为一次碰撞中，无论是长头还是平头驾驶室的载货汽车，都不可能存在轿车事故中的行人身体在发动机罩上翻转过程，而是在很短时间内行人被加速到货车速度，易于造成人的伤亡。驾驶室上突出的后视镜、驾驶员踏板以及保险杠也容易使行人头部、骨盆和大腿受伤。汽车被动安全性试验应尽量再现典型的公路撞车事故的现象。试验中需要测量车辆的变形、减速度及负荷。必要时在车内设置试验用假人，测定有关部位的负荷及变形情况。正面全宽碰撞试验固定障壁，50km/h实车正面碰撞试验时采用固定障壁，障壁布置有全宽如40%重叠偏置两种，见图4-77和图4-78。正面40%重叠偏置碰撞试验蜂窝状铝合金变形障壁，56km/h5-摄影机从右侧摄试验车A和移动障壁6-摄影机从左侧摄试验车A移动情况7-试验车A发动机罩上方摄影机观察前面假人8-试验车A侧面摄影机观察前面假人移位9-试验车A侧面摄影机观察后面假人移位10-24幅/s实时摄影机侧向碰撞试验1-上方摄影机摄试验车A动态性能2-上方摄影机摄碰撞平面3-移动障壁B上的摄影机摄碰撞点4-移动障壁B上的摄影机摄碰撞边侧向碰撞试验采用移动变形障壁。试验车A静止，移动障壁B向前运动，运动方向与试验车中轴线成63°角，速度53km/h。图示为碰撞左侧的情况，碰撞右侧与此类似，移动障壁的碰撞材料为铝制蜂窝状材料。侧向碰撞试验正面碰撞中的试验车以及侧向碰撞中的移动障壁可用电机牵引加速，也可用牵引车牵引加速。为了确定碰撞试验中车内乘员所受伤害的严重程度，要在试验车内放置假人。试验用假人的各部肢体在形状、运动学和动力学性能方面都和真人相似，并能模拟人体的若干动作。头部还附有软化材料模拟肌肉和皮肤。在头、胸、背和大腿部位装有传感器，测定减速度和负荷。用于侧向碰撞试验的假人是专门设计的，与正面碰撞试验用的假人有很大区别。试验用“假人”系列包括5%妇女、95%妇女、50%男子以及3岁、6岁、10岁儿童。在试验时，要布置足够的传感器和摄影机。除了整车碰撞试验外，还有部件试验，如安全带、座椅和头枕、保险杠、车门、车顶、驾驶室后围等。转向柱上端向驾驶员方向的最大位移和冲击力，风窗玻璃安全性等也要严格测试。