NCAP现状及其相关技术发展综述

NCAP现状及其相关技术发展综述随着社会及科学技术的发展,交通设施和交通工具日益发达,极大促进了经济贸易、科学技术、生产和生活各项活动,为人们提供了出行方便性。但是,也正是由于这些交通工具引发了大量的交通事故,导致了大量的人员伤亡。车辆是整个事故中的起因,是关键因素之一。很多发达国家先后制订了有关车辆安全的法规和制度,常见的是政府和行业的安全强制法规,如ECER95和FMVSS等法规。此外,还有新车评估规范(NCAP,NewCarAssessmentProgram)。1NCAP的发展历史和现状NCAP作为新车评估程序,通常按照一定的试验规范和流程,通过对新上市的乘用车进行前、侧和后部碰撞以及圆杆碰撞和行人碰撞等多方面的碰撞试验,并以驾驶员、副驾驶员、乘坐儿童、车外行人等多个对象的伤害指数评估该车的综合安全等级。NCAP最早于1978年出现在美国,由美国国家公路交通安全管理局牵头组织实施。随后,澳大利亚、欧洲、日本和韩国等分别制定了相关的NCAP。尽管都是NCAP,但是试验和评估也不尽相同。总的来说,可以分为3类。第一类是以欧盟国家为主的EuroNCAP和澳洲实施的ANCAP。它比较真实地模拟实际交通事故中的碰撞情形,碰撞的速度较高,采用可变形蜂窝状铝合金结构壁障,它不仅考察前排乘客、后排乘座成人和儿童的安全性,而且还考察圆杆碰撞和行人保护等各种可能事故的情形,是较为全面的评估。第二类是在美国实施的USNCAP,它前撞采用固定不可变形的壁障,通常只对前排乘客进行评估,侧撞只对成人乘客评估。韩国KNCAP也借用USNCAP。第三类是混合体,就是将EuroNCAP和USNCAP结合起来的试验方法,如日本JNCAP,以及即将实施的中国CNCAP。第三种方法借用前两种标准,具有较好的综合评价性。但由于起步较晚,评估的内容相对较少,车速相对较低。通过近10年的试验,EuroNCAP被评价为最具权威性和最严格的NCAP,它由国际汽车联合会牵头,不依附于任何汽车生产企业,所需经费由欧盟提供,不定期对已上市的新车和进口车进行碰撞试验。鉴于它对消费者购车选择产生的巨大影响,欧洲主流汽车品牌对EuroNCAP成绩非常重视,部分企业在新车样车碰撞结果不佳时甚至对产品进行改进,并主动进行二次测试。NCAP通常按照试验结果分级计分,将车辆的安全等级分为5星或6星。星级越高,则车辆的安全性越好,反之越低。由于各NCAP之间的试验和评估方法不一样,即使获得不同NCAP的星级相同,也不能说明他们具有相同等级的安全性。2NCAP对汽车安全技术的影响2.1车身结构的改善不同NCAP对车身结构提出了不同要求。USNCAP不仅要求车辆在碰撞过程中不能超过一定的减速度,而且要求击溃长度不少于一定值。而EuroNCAP要求影响乘员安全性的零件如前围板、制动踏板、方向管柱等对乘员的侵入量不能超出一定值。因此前舱的刚度不能太大或太小,否则无法满足各个NCAP的要求。为最大程度上保护车内乘员和行人的安全,汽车整车设计成前后部刚度较小、乘客舱刚度很大。而且将发动机舱设计成三段式,分别为低速行人保护区、相容吸能区和自身保护区。这样在低速时既能使行人的伤害减低到最小,同时又能在高速碰撞时通过前后舱结构的压溃来吸收碰撞中的大部分能量,有效保护乘客,见图1汽车交通事故发生在前面的概率约为40%,因此前舱设计是汽车结构设计的重点,前舱设计实际上是能量传递路线的设计。从图1可见,通常将前端碰撞的能量传递路线设计成3条,一条是沿着水箱横梁传递给翼子板加强板,然后经A柱传递给驾驶舱上体;第二条路线由前纵梁传给翼子板加强板,经前围板传给驾驶舱上体,由前地板纵梁传给车身下体;第三条路线由前悬架延伸梁(在前端和纵梁采用一定的支架连接),经副车架传给车身纵梁,从而传给车身下体。3条路线能避免能量的过度集中,有效提高整车的安全整体承受能力。为保证上述3段强度和3条能量传递路线,通常采用不同性能的材料进行组合以满足不同区域的要求,对于车身结构的加强件如纵梁、B柱加强板、门槛梁加强板、A柱下段加强板、车门防撞杆以及座椅支架等均采用高强度钢或超强度钢(TRIP)。这2种材料在汽车上的应用越来越多,所占的比重越来越大。以菲亚特产品为例,80年代超强度钢使用比例为0,高强度钢使用比例为6%,90年代高强度钢使用比例增加至10%。自NCAP规范使用后,高强度钢增加至22%,超强度钢增加至4%。到2005年底,高强度钢占到50%,超强度钢占到17%。低碳钢的比例也由80年代的94%降低至33%。这组数据从一定程度上反映了汽车工业上各种不同材料钢材在汽车上的应用趋势。纵梁总成在很大程度上决定了汽车纵向碰撞的安全性能,因此也成为研究重点。通常将纵梁前部设计成梯形结构钢梁、孔式结构、褶皱式造型、波纹管状结构来诱导纵梁的变形节奏和能量传递路径;通过优化纵梁的不同材料组合,既能降低纵梁重量20%,降低成本几十美金,而且能有效提高纵梁的碰撞、刚度和模态性能。此外,通过优化纵梁的截面形状(包括加强筋布置)、厚度、尺寸和结构形式等使结构的变形阻力保持在适当水。平,并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计原则及能量吸收曲线图。为满足侧撞的要求,侧围通常设计成能将侧碰力有效传递到车身具有保护作用的梁、门立柱、地板、顶盖及其它部件,使撞击力被这些部件吸收,从而极大限度地把可能造成的伤害降低到最小程度。因此需要采用高强度钢增加车门的刚度;增大A、B、C立柱的截面形状,以及局部加强侧围与门加强件接触部位、立柱与门槛和车顶纵梁连接部位的强度;增加地板横梁,将座椅支架和门槛梁连接一体增加侧向防撞能力。2.2安全约束系统的改进安全约束系统的配备和性能的提升是增加NCAP星级的有效途径。目前通常采用预紧式安全带代替传统安全带系统。预紧式安全带的特点是当汽车发生碰撞事故的一瞬间,在乘员尚未向前移动时它会首先拉紧织带,立即将乘员紧紧绑在座椅上,然后锁止织带防止乘员身体前倾,有效保护乘员的安全。福特公司最近发明一种膨胀式的安全带,能像安全气囊一样在碰撞时配合安全带的收紧充气,有效保证乘员的内脏不受到严重挤压。同时,能自动给乘员佩带身上的安全带,以提高安全带的佩带率。安全气囊作为安全带的辅助安全设施在交通事故中也大大提高了乘员的安全性。通常一辆NCAP星级较高的车辆会配备驾驶员和副驾驶气囊、侧碰撞气囊及车窗侧气帘等多个气囊,在不同的碰撞中保护乘员不同方位的安全。目前,两段式安全气囊正在逐步替代普通安全气囊,因为它能根据汽车碰撞的加速度和安全带的状态,分2种不同的速度和强度展开,避免造成对乘客的不必要伤害。智能安全气囊作为发展方向,采用先进的传感器技术和信息处理系统,在事故发生的短暂时间内提供可靠的碰撞环境信息;通过优化气囊的充气速率、折叠方式和最佳点火时间,碰撞时转向柱、座椅及头枕、安全带等各自满足相关标准的最佳结构和力变形特性以及各部件碰撞特性的协调与互补问题,根据检测到的乘员身高、体重、坐姿等信息,自动将乘员保护系统调节到最佳保护状态,使乘员保护系统逐步智能化。对保护追尾碰撞的座椅头枕,目前多采用手动调节的方式,很多人一般不会太重视,但是头枕的位置如果调整不正确有可能造成对头颈的伤害。因此目前的新产品均能通过嵌装在头枕中的新型传感器,检测头枕与头部之间的距离,算出头枕应该移动的距离,自动将座椅调整至最佳状态,有效保护乘员头颈的安全。2.3假人和传感器的改进假人作为代替真人参与各种NCAP试验的研究对象,在汽车安全性的研究方面具有很重要的地位。假人的生物保真程度将大大影响试验的精确性。因此需要按照不同年龄的生理特征研制不同规格的假人。假人模型大部分是由金属与塑料制作的,其胸腔是钢制的,肩胛骨是铝制的,盆骨是塑料的。假人的皮肤摸上去不仅要有弹性,还要跟真人一样有一定的承受力。一个假人由近00个部件、约60个传感器组成。通用汽车的HybridIII,衍生出了从新生婴儿到55岁成年人的各个不同年龄段、不同性别的模拟假人,已经可以实现95%的人体模拟保真度。今后的发展趋势是如何尽可能地使假人特性接近真人,以及假人身体内传感器的合理部位和个数及传感器本身的灵敏度和数据处理系统能力的提高。2.4NCAP规范本身的改进自1996年秋季以来,经过一系列演变,EuroNCAP已经达到了第14个阶段。在这个演变过程中,试验与评价方法都经历了改变与改进,增加减分项和加分项。每一次改变,厂商都会积极应对,改善车辆结构,使原来的非标准配置转变为标准配置。NCAP对安全性的推动效果是显而易见的。从1996年NCAP实施后的7年时间里,有165个车型接受了评价。众多的试验结果为NCAP更好地评估车辆的安全性能提供了丰富的素材。各国的NCAP也在不断的演变和改进。澳洲的ANCAP刚开始有一套自己的评价系统,随着EuroNCAP的出现和应用,ANCAP也在许多方面借用了EuroNCAP的方法。目前韩国的KNCAP只评价车辆前碰的安全性能,相信在不久的将来也会逐步实施侧撞和圆柱碰撞等评估内容。此外,单纯的试验方法也是不可靠的。NCAP应该是一个将深入事故分析法和安全试验法相结合的产物。在今后的研究过程中,还将根据实际交通事故中出现的各种可能的事故状况,更为全面地制订出安全试验的试验和评估方法,进一步对现有产品的结构安全性能提出更高的要求。