1汽车被动安全性概念
汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。汽车的被动安全性主要是指在发生意外的碰撞事故时,如何对司机和乘员进行保护,尽量减少其所受伤害。改善汽车的被动安全性能,在碰撞事故中对乘员采取有效的保护措施,是汽车制造厂提高其产品竞争力的重要手段。因此,汽车结构设计、内部装置及内饰,在发生碰撞时对乘员起保护作用的乘员保护系统的设计,在汽车开发中占据首要地依。
2碰撞事故中乘员伤害原因及相应对策
汽车发生碰撞事故一般是指汽车和外部事物之间的碰撞,称之为一次碰撞。乘员与汽车内部结构的碰撞,称之为二次碰撞。
乘员的伤害主要是由下述几种原因造成的:第一,在碰撞时,汽车结构发生变形,汽车构件侵入乘员生存空间,使乘员受到伤害;第二,碰撞时,由于汽车结构破损等原因,使得乘员的部分身体或全部身体暴露到汽车外面而受伤;第三,当汽车结构设计较好时,尽管汽车构件没有侵入乘员生存空间,乘员身体也没有暴露到汽车外部,但在碰撞的作用下,汽车的速度急剧减小,这时乘员由于惯性作用继续移动,与汽车内部结构(如方向盘、仪表板等)发生碰撞而造成伤害。在第三种情况下乘员受到的伤害是直接由二次碰撞造成的。
提高汽车的被动安全性,可从下面两个方面采取对策:第一,提高汽车结构的安全性,即使得汽车碰撞部位的塑性变形尽量大,吸收较多的碰撞能量,降低汽车减速度的峰值,尽量诚缓一次碰撞的强度;使得汽车乘员舱部分有足够的强度和刚度,确保汽车乘员的生存空间,并保证发生事故后乘员能够顺利逃逸;同时保证碰撞时乘员身体不暴露到车外;第二,使用乘员保扩系统,即使用安全带、安全气袋等乘员保护装置对乘员加以保护,通过安全带的拉伸变形和气袋的排气节流阻尼吸收乘员的动能,使猛烈的二次碰撞得以缓冲,以达到保护乘员的目的。
因此,提高汽车的被动安全性,要从汽车结构设计和乘员保护系统两个方面入手。汽车结构设计方面要考虑车身、车架、座椅、转向机、内饰等。乘员保护系统则应考虑使用安全带、气袋等。
3国内外研究概况
欧美等发达国家对汽车被动安全性的研究开展较早,并已经以法规形式对汽车提出了明确的评价指标和方法。在美国,美国的联邦机动车安全标准FMVSS就已经对汽车被动安全性提出了要求,加FMVSS 208,209,210,213规定了对乘员保护系统和部件的评价方法;FMVSS 214对侧门强度提出了评价方法;FMVSS 301对燃油系统的完整性提出了评价方法;FMVSS201,202,203,204,207对内部装置提出了评价方法,等等。在欧洲,ECE法规系统和EEC指令均对汽车被动安全性提出了要求,其中对轿车被动安全性要求有:在碰撞时对转向装置性能的要求(74/297/EEC)、对乘员约束系统和对安全带的要求(77/541/EEC)、安全带的固定要求(76/11/EEC)、座椅及其固定要求(74/408/EEC)等。
安全带由于在正面低速碰撞事故中能有效地保护乘员,在发达国家早已普及,欧洲许多国家法规规定汽车乘员必须使用安全带。但在车速为48.3km/h的正面固定壁碰撞试验中,仅仅使用三点式安全带,往住使乘员头部、胸部的伤害指标超过FMVSS208中所规定的限值。
安全气袋是1958年发明的,并申请了专利。由于它在汽车碰撞事故中,能够有效地保护乘员,减少伤亡,近20年来,在北美、欧洲、日本等工业发达国家得到迅速的发展和普及。美国法规规定在1997年9月1日后出厂的轿车中必须安装司机侧和前排乘员侧气袋,而在欧洲是标准装备和选件并存。现在新车型基本都安装有安全气袋。
安全气袋的保护作用是十分显著的。据美国官方公布的数字,1986年至1997年2月l5日,安全气袋共挽救了1828人的生命(1639名司机,l89名乘员)。安全气袋同时也有副作用。在上述时间段内,气袋造成38名儿童、21名司机、2个乘员死亡。
这些主要发生在低速碰撞的情况。造成死亡的原因有如下几种:
儿童及儿童座椅靠近气袋;碰撞前的制动使得儿童更加靠近气袋。气袋主要造成头和颈部伤害;另外矮个子司机受到的伤害也是类似原因。
目前欧美等发达国家对乘员保护系统的研究主要有下述几个方面:
(1)研究安全带的布置方式、结构形式,提高安全带的佩戴舒适性和适用范围,使之对乘员起到较好的保护作用。例如普通的三点式安全带使用一个卷收器,佩戴时会使得腰带越来越紧,不舒适;而通用公司某新型车上的安全带上下两个固定点各使用一个卷收器,则解决了此问题。
(2)研究使用新型的安全带,如预紧式安全带、眼力式安全带。
(3)发展低能量气袋,减少气袋对离位乘员、儿童乘员的伤害。
(4)研究侧撞气袋、翻滚气袋等保护装置。
(5)研究智能保护系统。
(6)研究膝部、小腿、踝部的保护装置。
我国在汽车被动安全性方面的研究工作起步较晚,但发展很快。清华大学汽车研究所、中国汽车技术中心、一汽、二汽、上海交速装卸机械厂等单位先后建成或引进了汽车碰撞试验台,进行了整车碰撞试验及零部件模拟碰撞试验。在汽车安全措施上,我国于]993年7月1日对小型客车驾驶员和前排乘员强制使用安全带。国产轿车也开始研究配装安全气袋。国家已于2000年1月1日实施了关于正面碰撞乘员保护的法规(CMVDR 294)。
4研究乘员保护系统的有关试验及假人伤害评价指标
实际事故中汽车的碰撞形式是各式各样的,大体可分为发生在车头区域的前碰撞(正面碰撞)、侧面碰撞、追尾碰撞、滚翻等。
每种碰撞又有不同的类型。对于前碰撞,
大致有如下几种类型:(1)正面全宽碰撞,即车与墙正面相撞或车与车正面相撞(两车没有错开);(2)正面偏置碰撞,也是车与车正面相撞,但两车的碰撞面不是全部的车头;(3)斜撞,即车与墙壁成一定角度碰撞;(4)车撞树或电线杆;(5)小车迫尾撞入大车的下面;(6)小车骑乘到地面凸起物加石头上。
这些碰撞发生时,其碰撞强度、减速度波形、车体变形等都是不一样的。
针对不同的碰撞方式,研究和评价乘员保护系统时,需进行各种碰撞试验。前碰撞一般进行障碍壁碰撞试验。汽车以48.3km/h(30mph)的速度与钢筋混凝土的障碍壁发生碰撞,汽车速度与障碍壁成90°±30°的夹角。碰撞分为全宽碰撞和偏置碰撞。有的试验还在障碍壁前加装可变形物,障碍壁的质量不小于75t。
侧面碰撞试验是用移动壁碰撞汽车。美国和欧洲的标准有所不同。
追尾碰撞一般为移动壁碰撞试验。
美国FMVSS中,为发展低能量气袋,还规定了替代整车试验的气袋滑车试验。并在试验中增加了假人颈部的伤害指标。
碰撞试验中,乘员碰撞保护的定量分析主要取决于试验假人的伤害评价指标。试验用假人一般使用50百分位的混合假人。
主要的伤害评价指标各个国家基本相同,主要有如下几项:
(1)假人头部的合成加速度应使HIC值不超过1000HIC为头部损伤指数,是英文Head Injury Criteria的缩写。
(2)当作用时间超过3ms时,假人胸部质心合成加速度αcmax应不大于60g。
(3)大腿骨所受的轴向力≤10000N。
(4)胸骨相对脊椎的位移≤75mm。
(5)假人颈部伤害指标:
弯曲扭矩:190Nm
外翻扭矩:57Nm
轴向拉力:3300N峰值
轴向剪力:3100N峰值
轴向压力:4000N峰值
轴向剪力:3100N峰值