1、车辆被动安全性设计一、车辆事故分析和被动安全性评价方法二、车内被动安全性三、外部被动安全性四、被动安全性试验车辆被动安全性设计方案第1页一、车辆事故分析和被动安全性评价方一、车辆事故分析和被动安全性评价方法法 (一一)分析车辆事故分析车辆事故 道路交通事故统计和分析是研究汽车道路交通事故统计和分析是研究汽车被动安全性基础。依据事故统计，了解被动安全性基础。依据事故统计，了解事故与气候、道路、时间以及驾驶员和事故与气候、道路、时间以及驾驶员和车外人员年纪等关系车外人员年纪等关系(影响原因影响原因)，并找，并找出发生频数最多那一部分事故出发生频数最多那一部分事故(即所谓即所谓“经典事故经典事故”）
2、，便于集中力量进行研究。），便于集中力量进行研究。车辆被动安全性设计方案第2页右侧通行轿车碰撞事故类型右侧通行轿车碰撞事故类型分布分布 正面碰撞占正面碰撞占64以上，以上，其中其中50%是车前左侧是车前左侧（右侧通行）。（右侧通行）。侧面碰撞是第二种常侧面碰撞是第二种常见事故类型。见事故类型。大客车追尾碰撞百分大客车追尾碰撞百分比高于轿车，大客车比高于轿车，大客车右后角更轻易被碰撞。右后角更轻易被碰撞。车辆被动安全性设计方案第3页1.1.碰撞部位分布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车辆被动安全性设计方案第4页轿车碰撞事故类型分布轿车碰撞事故类型分布 从撞车速度来看，正从撞车速
3、度来看，正面撞车速度高于侧向面撞车速度高于侧向撞车和追尾碰撞。撞车和追尾碰撞。有有50%以上正面碰撞以上正面碰撞事故速度高于事故速度高于60km/h，而，而90追尾碰撞事追尾碰撞事故速度低于故速度低于30km/h。车辆被动安全性设计方案第5页事故中头、胸、下腹和事故中头、胸、下腹和脊椎等部位伤害是主要脊椎等部位伤害是主要致死原因。致死原因。车辆被动安全性设计方案第6页轿车各个座位危险系数轿车各个座位危险系数车辆被动安全性设计方案第7页撞车中轿车驾驶员受伤过程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撞车中轿车前排乘客受伤过程 车辆被动安全性设计方案第8页受伤部位分布受伤部位分布车辆被
4、动安全性设计方案第9页撞车中轿车前排乘客撞车中轿车前排乘客无安全带无安全带/有安全带受伤过程有安全带受伤过程车辆被动安全性设计方案第10页1-头头2-面部面部3-颈颈4-胸部胸部5-上肢上肢6-腹部腹部7-下肢下肢 事故中轿车乘员身体各部位受伤分布事故中轿车乘员身体各部位受伤分布车辆被动安全性设计方案第11页事故中轿车乘员身体各部位受伤分布事故中轿车乘员身体各部位受伤分布车辆被动安全性设计方案第12页汽车和自行车碰撞时速度多在汽车和自行车碰撞时速度多在4050km/h，而与摩，而与摩托车碰撞速度则高得多，往往超出托车碰撞速度则高得多，往往超出65km/h。大多数行人是在交叉路口和道路入口处从侧
5、面被汽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。车正面所撞。轿车平均碰撞速度不超出轿车平均碰撞速度不超出35km/h。汽车速度超出汽车速度超出40 km/h，则常会造成行人死亡。，则常会造成行人死亡。载货汽车，载货汽车，20km/h速度已可使行人头部受到致命伤速度已可使行人头部受到致命伤害。害。车辆被动安全性设计方案第13页评价被动安全性最简单指标是评价被动安全性最简单指标是“事故严重程度原因事故严重程度原因”F，即，即 Ns事故中死亡人数事故中死亡人数(当场死亡或事故后存活当场死亡或事故后存活不超出不超出7昼夜昼夜)；Nsh事故中受伤人数。事故中受伤人数。各国统计数据表明，各国
6、统计数据表明，般在般在1/51/40范围内。范围内。车辆被动安全性设计方案第14页衡量道路交通事故严重程度指标还有每衡量道路交通事故严重程度指标还有每10万居民、万居民、每每1000000km行程、每万车事故死伤人数。行程、每万车事故死伤人数。考虑到事故中伤亡情况差异，前苏联学者提出了考虑到事故中伤亡情况差异，前苏联学者提出了“危危险系数险系数k”概念，即概念，即Nq轻伤人数；轻伤人数；Nz重伤人数；重伤人数；No未受伤人数；未受伤人数；k1、k2、k3加权系数，取加权系数，取k1=0.015，k2=0.36，k3=1 车辆被动安全性设计方案第15页事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接相关，骨折
7、与作用力相关，组织损伤与剪切应力相关。研究汽车内部被动安全性主要内容是降低人体减速度。车辆被动安全性设计方案第16页汽车与固定障碍相撞时减速度改变a)平均减速度沿车长方向分布b)质心处减速度随时间改变过程 在轿车发生正面碰撞或碰撞固定障碍物时，前部出现尤其大平均减速度jcp(300400)，向后逐步降低。其质心位置平均减速度jcp为4060，瞬时值可达80100g。1.安全车身车辆被动安全性设计方案第17页轿车各部不一样刚度(乘坐区刚度大,确保乘员生存空间)为了降低正面碰撞时减速度，在轿车前部做成折叠变形区。这么，在撞车时可提供400mm700mm变形行程，经过前部折叠区变形来吸收撞车时动能。
8、车辆被动安全性设计方案第18页轿车前部变形力梯度特征折叠区变形力应满足梯度特征。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本身保护(针对本车乘员)生存空间车辆被动安全性设计方案第19页图4-68 轿车前部变形力梯度特征变形力从前向后逐步增加，使得撞车力较小时，变形仅限于前部零件。1.安全车身车辆被动安全性设计方案第20页轿车各部不一样刚度(乘坐区刚度大,确保乘员生存空间)后部撞车速度较低，轿车后部折叠区变形过程约为300500mm。备胎后置有利于减小冲撞加速度，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。车辆被动安全性设计方案第21页侧向碰撞时，因为碰撞部位装饰件和
9、结构件允许变形行程很小，吸引能量能力远小于前部和后部，因而引发车内严重变形对乘客伤害危险性很高。伤害危险性很大程度上取决于轿车侧部结构强度(立柱和车门联接、顶部及底部与立柱联接)、底板横梁和座椅承载能力以及门内板设计。应确保主撞车不致侵入被撞车乘员空间。车辆被动安全性设计方案第22页车辆被动安全性设计方案第23页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，赛车乘员则用四点式。2.限制乘员位移安全带形式车辆被动安全性设计方案第24页安全带惯性式锁紧装置只要拉伸速度超出设计速度就能够把安全带拉紧。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
10、.9kN。在正常行驶时，安全带能够任意伸长而不妨碍驾驶员操作和乘员基本活动。车辆被动安全性设计方案第25页安全带效果无安全带死亡事故在使用了安全带以后可转化为重伤或轻伤。车辆被动安全性设计方案第26页以50km/h撞墙试验时汽车与乘员减速度改变情况50km/h撞墙试验时乘员头部减速度如右图，三点式安全带可使头部减速度降低二分之一。车辆被动安全性设计方案第27页为了防止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速度差。车辆被动安全性设计方案第28页前部气囊(airbag)在发生碰撞时，被以突然爆炸方式
11、充气，在乘员与气囊接触前充满。气囊与乘员接触时，马上部分泄气，并以生理上可承受表面压力和减速力，柔和地吸收能量，这时最少在很大程度上能够减小乘员头部和胸部损伤。驾驶员前部气囊容积5060L，应在3035ms时间内充满氮气；副驾驶前部气囊容积100140L，要求在50ms内充满。车辆被动安全性设计方案第29页乘员前部防护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。车辆被动安全性设计方案第30页安全气囊安全气囊 安安全全气气囊囊能能够无无须限限制制乘乘客客正正常常活活动。
12、安安全全气气囊囊作作用用情情况况，传感感器器1 1在在撞撞车发生生时可可感感知知车身身变形形和和减减速速度度，撞撞车信信号号经过引引爆爆装装置置2 2使使气气体体发生生器器3 3产生生了了高高压氮氮气气和和氩气气进入入安安全全气气囊囊4 4。气气囊囊可可在在50ms50ms内内充充气气完完成成，保保护乘乘客客头部部和和上上身身。事事故故发生生后后经过100ms100ms，气气囊囊气气体体经过专门孔孔放放出出，乘乘客客能能够自自由由活活动。使使用用安安全全气气囊囊缺缺点点是是在在放放气气时形形成成160160180dB180dB声声压，另外成本高。，另外成本高。车辆被动安全性设计方案第31页安全
13、气囊作用情况安全气囊作用情况车辆被动安全性设计方案第32页车辆被动安全性设计方案第33页车辆被动安全性设计方案第34页侧面气囊装在车门或座椅架上因为乘员与向内移动汽车部件之间距离很小，所以容积为12L侧面气囊响应时间不得超出3ms，充满时间应小于10ms。车辆被动安全性设计方案第35页影响安全带收紧器和气囊保护效果决定原因是在准确时间触发。就气囊来说，要使乘员在气囊依然处于充满状态并开始放气时与其接触。电子控制触发装置经过加速度传感器来检测碰撞过程中减速力大小，在识别碰撞类型后（如正面、横向或成一定角度碰撞），快速准确触发气囊和安全带收紧器，引爆气体发生器。车辆被动安全性设计方案第36页侧面气
14、囊利用压力传感器来检测侧向碰撞造成车门变形引发压力上升，触发气体发生器。两侧使用相互独立传感器，分别检测各自压力，决定是否触发。车辆被动安全性设计方案第37页3.消除部件致伤原因在乘坐区设计时必须确保在乘员生存空间内没有致伤部件。因为人体尺寸差异，乘员乘坐姿势不一样，生存空间形式也各不相向。车辆被动安全性设计方案第38页生存空间 在图中画出了在撞车前和撞车后零件变形界限。车辆被动安全性设计方案第39页生存空间 界限1-1将引发轻伤，界限2-2造成重伤，3-3将是致命。车辆被动安全性设计方案第40页仪表板下部、转向盘和挡风玻璃引发伤害事故频数较高。仪表板下部应安装膝部缓冲垫。挡风玻璃应采取钢化玻
15、璃或夹层玻璃。转向盘可采取弹性有波纹结构，而且盘缘可变形，转向柱能弯曲或伸缩。乘员室内各种部件应软化，材料燃烧速度要小。车辆被动安全性设计方案第41页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，最终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“一次碰撞”。车速越高，头部撞击点越靠近风挡玻璃。因为汽车制动使行人与汽车分离，行人以与碰撞速度相近速度撞到路上，这是“二次碰撞”。1.轿车与行人碰撞车辆被动安全性设计方案第42页撞人事故中行人动态示意图在有事故中还发生行人被汽车辗压。这是“三次碰撞”。车辆被动安全性设计方案第43页决定行人伤害严重程度主
16、要原因是一次碰撞部位和汽车与人体碰撞部件形状、刚度。行人/轿车碰撞结果统计车辆被动安全性设计方案第44页汽车前部形状参数和刚度对碰撞影响汽车前部形状参数和刚度对碰撞影响车辆被动安全性设计方案第45页汽车前后均应装保险杠。设计合理保险杠不但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撞击速度。保险杠高度取为330350mm是适当，可确保大部分行人碰撞部位发生在膝盖以下。保险杠应该没有尖角和突出部，而且适当软化。车辆被动安全性设计方案第46页从安全角度看，发动机罩前端圆角半径应
17、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，而且取消突出部，如雨刷在停顿状态时应位于发动机罩下，不设导雨槽等。车辆被动安全性设计方案第47页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。尤其是二者尺寸相差悬殊时，轿车往往“楔入”载货汽车下面，轿车前部折叠区不能发挥作用，而造成乘坐区受到破坏。故对于尾部离地高度大于700mm车辆应装后保险杠，保险杠安装高度普通为380560mm。尾部缓冲装置2.载货汽车外部被动安全性车辆被动安全性设计方案第48页载货汽车与行人相撞造成伤亡远比轿车严重。这是因为一次碰撞中，不论是长头还是平头驾驶室
18、载货汽车，都不可能存在轿车事故中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，易于造成人伤亡。驾驶室上突出后视镜、驾驶员踏板以及保险杠也轻易使行人头部、骨盆和大腿受伤。车辆被动安全性设计方案第49页车辆被动安全性设计方案第50页汽车被动安全性试验应尽可能再现经典公路撞车事故现象。试验中需要测量车辆变形、减速度及负荷。必要时在车内设置试验用假人，测定相关部位负荷及变形情况。车辆被动安全性设计方案第51页正面全宽碰撞试验固定障壁，50km/h实车正面碰撞试验时采取固定障壁，障壁布置有全宽如40%重合偏置两种，见图4-77和图4-78。正面40%重合偏置碰撞试验蜂窝状铝合金变形
19、障壁，56km/h 车辆被动安全性设计方案第52页5-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上摄影机摄碰撞点4-移动障壁B上摄影机摄碰撞边车辆被动安全性设计方案第53页侧向碰撞试验采取移动变形障壁。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。图示为碰撞左侧情况，碰撞右侧与这类似，移动障壁碰撞材料为铝制蜂
20、窝状材料。侧向碰撞试验车辆被动安全性设计方案第54页正面碰撞中试验车以及侧向碰撞中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严重程度，要在试验车内放置假人。试验用假人各部肢体在形状、运动学和动力学性能方面都和真人相同，并能模拟人体若干动作。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。车辆被动安全性设计方案第55页车辆被动安全性设计方案第56页用于侧向碰撞试验假人是专门设计，与正面碰撞试验用假人有很大区分。试验用“假人”系列包含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最大位移和冲击力，风窗玻璃安全性等也要严格测试。车辆被动安全性设计方案第57页
