正面碰撞安全性设计基础

汽车、乘员运动速度
---乘员在碰撞发生18.4ms后开始减速 ---车辆在73.9ms时开始反弹 ---乘员在86.5ms时开始反弹
18.4ms 86.5ms
73.9ms
74ms，车辆开始反弹时刻
87ms，乘员开始反弹时刻
汽车、乘员运动位移
---车辆在73.9ms时最大变形71.44cm ---乘员在86.5ms时最大位移96.89cm ---乘员相对于汽车在93.8ms时最大位移27.85cm
60 Velocity (Kph) 50 40 30 20 10 0 -50 0 Time (ms) 50 100
车辆先于乘客达到静止状态
Vehicle comes to rest prior to the occupant Vehicle deceleration is greater than the occupant
Real Occupant Crash Velocity 现实中的乘客碰撞速度
60 50
Velocity (Kph)
Sensing Time 传感器检测到信号 Seat Belt Acting 安全带发生作用 Seat Belt & Airbag Acting 安 全带及安全气囊同时发生作用
40 30 20 10 0 -50 0
Crash Basics 车辆碰撞的基本知识
Probability of Injury is Related to Deceleration
乘客受伤的可能 性取决于减速度
Increasing the Time or Distance Over Which Deceleration Takes Place Will Reduce the Probability of Injury 增加减速过程的时间或者距离可以减少乘客受伤的可能性
车内空间 车辆变形产 生的空间 有效乘客 约束空间
Interior Large Car 30
大型轿车
Crush 95
Restraint Distance 125 cm
Small Car
小型轿车
22
55
77 cm
Van
面包车
25
源自文库65
90 cm
Truck
卡车
25
80
105 cm
Perfect Occupant Crash Velocity 乘客的理想碰撞速度曲线：匀减速
278.5
51.8
约束系统迟滞 Sd=51.8mm
约束系统迟滞对Ride-down的影响
• 当S1、S2为常数时：
–Sd↑，Ride-down↓ –Sd↑， a↑
减速度 A
a
S1 Sd S2 位移
• 乘员约束系统的迟滞 使乘员的动能被车身 结构变形吸收的能量 (Ride down能量)减 小，不利于降低乘员 伤害
V 56km / h 15.56m / s a 40 g 392m / s
2
V2 S 0.309m 30.9cm 2a
乘员胸部约束刚度曲线
---约束系统迟滞18.4ms，位移5.18cm ---乘员相对于汽车最大位移27.85cm ---乘员在相对位移26cm的位置胸部减速度最大
理想的汽车正面碰撞保护系统需要 的设计空间
• 保证减速度最小的理 想减速为匀减速运动。 V 64km / h 17.78m / s • Euro-NCAP要求的正 2 a g m s 40 392 / 面碰撞速度为64km/h。 2 V • 控制乘员胸部减速度 S 0.403m 40.3cm 2a 小于等于40g。 • 理想的正面碰撞保护 系统需要的设计空间 欢心鼓舞！！！ 为40.3cm。
减速度
• 约束力变成斜线，设 计空间S1+S2需要成倍 增长。 • Sd的影响相同。
A
a
位移
S1 Sd
S2
S1 S d 1 t S S a ( ) 1 d 2 madx v S S S S S 2 ( ) a 1 0 1 2 1 d d 1 2 AS1 2S1 ( S1 S 2 S d ) A 1 S 2 mv0 S S 2 1 d 2 2 v0 v0 a A ( S1 S 2 S d ) 2S1
278.5
51.8
理想的 约束力
约束力是斜线、有迟滞的的汽车正 面碰撞保护系统需要的设计空间
• 美国NCAP要求的正面碰 撞速度为56km/h。 • 控制乘员胸部减速度小于 等于40g。 • 约束力是斜线、迟滞 18.4ms时：正面碰撞保护 系统需要的设计空间为 90.7cm。 • 实际试验的设计空间为 97cm，上述模型的理论 估算与实际值已经十分接 近。
约束力是斜线的汽车正面碰撞保护 系统需要的设计空间
• Euro-NCAP要求的正 面碰撞速度为64km/h。 V 64km / h 17.78m / s • 控制乘员胸部减速度 a 40 g 392m / s 2 小于等于40g。 V2 S 0.806m 80.6cm • 约束力是斜线时：正 a 面碰撞保护系统需要 的设计空间为80.6cm 。 • 斜线的约束载荷使设 计空间增加一倍。
1 2 mv0 2 1 S2 1 S1 S d
madx
0
t
v

a ( S1 S d ) S1 S d AS1 S1 S 2 S d
2 v0 a 2( S1 S 2 S d )
2 v0 A 2 S1
260, 40.9
对正面碰撞乘员保护不利的因素： • 约束系统的迟滞 • 约束力近视为斜线，而不是理想 的矩形
V 56km / h 15.56m / s a 40 g 392m / s 2 V2 0.618m 61.8cm S Sd a S d 56.5 / 3.6 *18.4 289mm 28.9cm S 61.8 28.9 90.7cm
约束力形状对Ride-down的影响
第五章：正面碰撞安全性设计基础
同济大学 汽车学院 朱西产
第五章：正面碰撞安全性设计基础 • 汽车碰撞安全性设计基础 • 正面碰撞车身结构耐撞性设计基础 • 约束系统设计基础
碰撞安全性设计理论
Newton’s First Law 牛顿第一运动定律
An object at rest remains at rest, and an object in motion continues in motion with constant velocity unless it experiences a net external force.
Time (ms)
Perfect Occupant 理想曲线 Real Occupant 现实曲线
50
100
Maximum Slope (Acceleration) is Higher Than Ideal 现实曲线的最大斜率大于 理想曲线
Interior Interaction in a Crash 碰撞过程中乘客与车辆内部的接触
Crash Basics 车辆碰撞的基本知识
Impact Velocity
车内空间
Interior Room
+ Vehicle Crush
车辆变形产生的空间
Available Restraint Distance
可利用的乘客约束空间
Available Restraint Distance 可利用的乘客约束空间
乘员“降乘（Ride-down）”效应
试验结果统计表明： 增加Ride-down效 率，能够有效地降低 乘员伤害
S1
71cm
26cm
S2
理想约束系统的Ride-down分析
• 当S2为常数时：
–S1↑，Ride-down↑， a↓
减速度 A
a
S1 S2
v
位移
• 增加正面碰撞的车身 变形量（控制车身冲 击波形），乘员的动 能被车身结构变形吸 收的能量(Ride down 能量)增加，有利于降 低乘员伤害
260, 40.9
对正面碰撞乘员保护不利的因素： • 约束系统的迟滞 • 约束力近视为斜线，而不是理想 的矩形
278.5
51.8
约束力是斜线的汽车正面碰撞保护 系统需要的设计空间
• 美国NCAP要求的正面 碰撞速度为56km/h。 V 56km / h 15.56m / s 2 a 40 g 392m / s • 控制乘员胸部减速度 小于等于40g。 V2 S 0.618m 61.8cm • 约束力是斜线时：正 a 面碰撞保护系统需要 的设计空间为61.8cm。 • 斜线的约束载荷使设 计空间增加一倍。
FUSION (FORD)
车重： 2132 Kg 前桥荷载： 1130kg 后桥荷载： 1002kg 乘员+行李： 385kg
用司机胸部代表车内乘员的运动
---乘员胸部减速度最大值40.9g
86.7ms,40.9
18.4ms
0ms，碰撞初始时刻
18ms，约束起作用时刻
87ms，乘员胸部减速度最大时刻
86.5, 968.9
73.9, 714.4 93.8, 278.5
26cm 71cm
实际与理想的差别
• 要达到US-NCAP五星 级，实际的设计空间 达到71+26=97cm • 按照理想的匀减速运 动设计，要实现上述 设计目标只需要约 31cm • 与理想的保护系统对 比，实际的设计空间 几乎是理想设计空间 的3倍
车辆的减速度大于乘客
正面碰撞开发要求 US NCAP
US-NCAP五星要求: 控制胸部加速度小于等于40g
理想的汽车正面碰撞保护系统需要 的设计空间
• 保证减速度最小的理 想减速为匀减速运动。 V 56km / h 15.56m / s • 美国NCAP要求的正面 2 碰撞速度为56km/h。 a 40 g 392m / s 2 V • 控制乘员胸部减速度 S 0.309m 30.9cm 小于等于40g。 2a • 理想的正面碰撞保护 系统需要的设计空间 欢心鼓舞！！！ 为30.9cm。
madx
0
t
1 2 mv0 2
a S1 A S1 S 2

1 S 1 2 S1
2 v0 A 2S1
2 v0 a 2( S1 S 2 )
86.7ms,40.9
18.4ms
约束系统迟滞 18.4ms
260, 40.9
对正面碰撞乘员保护不利的因素： • 约束系统的迟滞 • 约束力近视为斜线，而不是理想 的矩形
Action Reaction Direct AB Reaction Direct S/B Reaction Indirect
Floorpan Floorpan Hidden Buckle Mounting
NCAP正面碰撞试验（56km/h）
Test No.: Contract or Study Title: Test Performer: Test Reference No.: Test Type: Test Configuration: Closing Speed (kph): Impact Angle (degrees): Offset Distance (mm): Version No.: Test Objectives: Test Date: Contract No.: Test Track Surface: Test Track Condition: Ambient Temperature (degrees Celsius): Type of Recorder: Total No. of Curves: Test Commentary: 7339 NCAP - 2011 FORD FUSION HYBRID 4-DR SEDAN MGA RESEARCH BT11011701 NEW CAR ASSESSMENT TEST VEHICLE INTO BARRIER 56.5 0 0 V5 VEHICLE CRASHWORTHINESS AND OCCUPANT RESTRAINT PERFORMANCE DATA 1/17/2011 DTNH22-06-D-00028 CONCRETE DRY 21 OTHER 227 TDS TDAS PRO ON BOARD DAS