国内汽车被动安全技术的概述及展望

碰撞结束
图 ２ 安全气囊工作框图 在车辆被撞击时，传感器接收并判断车辆其碰撞信号，然后 反馈决定是否对气囊进行开启。传感器的 ＥＣＵ 单元在接收到碰撞 信号时，点燃固态燃料，及时的产生气体向气囊充气，使气囊快 速膨胀。其安全气囊工作原理如图 ２ 所示。安全气囊一般是在时 速 ４０ 公里以上的正面撞击，以及车辆中心左右各约 ３０°角的正侧 面撞击时，才会感应产生作用。其碰撞强度通常以信号的形式传
图 ４ ＷＨＩＰＳ 头颈保护系统工作原理图 目前国产的沃尔沃 Ｓ８０ 安装的 ＷＨＩＰＳ 头颈保护系统，能够为 乘员提供安全保护，管状框架等方式对 ＷＨＩＰＳ 进行改进，管状框
297 科学时代·２０１５ 年第 ０６ 期
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｉｍｅｓ
科学时代
架的路径通过座椅顶部横轴导管进行控制，当车身受到猛然冲撞 时，会促使导管上升从而抵住头部，防止头部的迅速后移，减轻 乘员头部的动量冲击，达到保护头颈安全的目的。
碰撞发ECU
点火器 点火
气体发生 器对气囊 充气
图 ３ 安全气囊工作过程 １．１．２ 安全带 安全带最早是由美国人发明，有关数据表明，其单独使用可 以减少 ４２％ 左右的死亡率，是国内被动安全装置中最早被普及、 最有效的安全约束系统。 目前应用比较普通采用三点式安全带，当危险发生时，其预 碰警报系统会检测到险情信号，此时安全带的卷收器会拉紧安全 带来消除自身的松弛量，约束乘员减少可能产生的伤害。目前国 内汽车行业通过改进安全带，在安全带上安装织带夹紧装置或预 张紧器，使得乘员的前移量减小，并同时调整座椅结构，并安全 气囊配合使用的方式，来提高被动安全装置对乘员的保护性能。 １．１．３ 儿童安全座椅（ＣＲＳ） 安全座椅在减缓乘员的疲劳的同时，也同安全带、安全气囊 共同作用，提高车辆的安全性。儿童安全座椅 （ｃｈｉｌｄ ｓａｆｅｔｙ ｓｅａｔ） 即 儿童约束系统 （ｃｈｉｌｄ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｓｙｓｔｅｍ），在车辆急加速或受撞击时， 通过缩短儿童身体的移动幅度，降低其伤害程度。 随着被动安全技术的发展，现在国内汽车厂商如速腾、途锐 等车型都引进欧洲制定 ＩＳＯＦＩＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ＦＩＸ）系统，通过车辆座椅坐垫和靠背使座椅与车体连接的两个刚 性的固定结点，及面向车前的防座椅倾斜固定点，来极大的增强 儿童座椅的保护性能。 １．１．４ 头颈保护系统（ＷＨＩＰＳ） ＷＨＩＰＳ（Ｗｈｉｐｌａｓｈ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）在车辆受到碰撞时，靠 背与乘员一同向后移动，最终将乘员背部与靠背紧密接触，尽可 能在一定程度上减少乘员头部前冲的动能，减轻脊椎及颈部遭受 的撞击。国内汽车通过安装在坐垫与靠背之间的支架可协助吸收 冲击能量，乘员身体的重力在向后方压向椅背的同时，在稍微向 后倾斜之前会先平行运动，会沿倾向和水平方向产生压力，这样 可通过阻尼来减轻冲击力，从而减小发生追尾撞击时出现的加速 力，降低乘员伤害。如图 ４ 为头颈保护系统工作原理图。
表 １ 汽车被动安全研究内容
自身保护
碰撞安 对方保护
被动安 全性 约束系统
全技术
人体研究
碰撞后
安全
变形区 ： 前部、侧部、后部刚性乘员座舱 轿车：保护摩托车、自行车以及行人…… 安全带、安全气囊、乘员头部保护系统、
转向管柱…… 伤害指标，头部，腹部……
防火，迅速撤离，防爆……
１．１．１ 智能安全气囊（ＳＲＳ） ＳＲＳ 技术作为高效的被动安全装置被众多汽车生产企业所接 受。大量研究数据表明，当碰撞发生时，ＳＲＳ 能极大程度的减缓 乘员损伤，在与安全带的共同使用时，则可以减少 ６０％ 的死亡率。
汽车被动安全技术主要指当交通事故发生后，能尽量减小人 身损伤，包括对乘员和行人的保护的技术。被动安全技术主要包 括碰撞约束技术，车辆抗撞性研究，以及碰撞仿真研究技术。如 下表 １ 所示，为被动安全的主要研究内容。
１．１ 乘员约束系统安全研究 约 束 系 统 安 全 主 要 研 究 内 容 有 安 全 气 囊、 儿 童 安 全 座 椅 （ＣＲＳ）、安全带和头部保护系统（ＷＨＩＰＳ）等装置，保护乘员安全， 使车内乘员约束状态达到最优，同时也避免乘员在车内的二次碰 撞。
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国内汽车被动安全技术的概述及展望
汪 旭 １ 王 灿 ２ ／ １． 重庆交通大学机电与汽车工程学院 ２． 重庆交通大学交通运输学院
【摘 要】伴随着国内汽车产业的飞速前进，车辆的主动安全技术被更加广泛的采用。虽然如此，但交通事故仍无法避免。被动安全在一 定的基础上则能弥补主动安全的不足之处，通过二者的共同作用，来提高车辆安全性能。本文着重国内典型的被动安全技术进行了阐述，结合 国内被动安全领域亟待解决的问题，对被动安全技术发展进行了展望。
【关键词】汽车；被动安全；概述；展望
０． 引言 科技的进步使得车辆保有量增加，人们在享受便利的同时， 也迫切的感知到交通安全严重性。近年来，交通事故时常发生， 欧美等国家车辆交通事故发生率已经处于了稳定程度，但我国的 交通事故发生率却居高不下，每年由车辆交通事故致死的人数数 目惊人。为了减少交通事故的伤亡率，提高汽车乘员的保护，在 交通事故发生时，汽车被动安全技术能最大限度的降低对人员的 伤害，保护乘员的安全。如图 １，为国内 ２００６－２０１２ 年来的交通 事故统计图。从图 １ 中我们可以看出，国内由汽车交通事故导致 的伤亡情形仍很严重。因此，汽车被动安全的研究仍然是我们应 该重视的。
１．２ 车身结构抗撞性研究 其车身抗撞性研究的关键，即为改进车身的构造，找寻改良 车身构造的有效途径，保证乘员在足够安全的活动空间下，使传 到乘员身上的能量减至合理范围。 １．２．１ 汽车安全玻璃 安全玻璃目前主要分两种，分为调质玻璃和层压玻璃。当车 辆遇到撞击时，能够对车内人员进行保护。调质玻璃由于其内部 存在应力，因而有较强的抗外部撞击的性能，同时在车辆遇到巨 大冲撞时，使其碎裂成无锐边小块，减轻对人员的损伤。层压玻 璃将一层薄膜胶合在两块普通玻璃之间，然后通过强力胶压制。 当车辆受到撞击导致玻璃撞碎时，中间夹层的薄膜能够避免飞石 等物块穿过玻璃，同时也能避免碎玻璃划伤乘员。 １．２．２ 防撞钢梁 防撞梁不是直接参与乘员的保护，而是直接保护车身。当车 辆行驶速度较低时发生了碰撞，能对车内乘员起到一定防护。前 后防撞梁位于前后保险杠后，在车辆受到撞击时，车辆部位某点 将会有力作用，钢梁让其整个车架丧失承载力，能尽可能的减少 此点承受的强度。其部件材料与车身支承件一样，都具有一定的 刚性。侧门防撞梁置于两侧夹层中间，在碰撞发生时，可以有效 的将撞击力从车身左右两侧分散，尽可能让整个车体吸收碰撞能 量，很大程度减轻侧门的变形程度，从而能减少汽车撞击时对车 内乘员的伤害。 １．２．３ 安全吸能车身 安全车身通过其车身前后部吸收碰撞能量，保证座舱形状完 好，并减缓车内人员的移动幅度，给予车内足够的生存空间。在 现代汽车上，安全车身一般包括高强度乘员舱和前后碰撞变形区。 前者能够保证碰撞后乘员舱在有效空间内免受挤压，减少乘员伤 害危险。而后者在正面碰撞中的变形幅度与所能吸收的碰撞能量 成正比，同时将二次碰撞能量降至最低。目前在国产车的设计中， 在车辆高强度钢应用、高强度乘员舱和车门防撞梁等方面的设计 取得了很多的进步。同时通过对 Ｂ 柱加强梁采用多层高强度钢板、 地板横梁增加侧面车身强度，将车舱的损坏程度降到最低，增强 车身的安全性。 １．３ 车辆被动安全仿真研究 目前国内汽车行业很大程度上采用软件仿真技术对被动安全 进行研究，通过结合计算机技术、力学原理等仿真车辆在碰撞时 的情形，缩短车辆研发时间，大幅降低车辆开发成本。 常用的仿真软件有 ＭＡＤＹＭ、ＳＯＭ ＬＡ、ＰＡＭＣＲＡＳＨ、ＰＡＭ、 ＣＶＳ 等 ， 可以对车身结构碰撞进行变形模拟，以及对标准假人碰 撞过程进行动态响应分析，ＭＡＤＹＭＯ 中的有限元模块对 ＳＲＳ 进行 有限元建模等。近年国内汽车企业、高等院校在碰撞过程也利用 计算机仿真中进行大量研究，并且已经具备了较强大的 ＣＡＥ 建模 分析能力，能够对约束匹配和车身结构进行研究。 另外，在车外行人的研究仿真方面，被动安全领域有了新的 发展。国内的研究人员利用 ＰＣ－Ｃｒａｓｈ 软件建立碰撞虚拟试验场， 进行了人体、自行车等不同情形下的模拟研究，通过头部加速曲 线计算获得 ＨＩＣ（Ｈｅａｄ Ｉｎｊｕｒｙ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）值来评价人体头部的受伤 程度。 ２． 被动安全技术的展望 随着汽车科技的快速发展，车辆安全将成为汽车行业的永恒 话题。被动安全技术会逐步覆盖到汽车行业的多个方面，而国内 汽车被动安全技术的发展将趋于多样化和成熟化。随着各种汽车 新技术的完善，将来被动安全领域将趋向智能化和规范化、全面 化发现发展。 ２．１ 被动安全的智能化 可以预测，未来被动安全领域将与智能化技术紧密结合，将 会完善汽车应用上的智能反馈系统。智能系统通过收集碰撞发生 时车内人员的各种数据来建立数据库，并对某一碰撞中获得的乘 员、车的相关信息识别与判断，以使得人体获得最佳的保护。智 能安全系统可以自动判别乘员的身高、体重等情况，智能的分析 汽车是否发生了碰撞，以及判断乘员是否处于安全保护范围之内， 以使车辆可以提供尽可能全面的保护状态。 ＧＰＳ 技术的不断完善，可以预测未来汽车被动安全智能化发 展方面，自动求救系统将通过与 ＧＰＳ 系统配合来使用。在车辆发 生严重的碰撞事故时，系统将事故发生的地点和车辆所处的状态
输到控制器，控制器对收到的传感器信号处理，在 ＥＣＵ 判定有需 要开启气囊时，控制模块 ＥＣＵ 处理器立即向点火器发出点火信号， 气体接收到信号并迅速点火。安全气囊在利用气袋阻尼吸收乘员 产生惯性动能，避免或减缓乘员与转向盘、仪表板等的二次碰撞， 其工作过程如图 ３ 所示。
图 １ 我国 ２００６ 年至 ２０１２ 年交通事故统计 １． 国内典型汽车被动安全技术概述
进行反馈给救援中心。同时，自动求救系统还可以预测车内是否 有需要救助的乘员，将信息汇总后反馈到救助中心，为争取救援 的时间，尽可能的降低伤亡指数。
２．２ 行人保护技术的完备化 随着被动技术的发展，未来被动安全领域将延伸至行人保护 研究。包括汽车前端系统的改进，如保险杠、缓冲装置等，以及 行人安全气囊的研发。其中前端系统改进主要集中在保险杠的改 进和新材料的应用上，同时利用软件仿真技术对行人碰撞试验数 据处理，优化保险杠结构，增大接触面积，分散冲击力。同时采 用吸能材料，减轻碰撞发生时传递到行人上的能量。 在未来汽车被动安全领域，行人安全气囊的研究将是一大亮 点，也是被动安全完善化的方向。通过在汽车的安装安全气囊， 避免行人发生二次碰撞，保护其安全。同时行人安全气囊的研究 将趋向于智能化和电子化，对碰撞的力度和碰撞的面积进行监测 和反馈，最大限度的保护行人安全，将撞击力分散，减轻行人身 体的能量。 ２．３ 被动安全法规的完善化 在今后的汽车安全领域，安全法规的完善与推广将推动交通 安全领域的长远发展，也是将来安全领域的发展重点。而欧盟等 基本上沿用的是 ＥＥＣ／ＥＣＥ 法规，美国执行的是 ＦＭＶＳＳ 法规，这 些类法规能比较全面的评价汽车零部件的生产，是被动安全领域 的重要法规。目前而言，国内的汽车安全领域的研究起步较晚， 加上技能经验的不足，相关法规都不完善。近年来在政府的支持 和高校的大力投入下，国内主要的汽车安全法规相继制定并推出。 如针对汽车碰撞试验，国内参考国际的 ＮＣＡＰ 标准，制定了 Ｃ－ＮＣＡＰ （Ｃｈｉｎａ－Ｎｅｗ Ｃａｒ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａｍ）标准，该碰撞试验中后碰试 验和主动安全评估。但是这些标准和欧美执行的法规相比，还是 有很多的欠缺和不足，不能很完整的评价和指导汽车安全，因此 在法规制定方面还有很大空间。可以预测，在未来汽车安全领域， 安全法规将会不断的完善，执行法规力度开始加大，通过立法的 形式来推动被动安全的发展。 ３． 结论 综上所述，车辆被动安全作为安全技术的重要补充，能够在 碰撞发生时对车内乘员的安全保护。虽然汽车被动安全技术涉及 的领域众多，但发展空间巨大，还拥有很多的研发和改进的方向。 随着国家对汽车行业的投入加大，在国家政策法规的指导之下， 我们相信被动安全技术将推动交通行业的智能化和人性化，发展 具有更加广阔的应用前景，仍将是汽车安全领域的研究热点之一。 参考文献： ［１］ 姜立标，赵桂范．现代汽车最新安全控制装置 ［Ｍ］．北京： 人民交通出版社 ．２００３． ［２］ 王瑄，李宏光，赵航等 ． 现代汽车安全 ［Ｍ］． 北京 ： 人民交 通出版社 ．１９９８． ［３］ 林逸，郭九大，王望予．汽车被动安全性研究综述 ［Ｊ］．汽 车工程 ．１９９８（１）． ［４］ 付锐，陈荫三，高延令．中国汽车被动安全性研究现状分 析 ［Ｊ］．中国公路学报 ．１９９６，９（４）． ［５］ 李 强 ． 汽 车 被 动 安 全 技 术 分 析 ［Ｊ］． 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 ．２００７，３４（６）． ［６］ 曹静静，潘福全，张丽霞等 ． 汽车被动安全性及碰撞仿真 研究综述 ［Ｊ］． 山东交通科技 ．２０１３（４）． ［７］ 顾力强，林忠钦 ． 国内外汽车碰撞计算机模拟研究的现状 及趋势 ［Ｊ］． 汽车工程 ．１９９９，２１（１）． ［８］ 刘庭志，陈吉清 ． 汽车行人保护开发与研究进展 ［Ｊ］． 汽车实 用技术 ．２０１２（１）． ［９］ 刘艳丰．我国安全气囊应用现状及发展特征 ［Ｊ］．农业科技 与装备 ．２０１０，１９６（１０）． ［１０］ 何文，钟志华 ． 汽车安全性研究概述 ［Ｊ］． 湖南大学学报（自 然科学版）．２０００，２７（２）． ［１１］ 赵福全 ， 吴成明，潘之杰等 ． 中国汽车安全技术的现状与 展望 ［Ｊ］． 汽车安全与节能学报 ．２０１１，０２（２）． ［１２］ 乔维高 ． 车辆被动安全性研究现状及发展 ［Ｊ］． 农业机械学 报 ．２００５，３６（９） ． ［１３］ 贾 广 辉， 齐 伟 ． 汽 车 被 动 安 全 技 术 的 发 展 ［Ｊ］． 科 学 之 友 ．２００９（１４）． 作者简介 ： 汪 旭，男，重庆交通大学 ２０１３ 级研究生，车辆工程专业， 研究方向为车辆安全。