车辆被动安全性设计

载货汽车与行人相撞造成的伤亡远比轿车严重。
这是因为一次碰撞中，无论是长头还是平头驾驶 室的载货汽车，都不可能存在轿车事故中的行人 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，易于造成人的伤亡。 驾驶室上突出的后视镜、驾驶员踏板以及保险杠 也容易使行人头部、骨盆和大腿受伤。
汽车被动安全性试验应尽量再现典型的公路撞 车事故的现象。
考虑到事故中的伤亡情况的差异，前苏联学者提出 了“危险系数k”的概念，即
k (k1 N q k2 N z k3 N s ) /( N q N z N s N o )
Nq—轻伤人数；Nz—重伤人数；No—未受伤人数； k1、k2、k3—加权系数，取k1 =0.015，k2=0.36， k3 =1
载货汽车，20km/h的速度已可使行人头部受到致 命伤害。
评价被动安全性的最简单指标是“事故严重程度因 素”F，即
F N s / N sh
Ns—事故中死亡人数(当场死亡或事故后存活 不超过7昼夜的)；
Nsh—事故中的受伤人数。
各国统计数据表明，—般在1/5～1/40范围内。
衡量道路交通事故严重程度的指标还有每10万居民、 每1000000km行程、每万车的事故死伤人数。
从安全角度看，发动机罩前端圆角半径应
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，并且取消突
出部，如雨刷在停止状态时应位于发动机 罩下，不设导雨槽等。
2.载货汽车的外部被动安全性
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。 特别是两者尺寸相差悬殊时，轿车往往“楔入” 载货汽车下面，轿车的前部折叠区不能发挥作用， 而导致乘坐区受到破坏。故对于尾部离地高度不 小于700mm车辆应装后保险杠，保险杠安装高度 一般为380～560mm。尾部缓冲装置
试验中需要测量车辆的变形、减速度及负荷。 必要时在车内设置试验用假人，测定有关部位 的负荷及变形情况。
实车正面碰撞试验时采用固定障壁，障壁布置有 全宽如40%重叠偏置两种，见图4-77和图4-78。
正面全宽碰撞试验 固定障壁，50km/h
正面40%重叠偏置碰撞试验 蜂窝状铝合金变形障壁，56km/h
乘员最大前移距离约1cm
因而减小了汽车和乘员间的速度差。
前部气囊(airbag)在发生碰撞时，被以突然爆炸方式 充气，在乘员与气囊接触前充满。
气囊与乘员接触时，立即部分泄气，并以生理上可 承受的表面压力和减速力，柔和地吸收能量，这时 至少在很大程度上可以减小乘员头部和胸部损伤。 驾驶员前部气囊容积50~60L，应在30~35ms时间内 充满氮气；副驾驶前部气囊容积100~140L，要求在 50ms内充满。
正面碰撞占64％以上， 其中50%是车前左侧 （右侧通行）。 侧面碰撞是第二种常 见事故类型。
大客车追尾碰撞比例 高于轿车，大客车右 后角更容易被碰撞。
右侧通行的轿车碰撞事故类 型分布
1.碰撞部位分布
侧部 翻滚
侧翻
左前部
后部 前部 正前部 右前部
从撞车速度来看，正 面撞车速度高于侧向 撞车和追尾碰撞。 有50%以上的正面碰 撞事故的速度高于 60km/h，而90％的追 尾碰撞事故的速度低 于30km/h。 轿车碰撞事故类型分布
驾驶员的最大前移 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。
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
安全气囊
安全气囊可以不必限制乘客的正常活动。安全 气囊的作用情况，传感器1在撞车发生时可感知车身 变形和减速度，撞车信号通过引爆装置 2使气体发生 器 3 产生了高压氮气和氩气进入安全气囊 4 。气囊可 在 50ms 内充气完毕，保护乘客的头部和上身。事故 发生后经过100ms，气囊的气体通过专门的孔放出， 乘客可以自由活动。使用安全气囊的缺点是在放气 时形成160～180dB的声压，另外成本高。
事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接 有关，骨折与作用力有关，组织损伤与 剪切应力有关。
研究汽车内部被动安全性的重要内容是 降低人体的减速度。
1.安全车身
在轿车发生正面碰撞或碰撞固定障碍物时，前部出现特 别大的平均减速度jcp(300～400)，向后逐渐降低。其质 心位置的平均减速度jcp为40~60，瞬时值可达80~100g。
汽车与固定障碍相撞时减速度的变化 a)平均减速度沿车长方向分布 b)质心处减速度随时间变化过程
为了降低正面碰撞时的减速度，在轿车前部做 成折叠变形区。这样，在撞车时可提供 400mm~700mm的变形行程，通过前部折叠区的 变形来吸收撞车时的动能。
轿车各部不同的刚度(乘坐区刚度大,保证乘员的生存空间)
轿车各部不同的刚度(乘坐区刚度大,保证乘员的生存空间)
侧向碰撞时，由于碰撞部位的装饰件和结构件允许 的变形行程很小，吸引能量的能力远小于前部和后 部，因而引起的车内的严重变形对乘客伤害的危险 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 柱和车门的联接、顶部及底部与立柱的联接)、底板 横梁和座椅的承载能力以及门内板的设计。 应保证主撞车不致侵入被撞车的乘员空间。
为了确定碰撞试验中车内乘员所受伤害的严重程度， 要在试验车内放置假人。 试验用假人的各部肢体在形状、运动学和动力学性 能方面都和真人相似，并能模拟人体的若干动作。 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。
用于侧向碰撞试验的假人是专门设计的，与正面碰 撞试验用的假人有很大区别。 试验用“假人”系列包括5%妇女、95%妇女、50% 男子以及3岁、6岁、10岁儿童。 在试验时，要布置足够的传感器和摄影机。 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的最大位移和冲击力，风 窗玻璃安全性等也要严格测试。
车辆被动安全性设计
一、车辆事故分析和被动安全性的评价方法 二、车内被动安全性 三、外部被动安全性 四、被动安全性试验
一、车辆事故分析和被动安全性的评价 方法 (一)分析车辆事故 道路交通事故的统计和分析是研究汽 车被动安全性基础。根据事故统计，了 解事故与气候、道路、时间以及驾驶员 和车外人员的年龄等的关系(影响因素)， 并找出发生频数最多的那一部分事故(即 所谓“典型事故”），便于集中力量进 行研究。
1.轿车与行人的碰撞
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，最后头部撞到发 动机罩或挡风玻璃上。 这时行人被加速到车速，这就是所谓的“一次碰撞”。 车速越高，头部撞击点越靠近风挡玻璃。
由于汽车制动使行人与汽车分离，行人以与碰撞速度
相近的速度撞到路上，这是“二次碰撞”。
撞车中轿车前排乘客 无安全带/有安全带受伤过程
1-头 2-面部 3-颈
4-胸部
5-上肢
6-腹部
7-下肢
事故中轿车乘员身体各部位受伤分布
25 20 15 10 5 0 驾驶员 副驾驶员 头部 19.7 22.5 面部 18.5 22 颈部 3.7 4 胸部 21.5 22.3
驾驶员 副驾驶员
上肢 8.5 7.2
折叠区的变形力应满 足梯度特性。 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 自身保护(针对本车乘 员) 生存空间
轿车前部变形力梯度特性
1.安全车身
变形力从前向后 逐渐增加，使得 撞车力较小时， 变形仅限于前部 零件。
图4-68 轿车前部变形力梯度特性
后部撞车的速度较低，轿车后部折叠区的变形过程约 为300~500mm。备胎后置有助于减小冲撞加速度，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。
生存空间
界限1-1将引起轻伤，界限2-2导致重伤，3-3将是致命的。 生存空间
仪表板下部、转向盘和挡风玻璃引起伤害的事故频 数较高。 仪表板下部应安装膝部缓冲垫。 挡风玻璃应采用钢化玻璃或夹层玻璃。 转向盘可采用弹性有波纹的结构，并且盘缘可变形， 转向柱能弯曲或伸缩。 乘员室内各种部件应软化，材料的燃烧速度要小。
腹部 6.5 4
下肢 20.5 19
事故中轿车乘员身体各部位受伤分布
汽车和自行车碰撞时速度多在40~50km/h，而与摩 托车碰撞速度则高得多，往往超过65km/h。
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。 轿车平均碰撞速度不超过35km/h。
汽车速度超过40 km/h，则常会导致行人死亡。
2.限制乘员位移
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 带的，赛车乘员则用四点式。
安全带形式
安全带的惯性式锁紧装置只要拉伸速度超过设 计速度就可以把安全带拉紧。
腰部固定点承载能力不应低于22.7kN，肩部固 定点则应高于22.9kN。
在正常行驶时，安全带可以任意伸长而不妨碍 驾驶员的操作和乘员的基本活动。
安全气囊的作用情况
侧面气囊装在车门或座椅架上
由于乘员与向内移动的汽车部件之间距 离很小，所以容积为12L的侧面气囊响应 时间不得超过3ms，充满时间应小于 10ms。
影响安全带收紧器和气囊保护效果的决定因素是 在准确的时间触发。
就气囊来说，要使乘员在气囊仍然处于充满状态 并开始放气时与其接触。 电子控制的触发装置通过加速度传感器来检测碰 撞过程中减速力的大小，在识别碰撞类型后（如 正面、横向或成一定角度碰撞），迅速准确触发 气囊和安全带收紧器，引爆气体发生器。
在有的事故中还发生行人被汽车辗压。
这是“三次碰撞”。
撞人事故中行人动态示意图
决定行人伤害 严重程度的主 要因素是一次 碰撞的部位和 汽车与人体碰 撞的部件形状、 刚度。
行人/轿车碰撞结果统计
汽车前部的形状参数和刚度对碰撞的影响
汽车前后均应装保险杠。设计合理的保险杠不仅应 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，行人与保险杠的碰撞部 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的撞击速度。 保险杠高度取为330~350mm是合适的，可保证大部 分行人的碰撞部位发生在膝盖以下。 保险杠应该没有尖角和突出部，并且适当软化。
侧面气囊利用压力传感器来检测侧向碰 撞造成车门变形引发的压力上升，触发 气体发生器。 两侧使用相互独立的传感器，分别检测 各自的压力，决定是否触发。
3.消除部件致伤因素
在乘坐区设计时必须保证在乘员生存空间
内没有致伤部件。
由于人体尺寸的差异，乘员乘坐姿势的不
同，生存空间的形式也各不相向。
在图中画出了在撞车前和撞车后零件变形界限。
侧向碰撞试验采用移动 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。 图示为碰撞左侧的情况， 碰撞右侧与此类似，移 动障壁的碰撞材料为铝 制蜂窝状材料。
侧向碰撞试验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
正面碰撞中的试验车以及侧向碰撞中的移动障壁可 用电机牵引加速，也可用牵引车牵引加速。
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上的摄影机摄碰撞点 4-移动障壁B上的摄影机摄碰撞边
事故中头、胸、下腹和 脊椎等部位伤害是主要 致死原因。
0.25
轿车各座位的危险系数k
0.2 0.15 0.1 0.05 0 座位
驾驶员 0.184
副驾驶员 0.229
后左座 0.149
后中座 0.167
后右座 0.171
轿车各个座位的危险系数
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
受伤部位分布
无安全带的死亡事故在使用了安全带以后可转化为重 伤或轻伤。
安全带效果
50km/h撞墙试验时乘员头部的减速度如右图，三点 式安全带可使头部减速度降低一半。
以50km/h撞墙试验时汽车与乘员减速度变化情况
为了避免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 收紧作用的时间约为5ms