大学精品课件：第四章 汽车的行驶安全性被动安全性.ppt

1、第四章第四章 汽车的行驶安全性汽车的行驶安全性 汽车安全性一般分为主动安全性、被动安全性、事故后安全性和生态安全性。l主动安全性 指汽车本身防止或减少道路交通事故发生的性能。l被动安全性 指交通事故发生后汽车本身减轻人员伤害和货物损坏的能力，可分为汽车内部被动安全性（减轻车内乘员受伤和货物受损）以及外部被动安全性（减轻对事故所涉及的其他人员和车辆的损害）两类。l事故后安全性 指汽车能减轻事故后果的性能。即能否迅速消除事故后果，并避免新的事故发生的性能。l生态安全性 指发动机排气污染、汽车行驶噪声和电磁波对环境的影响。本章主要介绍对汽车主动安全性有重要影响的制动性和操纵稳定性，并简要介绍汽车的被

2、动安全性。第四章第四章 汽车的汽车的行驶行驶安全性安全性 汽车的制动性汽车的制动性汽车的操纵稳定性汽车的操纵稳定性汽车的被动安全性汽车的被动安全性 1.稳态转向特性试验 稳态转向特性试验在水平场地上进行，场地上画有半径为15m或20m的圆周。汽车以最低稳定车速沿所画圆周行驶，此时转向盘的转角为 ，测定车速 及横摆角速度 。由于车速很低，离心力很小，轮胎侧偏角可忽略不计。因此，不计轮胎侧偏时的转向半径为：保持转向盘转角不变，使汽车缓慢连续而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25 ）直至汽车的侧向加速度达到6.5 为止。连续测量车速 与横摆角速度值 ，根据瞬时车速 与 值，可求出不同侧向加速度 下有

3、侧偏角时的转弯半径 。00V0000VR2s/m2s/mVVyjR汽车的被动安全性汽车的被动安全性 2转向回正性能试验 回正试验测定汽车自曲线行驶回复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验。汽车转向回正能力试验在平坦的场地上进行。使汽车沿半径为15m的圆周行驶，调整车速使侧向加速度达4.0 后，突然松开转向盘，在回正力矩作用下，前轮将要回复到直线行驶。记录这个过程的时间t、车速 、转向盘转角 和横摆角速度 ，整理出 -t曲线。对于最高车速超过100km/h的汽车，还要进行高速回正性能试验，试验车速为最高车速的70%。使汽车以试验车速直线行驶，随后驾驶员转动转向盘使侧向加速度达

4、到2.0 ，然后突然松开转向盘作回正试验。V2s/m2s/m 3转向轻便性试验 转向轻便性试验时，汽车在场地上沿双纽线以10km/h的车速行驶。双纽线轨迹的极坐标方程为：在 =0时，双纽线顶点处的曲率半径最小，其数值为 。双纽线的最小曲率半径应按试验汽车的最小转弯半径乘以1.1倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。试验中，记录转向盘转角及转向盘转矩，并按双纽线路径每一周整理出转向盘转矩转向盘转角曲线。3mindR2cos dL 道路交通事故的统计和分析是研究汽车被动安全性的基础。其目的是根据事故统计，了解事故与气候、道路、时间及驾驶员和车外人员的年龄等的关系，并确定发生频数最多的事故，以便对

5、事故进行深入研究并提出针对性措施。乘用车碰撞事故分布情况见图。正面碰撞占64以上，而其中一半是车前左侧（右侧通行时）碰撞。侧部碰撞是第二种常见事故类型。大客车追尾碰撞比例高于乘用车，大客车右后角更容易被碰撞。从撞车速度来看，正面撞车速度高于侧向撞车和追尾碰撞。有一半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。一、车辆事故分析汽车的被动安全性汽车的被动安全性 在事故中，伤员的头、胸、下腹和脊椎等部位伤害是主要致死原因。纵向撞车事故中驾驶员和乘用车前排乘客的伤害形成过程见图所示。而乘用车的乘员身体伤害部位的分布情况见下页。汽车与自行车碰撞时速度多为405

6、0km/h，而与摩托车碰撞的速度则高得多，往往超过65 km/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。乘用车平均碰撞速度不超过35 km/h。如果汽车速度超过40 km/h，则常会导致行人死亡。而对于载货汽车，20km/h的速度已可使行人头部受到致命伤害。事故中乘用车乘员身体各部位受伤分布1-头；2-面部；3-颈；4-胸部；5-上肢；6-腹部；7-下肢 1碰撞冲击力 在汽车碰撞过程中，碰撞冲击力的方向总是与冲击力与作用面之间的特定角度相关。合力可以分解成分力，通过汽车向不同方向扩散。例如，某汽车在碰撞过程中，冲击力以垂直和侧向角度撞击汽车的右前翼子板，冲击合力分解成为三个分

7、力：垂直分力、水平分力和侧向分力，如图所示。水平分力使右前翼子板变形方向指向发动机罩中心；侧向分力使汽车的右前翼子板向后变形。这些分力的大小及对所造成的损坏程度取决于碰撞角度。二、汽车碰撞机理分析 冲击力所造成损坏的程度也与冲击力与汽车质心相对应的方向有关。若冲击力的方向并不通过汽车的质心，冲击力的一个分力将形成使汽车绕着质心旋转的力矩，该力矩使汽车旋转，从而减轻冲击力对汽车零部件的损坏，如图所示。若冲击力指向汽车的质心，汽车不会旋转，大部分能量将被汽车零件所吸收，造成的损坏则较为严重，如图所示。驾驶员反应经常影响到冲击力的方向。当驾驶员意识到碰撞不可避免时，其第一反应就是旋转转向盘以避免正面

8、碰撞，由此导致汽车侧面受到损坏。驾驶员的第二反应就是踩制动踏板，使汽车进入制动状态，此时汽车前端向下俯冲，因而碰撞点比正常接触位置低，迫使车顶盖向前移动。2碰撞接触面积 假设汽车以相同的速度和相近的载货量行驶，碰撞接触点的面积不同，损坏的程度也就不同。如果撞击的面积较大，损坏的程度就较小；反之，碰撞接触面积越小，则所造成的损坏就越严重。3冲击力的传递 现代汽车车身上有许多焊接缝、这些焊接缝可以作为汽车结构的刚性连接点，将冲击力传递给整个汽车上与之连接的饭金件和汽车零部件，因此大大降低了汽车的结构变形。例如，如图所示、假设汽车前角受到碰撞力作用，B区域将会变形，减小了的冲击作用、剩下的冲击力传递

9、到C点，金属将发生变形，冲击力继续减小后传递到D点，而后冲击力继续减弱，继续改变方向并冲击着车身的支柱和车顶盖使之减弱后传至E点，使E点受到冲击力的作用。在冲击力的传递过程中，碰撞能量大部分都被汽车零部件所吸收。3汽车碰撞损伤类型 汽车碰撞损伤可分为直接损伤（或一次损伤）和间接损伤（或二次损伤）。1）直接损伤 直接损伤是指车辆直接碰撞部位所出现的损伤。直接碰撞点为车辆左前方，推压前保险杠车辆左前翼子板、散热器护栅、发动机罩、左车灯等导致其变形，称为直接损伤。2）间接损伤 间接损伤是指二次损伤，并离碰撞点有一段距离的损伤，是因碰撞力传递而导致的变形。如车架横梁、行李舱底板，护板和车轮的弯曲变形和

10、扭曲变形等。按汽车碰撞后导致的损伤现象不同，汽车碰撞损伤可归纳为五大类，即侧弯、凹陷、折皱或压溃、菱形损伤、扭曲等。评价被动安全性的最简单指标是“事故严重程度因素”，即 式中：事故中死亡人数（当场死亡或事故后存活不超过7昼夜的伤员）；事故中的受伤人数。还可以用每10万居民、每1000000km行程、每万车的事故死伤人数为指标，衡量道路交通事故严重程度。用危险系数，可对不同伤亡情况的交通事故进行比较，即：式中：轻伤人数；重伤人数；未受伤人数；、加权系数，取 =0.015，=0.36，1。shsNNF sNshN)()(0321NNNNNkNkNkKszqszqqNzN0N1k1k2k2k3k3k

11、三、被动安全性的评价方法 研究表明，事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接有关，而骨折和组织损伤则分别与作用力和剪切应力有关。所以，研究汽车内部被动安全性的重要内容是降低人体在碰撞时的减速度。1安全车身 乘用车发生正面碰撞或与固定障碍物碰撞时，其平均减速度从前向后逐渐递减，前部的平均减速度高达300400g，向后逐渐降低，质心位置的平均减速度为4060g，瞬时值可达80100g。为了降低正面碰撞时的减速度，在乘用车前部做成折叠区，在撞车时可提供400700mm的变形行程，通过前部折叠区的变形来吸收撞车时的动能。四、汽车内部被动安全性 折叠区的变形力应满足梯度特性，如图所示。即可分为5个区段：行人保

12、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）以及生存空间。变形力从前向后逐渐增大，从而使得发生轻微碰撞时其汽车变形仅限于前部零件。后部碰撞车的车速通常较低，乘用车后部折叠区的变形行程约为300500mm。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。行李舱盖边缘不能穿过后窗而撞入车内 侧向碰撞时，由于碰撞部位的装饰件和结构件所允许的变形行程很小，吸收能量的能力远小于前部和后部，因而碰撞所引起的车内严重变形对乘客伤害的危险性很高。其伤害危险性大小在很大程度上取决于乘用车侧部的结构强度（立柱和车门的连接、顶部及底部与立柱的连接）、底板横梁和座椅的承载能力以及门内板的设计

13、。保证主撞车不致侵入被撞车的乘员空间。翻车时，车门应保证不能自开。在活顶式乘用车上，可装设展开式翻车保护杆，并约束乘员头部。2限制乘员位移 1）安全带 安全带（座椅带）可以减轻碰撞过程中乘员伤害程度，是使用最广泛、最简单有效的乘员约束装置。安全带的基本作用是：当碰撞事故发生时，将乘员约束在坐椅上，使乘员头部、胸部不至于向前撞到转向盘、仪表板及风窗玻璃上，使乘员免受车内二次碰撞的危险；同时使乘员不被抛离坐椅。在正面碰撞、追尾碰撞及翻车事故中，使用普通安全带对乘员保护效果很好，尤其是对乘员头部、胸部的保护。为进一步降低碰撞时乘员下沉（即乘员沿坐椅下滑）所造成的腹部伤害，带预张紧器或织带夹紧装置的安

14、全带得到广泛的应用。安全带同改进的坐椅结构及气囊相结合，可大大提高乘员的保护性能。目前在汽车上使用最为广泛的是三点式安全带。腰带用于限制乘员下躯体向前运动，多用于后排座椅和中间座椅。肩带可限制乘员上躯体向前运动。三点式安全带的常用类型是腰肩连续带，既能限制乘员躯体向前运动，又能限制乘员躯体向前过度倾斜。赛车乘员则多用四点式安全带。使用安全带可以避免死亡事故的发生或减轻伤亡事故的程度，使用了安全带以后，可把不使用安全带时造成的死亡事故转化为重伤或轻伤。以50km/h的车速进行汽车撞墙试验时，乘员头部的减速度变化情况如图所示。使用三点式安全带时，可使驾驶员头部的减速度降低一半。为了避免在严重事故时

15、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lcm，因而减小了汽车和乘员间的速度差。50km/h撞墙试验时汽车与乘员减速度变化情况 2）安全气囊 在发生碰撞时，前部安全气囊以突然爆炸方式充气，在乘员与安全气囊接触前充满。安全气囊与乘员接触时，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，从而减小乘员头部和胸部的碰撞损伤。驾驶员前部安全气囊的容积为5060L，应在3035ms时间内充满氮气；前排乘员前部安全气囊容积100140L，要求在50ms内充满。驾驶员最大前移空间通常为12.5 cm，安全气囊放气时间约100m

16、s，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-前排乘员安全气囊；3-驾驶员安全气囊；4-传感器和备用电源 侧面安全气囊的容积约为12L，一般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，所以侧面安全气囊的响应时间不得超过3ms，充满时间应小于10ms。影响安全带收紧器和安全气囊保护效果的决定因素是在准确的时间触发。就安全气囊来说，要使乘员在安全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件的碰撞过程中的减速度大小，在识别碰撞类型后，迅速而准确的触发安全气囊和安全带收紧器，引爆气体发生器。侧向碰撞发生时会造成车门

17、侧向变形，侧面安全气囊则利用压力传感器检测由此引发的压力上升，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 设计乘坐区时，必须保证乘员生存空间内没有致伤部件。右图4-68表明驾驶员与方向盘间的空间对驾驶员伤害程度的影响。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同。统计表明，仪表板下部、转向盘和风窗玻璃引起伤害的事故频度较高。因此，仪表板下部应安装膝部缓冲垫；风窗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。生存空间 1乘用车与行

18、人的碰撞 在乘用车与行人碰撞过程中，汽车保险杠首先撞击行人腿部，然后发动机罩前端撞击骨盆，最后头部撞到发动机罩或风窗玻璃上。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窗玻璃。“一次碰撞”后汽车通常制动减速，行人与汽车分离，行人在汽车前部以与碰撞速度相近的速度撞击路面，产生“二次碰撞。有的事故中，行人还会被再次辗压，发生“三次碰撞”。但乘用车与行人一次碰撞的部位和汽车碰撞部件的形状、刚度是决定行人伤害严重程度的主要因素。行人与乘用车碰撞的部位见图所示。撞人事故中行人动态示意图五、外部被动安全性 设计合理的保险杠不仅应考虑到内部被动安全性，而且也应顾及外部被动安全

19、性。为此，要求车辆前后均应装有保险杠。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。但保险杠过低，会增大头部在发动机罩或风窗玻璃上的撞击速度。所以保险杠高度值常为330350mm，以保证大部分行人的碰撞部位发生在膝盖以下。保险杠不应有尖角和突出部，并应适当软化。从安全角度看，发动机罩前端圆角半径应大些，机罩高度低，风窗玻璃倾角小。在头部撞击区应适当软化，并且取消突出部，如刮水刷在停止状态时应位于发动机罩下，不设导雨槽等。行人与乘用车部位碰撞结果统计 2载货汽车的外部被动安全性 与乘用车相比，载货汽车质量、刚度和尺寸都要大得多，在与乘用车正面相撞时，乘用车损坏比载

20、货汽车严重得多。特别是两者尺寸相差悬殊时，乘用车往往“楔入”载货汽车下面，乘用车的前部折叠区不能发挥作用，而导致乘坐区受到破坏。特别是一般载货汽车后部不装保险杠，当发生追尾碰撞事故时，跟随行驶的乘用车“楔入”的可能性增大。因此，对于尾部离地高度不小于0.7m的车辆应装后保险杠，其离地高度为0.380.56m。在载货汽车尾部装置缓冲装置，可以减小追尾碰撞时乘用车的损坏度。载货汽车与行人相撞时造成的伤亡也远比乘用车严重。发生碰撞时，无论是长头还是平头驾驶室载货汽车，都不会发生乘用车事故中的行人身体在发动机罩上的翻转过程。此时，碰撞直接作用在行人头部或胸部，身体上部直接被抛向前方，在很短时间内行人速

21、度被加速到货车速度，易于造成人员伤亡。如果不采取制动措施，行人将被碾在车下。驾驶室上突出的后视镜、驾驶员上车踏板、以及保险杠等也容易使行人头部、骨盆和大腿受伤。根据国家有关法规的要求，2003年7月以后，所有7座以下的乘用车必须通过碰撞安全性试验。1 实车碰撞法 常用的是实车对固定壁碰撞，车速一般取50km/h。根据试验目的不同，也可采用可动壁撞静止车辆或以车撞车的方法。1）固定壁碰撞试验 采用固定壁碰撞试验方法时，首先把试验车辆加速到预定的碰撞速度，然后与固定壁进行碰撞。通常，汽车碰撞方向与固定壁垂直。由于固定壁的情况不变，可取固定试验特性，并可重复同样的撞车试验，因此可用固定壁碰撞试验评价

22、汽车安全性。根据碰撞范围的不同可分为全宽碰撞和偏置碰撞。汽车碰撞方向也可与固定壁成一定角度。有时还可在固定壁前面附加各种形状的障碍物，以研究汽车在不同碰撞情况下的特征。六、被动安全性试验正面全宽碰撞试验水泥混凝土障碍壁（50km/h）40%重叠偏置碰撞试验蜂窝状铝合金变形壁（56km/h）2）移动壁碰撞试验 移动壁碰撞试验常用于测试试验车的侧撞和尾撞安全性。试验时，在能行走的台车上装备有一定撞车面积的可移动壁，加速到预定速度后碰撞处于静止状态的试验车。为进行反复试验，台车的构造需要坚固耐用。试验时，应该给碰撞后的试验车留出足够的滑动范围。侧向碰撞试验时，试验车静止，移动障碍壁向前运动，其运动方

23、向与试验车中轴线成27夹角，速度为53km/h。为了检查车辆碰撞后双方车辆的外形和刚度的变化情况，要进行车对车的碰撞试验，一般有正面碰撞、侧面碰撞和尾部碰撞三种。侧面碰撞 2模型撞车法 在新车设计阶段可以采用模型撞车法，一般用1：2模型。这种试验方法费用较低，准备时间短，且便于多方案比较。如果仅对某些部件进行变形研究，可采用1：1的复合试验车，即在现在生产的车辆上作一定改动，装上研究的部件所构成的试验车作撞车试验。这种方法常用于理论研究和局部改进。3部件试验 常用静态加载法对车门、车顶、驾驶室后围、座椅和安全带进行强度和刚度试验。用冲击试验测定保险杠的性能，测定发生事故时仪表板、方向盘等部件对人体的伤害程度。4假人试验 为了确定撞车试验中车内乘员所受伤害的严重程度，广泛采用专门制作的模拟人（假人）。其各部肢体在形状、运动学和动力学性能方面都与真人严格相似，头部还附有软化材料模拟肌肉和皮肤。在头、胸、背和大腿部都装有传感器，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，价格也更高。一个完整的试验用“假人”系列包括5%妇女、95%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。第四章 汽车的行驶安全性完