安全气囊对汽车乘员碰撞损伤防护的研究

安全气囊对汽车乘员碰撞损伤防护的研究!刘子建黄天泽张建华（湖南大学机械与汽车工程学院长沙410082）杨济匡（瑞典查尔摩斯大学机械与车辆设计系碰撞安全研究室）摘要概述国内外安全气囊的开发和应用过程中所开展的研究工作。论述的重点包括事故分析，与安全气囊相关的损伤，损伤生物力学，安全气囊防护有效性的评估方法以及新型安全气囊的研究动态和发展趋势。叙词：安全气囊汽车碰撞损伤防护损伤生物力学中图分类号：U461.91O66!国家自然科学基金资助项目。20000825收到初稿，20001126收到修改稿0前言安全气囊的防护效果与众多的因素有关。一方面是事故发生的客观情况，如碰撞强度，碰撞类型，乘员的身高、体重，乘坐位置，车辆的类型和大小等。另一方面是车辆上安装的防护系统及其使用情况，例如是否使用了安全带和安全气囊及它们的尺寸、容量等。因而，要对安全气囊有效性做出客观准确的评价，找到影响其防护效果的主要因素难度很大，是安全气囊研究领域的重要问题。它涉及到工程学、交通事故损伤流行病学、损伤生物力学和统计学等多个学科，是综合性很强的研究领域。安全气囊依据其作用的不同分为防止前碰撞损伤的驾驶员安全气囊、前座乘客安全气囊和侧面碰撞防护安全气囊等。安全气囊在防止重大损伤和减少事故死亡的同时，也可能由于它的快速展开而引发新的损伤，本文将此种损伤称为“气囊损伤”。如何保证安全气囊对各类汽车乘员在各种碰撞条件下提供最有效保护的同时，减少甚至避免气囊损伤，是目前汽车乘员约束系统研究的最主要问题之一。本文通过对安全气囊防护有效性、气囊损伤和相关技术发展的综述，剖析了这一领域涉及的范围广泛的问题。1碰撞事故中的损伤流行病学交通事故损伤流行病学是利用流行病学（Epidemiology）研究的方法和工具研究在道路车辆事故中创伤发生的原因及类型，研究人、环境和工程技术的因素，发展各种方法去评价在交通事故损伤防护过程中所采取的各种降低损伤措施的有效性。!!损伤监测系统与事故数据分析交通事故损伤流行病学研究的基础是可靠的事故数据，这些事故数据应该是经过交通管理部门、医院、保险公司、汽车制造厂和相关权威机构收集得来的。美国是交通事故损伤监测系统最完善的国家之一，并建立了完整的交通事故数据库。最有名的例子是美国的耐撞性数据库系统CDS，CDS从1979年开始收集交通事故的数据，其工作小组除了收集一般碰撞事故数据外，还完成所在地区典型事故的分析，每年要以这种方式调查大约7000件碰撞事故。美国另一个重要的数据库是死亡事故报告系统FARS，该数据库包括自1975年以来美国各州收集的所有碰撞致死事故，是一个数据规范性和可靠性都很高的事故数据源，也是目前美国交通损伤流行病学研究的重要基础。此外还有英国的CCIS和德国的AIH［1］等。事故损伤数据的完整性直接影响损伤流行病学研究的结果。解决事故数据完整性不够问题的措施，除了改进采集数据的方法外，还应考虑范围更加广泛的数据源，如保险公司和医院的数据库等，并将这些数据库与警察和国家权威机构的数据库连成一体，才能为交通事故流行病学的研究提供可靠全面的数据基础。第一个关于三点式安全带防护效果的研究是瑞典人Bohlin完成的，随后其他人进行了大量的关于早期安全带防护效果评估方面的研究。然而，由于所用数据和使用方法的不同，得到的结果差别较大。80年代中期，在交通事故流行病学的分析中引入了更加精确的统计学方法，如Evans［2］创造了配对比较法可以将事故众多因素中某一因素的作用相对独立第37卷第5期机械工程学报Vol.37No.52001年5月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGMay2001出来，使人们有可能对使用某种约束系统的有效性作出比较准确可靠的评价。1.2损伤评估标准和体系损伤的评估标准和尺度是损伤流行病学研究的重要基础概念，它被用来区别和衡量事故中人体损伤程度（Severity），也可以称为损伤尺度或指标（Scaling）。它可以从力学和生理学的角度定义为生理学或解剖学意义上的使人体功能丧失或解剖结构破坏方面的量，也可以定义为生理学和与之相关的社会学意义方面的量。与损伤程度密切相关的另一个量称为损伤标准（Injurycriterion），它通过一些物理参数或其的函数定义，这些参数常常反映了引起某一程度损伤发生的损伤力学因素。人体或人体的某一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受度（Tolerance），它定义为导致某种类型损伤发生或达到某种损伤标准的阈值时的载荷大小，或者是由这种载荷换算出来的量。应该注意到，不同年龄和不同个体之间耐受度的差别是很大的，一般只能用试验或统计学的方法来确定。损伤程度有多种定义方法，大体上可以分为3类。!解剖学尺度：以损伤发生的解剖学位置、类型和损伤的程度来描述，它仅仅考虑损伤处本身及相关的功能改变，如AIS（AbbreviatedinjuryScale）等。社会学尺度：不仅考虑到损伤处本身和功能的改变，而且考虑到因损伤而导致的长期影响，包括治疗费用、伤者的生活质量等。如损伤主导指标IPR（Injurypriorityrating）、IIS（InjuryimpairmentScale）和HARM［3］等。#生理学尺度：主要考虑损伤导致人体生理学变化的过程，在医学临床治疗中使用较多，如GCS等。由于损伤尺度、损伤分类方法与损伤监测体系与交通事故流行病学及汽车安全研究关系密切，是预防和减少交通事故损伤及从事相关科学研究的基础性工作，也是社会发展的一个重要方面，世界各发达国家都高度重视，进行了深入研究。如文献［3］关于HARM的研究就是在NHTSA的资助下进行的。1.3碰撞强度参数$!和!e，eg描述碰撞强度（CraShSeverity）的主要技术参数是$!和!e，eg。$!是指在汽车发生碰撞接触时间内，车辆惯性中心在固定坐标参考系中的速度变化；!e，eg（EnergyeguivalentSpeed）是对相碰撞车辆在接触期间所吸收动能的一种衡量。计算碰撞强度还有英国CCIS使用的!t，eg（EguivalentteStSpeed），它表示汽车撞击到刚性墙上发生某种程度破坏时的对应碰撞速度。1.4前碰撞事故分析及安全气囊对乘员的防护效果1998年，美国农业互助机动车保险公司在调查该公司投保用户事故数据后发表的研究结果显示，安全气囊的展开频率为27次/161万公里和每千次碰撞事故有95次气囊展开；尽管气囊使损伤的发生率略有增加，但中等程度损伤和重伤下降了35%。英、法、德、日学者也有很多类似研究。在事故分析理论和损伤流行病学研究方面更具有参考价值的另一研究是MalliariS等人完成的［4］。这项研究所使用的数据是NASS/CDS1988~1994和FARS1991~1994事故数据。该项研究采用了EvanS配对比较法并使用统计学的方法分析数据的误差，在损伤和相关损失的评价中使用了HARM指标，并采用了等价死伤率（EFE-EguivalentfatalityeStimate）等新概念评价损伤程度。研究针对约束系统的防护效率，分析了各种约束装置的使用与范围广泛的参变量之间的关系。结论为：使用不同约束系统降低死亡的效率为，安全气囊+安全带：（56.313.2）%，只有安全气囊：（25.4111.8）%，只有安全带：（48.515.5）%；在前碰撞中对应的三项防护效率分别为（76.3111.8）%，（19.4117.8）%，（51.617.5）%。1996年NHTSA公布了各种汽车乘员碰撞安全约束系统防护效果的统计数据：安全气囊使正前碰撞事故中的死亡减少了31%，气囊和3点式安全带共同使用使中等程度的头部损伤减少了83%，严重头部损伤减少了75%；中等程度胸部损伤减少了59%，严重胸部损伤减少了66%［5，6］。2损伤生物力学人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学称之为人体损伤生物力学，亦称为碰撞生物力学，是汽车被动性安全研究的重要理论基础之一。损伤分为穿透性损伤和无穿透损伤两种。无穿透损伤通常是由一些“钝”的物体通过较大的接触面来与人体发生作用或者是惯性力作用的结果。在碰撞的环境下，接触力、惯性、人体组织的弹性和粘—弹性特性等方面的因素都会影响到损伤的类型和程度［7］。前碰撞事故中安全气囊主要防护头部、颈部、胸部和下肢的损伤，分别占了损伤总数的（仅有安全带约束）52.5%（包括头、颈），24.3%和14.4%［8］。头部主要与方向盘和挡风玻璃碰撞，发生头骨碎裂、面部擦伤、撕裂，颈部扭伤和严重的颈椎骨折、挫伤等；胸部与方向盘碰撞发生肋骨、胸骨骨折或由于安全带载荷的作用发生肋骨骨折等；腿部则与膝垫等车2001年5月刘子建等：安全气囊对汽车乘员碰撞损伤防护的研究13前部冲撞，发生股骨和胫骨骨折等；此外，在加速度的作用下，还会产生脑损伤和胸内腔出血等。美国Wayne州立大学的Lissner是第一个将头部的耐受度进行量化描述的人，得到了头部在直线加速度下的耐冲击性，就是有名的Wayne州耐受度曲线WSTC。为了解决在比较复杂的加速度—时间关系下用WSTC进行损伤耐受度计算，Gadd提出了一种加权加速度指数GSI。在比较综合WSTC和GSI的基础上，FMVSS提出了头部损伤耐受度的计算公式HIC。胸部的损伤是在挤压力、惯性力和冲击波载荷作用下发生的［7］，试验证实，人体胸部对加速度的耐受度随着加速度作用时间的延长而下降。加速度是一种便于测量的量，就产生了由单一参数决定的胸部损伤耐受度———胸部g值。FMVSS208建议，试验假人的胸部加速度值在超过60g时，作用时间不要超过3ms。C.K.KrOeII等在进行尸体前碰撞试验的基础上发现胸部挤压力比加速度更能表示胸部的损伤程度，建立了挤压（定义为变形与胸部厚度之比）与AIS指标之间的关系，提出了胸部挤压指标C。由于按照挤压指标进行了大量的动物试验，并不能很好地解释在更高碰撞速度下胸部发生损伤的现象［9，10］，发现胸部的损伤不仅与挤压力有关，而且在一定的挤压力之下，损伤的强度（用AIS指标）随着冲击速度的增加而增加，这种现象在前碰撞和侧碰撞中都可观察到。当冲击的速度达到30m/s以上时仅有速度的变化影响到损伤，因而提出了粘性指标LC（L是胸腔的变形速率，C为胸腔的挤压变形率）。目前已有胸箍等先进测量设备测量胸部的变形，使得LC的值可以较准确地知道。J.M.Cavannaugh建议成年人的LC耐受度值为1m/s。另一胸部损伤耐受度是FMVSS214侧碰试验标准采用的TT（IThOracictraumaindex）。颈部损伤耐受度Nij最初是由H.J.Mertz于1984年提出来的，FMVSS208规定假人试验颈部损伤耐受度为Nij=3.3kN3安全气囊导致的损伤!#气囊损伤事故1995年美国高速公路安全保险研究院报道了美国829辆安全气囊展开的交通事故，发现有43%的事故中至少有一处是气囊损伤。这些损伤中，有96%是AIS1，3%是AIS2，1%是AIS3，并有4例是气囊致死。气囊损伤对儿童来说常常是致命的。加拿大第一例气囊展开导致儿童死亡的事故发生在1996年5月［11］，在一次轻微的追尾碰撞事故中碰撞前的紧急刹车引起气囊展开，导致坐在前排右座的4岁儿童严重的颈部损伤致死。美国早就有关于个子矮小的驾车人和儿童被气囊严重损伤甚至致死的报道，在美国国内引起了很大的反响。1996年NHTSA组织了特别碰撞事故调查（SCI），调查确认了99例气囊造成的死亡事故，其中57例为儿童，42例为成人。死亡事故的受害者主要是离位的儿童和驾车人。德、英、澳等国也有类似的报道。!$安全气囊的工作过程和气囊损伤产生的原因通常，在汽车发生最初碰撞15~20ms以后由传感器引发气囊展开的过程：以碰撞发生为计时起点，首先是在18~23ms内传感器引爆烟火装置，并点燃气体发生器，在21~27ms时气体充入气袋使其膨胀并展开，整个过程大约需要20~40ms。在这段时间内，乘员在惯性的作用下相对汽车车身向前运动大约125~150mm，在45~50ms时接触到已完全展开的气袋。