人机工程学在轿车车身安全性设计中的应用

1人机工程学在轿车车身安全性设计中的应用摘要:从车身的主动与被动安全两个方面,分别概述了人机工程学在轿车车身结构、车灯、方向盘、座椅、视野和制动稳定性等方面的应用现状,总结了提高汽车正面、侧面、后面碰撞保护能力以及车顶耐撞强度的一些方法,介绍了世界各大著名汽车公司的最新相关产品。最后,预测了应用人机工程学原理设计安全车身结构的发展趋势。关键词:人机工程学;安全性;轿车车身结构;附件Theman-machineengineeringintheapplicationofthesafetydesignofcarbodyPickto:fromthebodyofbothactiveandpassivesafety,respectively,summarizestheergonomicsinthedirectionofcarbodystructure,lights,disc,seat,vision,andthepresentsituationoftheapplicationofbrakingstability,etc,aresummarizedtoimproveautomobilefront,sideandbackcollisionprotectioninsomewayandtheintensityoftheroofbruise,introducestheworldfamousautomobilecompany'slatestproducts.Finally,forecaststheapplicationprincipleofmanmachineengineeringdesignsecuritythedevelopmenttrendofcarbodystructure.Keywords:ergonomics;Security;Thecarbodystructure;Theattachment2引言人机工程学是第二次世界大战以后发展起来的一门交叉性、边缘性学科,主要研究人与机器相互关系的合理方案,即对人的知觉显示、操作控制、人机系统的设计及其布置、作业系统的组合等进行有效的研究,其目的在于获得最高效率及作业时感到安全和舒适[1]。国外在应用人机工程学原理进行轿车车身及其附件的设计方面已进行了长期卓有成效的工作,但主要研究成果多集中在提高驾驶舒适性方面。如:应用人体H点模型确定车身内部座椅的位置、高度及相关尺寸;根据驾驶员眼椭圆范围确定风窗玻璃刮扫面积和部位;根据驾驶员的手伸及界面确定操作按纽、仪表板的布置等。然而,轿车车身不仅要满足乘客的乘座舒适性,更重要的是要保证乘员的安全。从20世纪50年代开始,美、欧、日先后制定了FMVSS、ECE和保安基准法等各种安全法规,美国还于1971年提出实验安全车(ESV)计划,通过大量撞车试验改善车身构造、提高汽车安全性。他们通过在被撞试验车上安装“假人”来改进与提高车身保护乘员的能力,使车身结构的布置、强度和刚度分布与乘员或行人被撞部位的身体结构特点相适应,达到事半功倍之效。进入20世纪90年代以来,美国、日本和欧洲各大汽车公司按照“以人为本”的设计理念,比以往更重视应用人机工程学的研究成果,其原理不仅用于提高汽车的操作方便性和乘座舒适性,而且正越来越多地被引入安全性车身结构设计中[2～6]。符合人机工程学的安全性轿车车身结构将在保证车身轻量化的前提下,在车身关键部位采用与人体结构相适应的结构设计,使人员伤害最小化。中国在应用人机工程学设计轿车车身结构方面与国外发达国家差距很大[7]。1车身主动安全性设计主动安全性是指汽车防止事故的能力。车身的主动安全性能包括:照明灯、信号灯的性能,汽车的前、后视野性能,实现操纵稳定性及制动性的能力等。1.1照明灯与信号灯前照灯的灯光强弱、照射距离及防眩目装置就是根据人眼的生理特点和人机工程学原理设计而成。为了满足不同驾驶环境(雨、雾和雪等)、路面状况、交通密集以及驾驶条件(高速、转弯等)下自动控制前照灯3的光束模式,日本KOITO公司研究的智能灯光系统(ILS)、欧洲研究的先进前照灯系统(AFS)、本田和StanleyElectric公司的可动式前照灯系统、博世公司的光线叠加自适性前照灯系统以及VALEO公司的灯光系统等都能根据不同的外界条件自动控制前照灯所发出的光束形状、强度和发光方向。此外,雾灯、示宽灯、倒车灯、牌照灯、踏步灯、检修用灯以及转弯指示灯等也都是根据驾驶员的不同需要而设计的。1.2视野为保证驾驶人员有尽可能宽广的视野,前支柱(A柱)、中央支柱(B柱)和后支柱(C柱)的粗细及位置很重要。设计上,必须根据驾驶员的眼椭圆范围确定风窗玻璃刮扫面积和部位,并在满足翻车安全保障和前窗振动抑制要求的前提下,以最细的支柱来减小视野死角。提供后视野的后视镜也要保证驾驶员有足够的后视范围。FIAT公司的MULTIPLA采用的双片可调式后视镜不仅可以使驾驶员看到车后其它车辆的行驶状况,而且也可观察后车胎与路面的接触情况。1.3操纵稳定性与制动性制动踏板和手柄的行程和位置,必须满足一般身材人体的需要,踏板力、手柄等也应适应一般人群,因为这些都对制动性能影响较大。据报道,美国有5%的女性司机由于身材矮小,为踩上脚踏板而使身体与方向盘的距离小于25cm,当气囊膨胀时,脖子常受到伤害。此外,车身总质量大小及轴荷分配、整体转动惯量、车身空气动力学特性、车身重心高度和相关部件刚度等也都对操纵稳定性有一定影响。2车身被动安全性设计被动安全性是指事故发生时,汽车保护乘员的能力。2.1基本原则除了使用安全带、安全气囊、能量吸收转向柱(二次伸缩式方向盘)和膝垫等外,为保证碰撞发生时乘员的安全,车身前部设计还必须满足以下两点:4(1)尽量缓解乘员受到的冲击,尽可能地吸收车辆及乘员的运动能量[8,9];(2)确保乘员的有效生存空间,并保证碰撞后乘员易于逃脱和进行车外救护。为此,车身前部(如方向盘)在碰撞发生时必须能迅速退到规定的范围内,而且受压各部件的变形形式也必须得到控制,以防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入驾驶室而伤害驾驶人员。此外,还必须保证驾驶室坚固、不易变形以利于乘员快速逃脱。2.2车身结构设计2.2.1减少正面碰撞造成的伤害为提高正面碰撞时乘员的安全性,在安装前保险杠并保证车身前部刚度与前部其它刚性元件(如发动机、变速箱等)相匹配的情况下,可采取如下措施:①优化边梁截面参数,在边梁上布置凸(凹)台或在某些部位加工出压花,来增加能量吸收能力(图1);②采用凸焊缝结构和高张力钢板,在保证重量轻的前提下提高耐冲击性;③增强车厢,特别是防火墙的刚性;④利用三叉形构件将冲击力分散到传输通道、地板及侧围面板。SAAB公司对正面碰撞的防护还制订了车身设计必须遵守的三条原则,即:具有稳定的变形特性;采用粗壮的纵向梁元;在前碰撞载荷和后面结实的安全仓之间,预备三条载荷传递路线。并且这些原则已在SAAB公司的9-5车型上得到应用。该车通过将三条载荷传递路线连接在一起,来优化和分配碰撞载荷,使碰撞发生时车身按预定的变形方式吸收能量。大众公司新近开发的Lupo虽然外形尺寸比Polo还短190mm,但却有相同的搁脚空间。在如此小的空间中,要保证乘员在正面碰撞时的安全,在两个前轮罩之间设置的十字形构件可阻挡搁脚空间的变形。同时,在门的开口处设加强板与轮罩一起将力传至车身后部,并抵抗侧撞时车门被挤入室内。DAIMLER-BENZ公司首次在MERCEDES-BENZ190上采用了三叉式碰撞缓冲机构(图2)。并且在该承载式车身中最大受力部分是有普通钢板强度1.6倍的高张力钢板,从而提高车厢空间周围的强度。同时,车身前部和后部由高张力钢板构成的纵向零件常被冲压成波纹型面和加强5筋,以提高吸收冲击能力。BMW公司的车身工程师们认为,“车身—车架”式结构不能足够快速扩散碰撞能量,而设计良好的“整体车身结构”能在安全带与气囊被触发前吸收更多的碰撞能量。在BMW公司2000X5运动车以及CHRYSLER公司的CVV全塑车身都采用了整体车身结构。2.2.2减少侧面碰撞造成的伤害为保证侧面碰撞时乘员的安全,应设法将侧碰力有效地转移到车身具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其他构件上,使撞击力被这些构件分散、吸收。为此,可采取以下措施:①增加防撞横梁提高车门强度;②合理设计侧围A、B、C柱的截面形状及增加板厚及相应部位联结刚度,保证侧碰力有效传递到整个车身;③增加门槛梁强度,保证将碰击力有效分散给地板等其他构件;④在B立柱及仪表板下面及后风窗下面安装加强横梁等;⑤合理设计门锁及门铰,既要防止侧碰时车门自动打开,又要保证碰撞后车门容易开启,以利于救护。为增强车门的吸能性也可尝试采用新材料如,FRP(Fiber-ReinforcedPlastics)材料由于具有较高的吸能性、更好的NVH性、重量轻以及成本低等特点,有时也可用于车门制造。由FRP材料制成的拉伸元件,起到了加固带的作用。此外,根据人体不同部位的易伤害程度不同,可有效控制侧面变形形式。如,由于人体头部、胸部和肋骨是最易被伤害的部分,SAAB公司[8]将侧面结构设计成具有“钟摆式”特点,使B柱底部发生大的变形,而上部相当于钟摆的“摆心”,使危险部位降到人的腿部,而减轻侧撞造成的伤害。在MERCEDES-BENZ190上采取了以下防侧撞措施:①在各立柱或车顶构架中,采用了高张力钢板;②对地板进行了强度改进,并采用了贯通其左右两端的横梁结构,既能增加强度,又改善和提高了对冲击的吸收能力,地板采用中央通道结构作为传动通道贯通于地板前后,而车架十字梁把整个地板进行纵向截交,从而加强地板的刚度;③仪表板内侧设有横梁可以减少车身挠曲,减少车厢变形;④侧门横梁设计成既可以吸收冲击能量,而后又能自行断裂,防止其弯曲后向车厢内穿刺;⑤取消座椅扶手,减少内部凸起物;⑥车门与其内饰间插入缓冲垫,增加横向缓冲能力。日产公司开发的西马高级轿车车身分为碰撞部分与安全保护两大部分。其“高强度驾驶室”在碰撞部位吸收冲击能量,限制车厢碰撞后发生变形,还具有“冲击能量分散型车身侧向构造”及“冲击能量吸收型车门构造”。2.2.3减少后面碰撞造成的伤害6由于车身后部不存在质量大、刚性大的部件,所有碰撞能量都由车身本体吸收。在保证车厢刚性前提下,尽量将力分散到后地板、后翼子板、后立柱内板等车身面板上。具体措施与防止前撞相似。此外,VOLVO和MITSUBISHI公司合资生产的S40/V40以及其它更大的VOLVO产品,都采用了VOLVO公司的用来缓冲后面碰撞对乘员头部冲击而设计的头部保护座椅(WHIPS)。DElPHI开发的“主动头部约束系统”也是很好的产品,它能减轻后部碰撞对乘员头部造成的伤害。2.2.4防止伤害行人为保证低速行驶时保险杠撞击行人造成下肢伤害,以及避免汽车重要部件的损坏及维修,多采用能量吸收式保险杠。为减轻行人与发动机罩、风窗玻璃等二次碰撞时的伤害,尤其是头部伤害,可将风窗玻璃框架外部设计成软结构,并尽量将门把手等装置设计成内凹式,以及将后视镜配备缓冲结构。BENZ的车牌照、后视镜等受冲击后均可向后倾转,而且保险杠、车头前端部曲面造型设计也考虑了对行人的安全性。碰撞时,前照灯也可向后移动。2.2.5减少翻车伤害为防止翻车伤害,可加强车顶纵梁及立柱的刚杠。现代轿车在顶盖两侧表面使用的压筋式凹槽不仅可使侧围表面平滑,同时也可提高纵向的抗弯刚度。2.3方向盘的安全性设计为保证驾驶员安全,方向盘设计应做如下考虑:(1)使用软体材料制作方向盘的外层轮缘;(2)方向盘上的安全气囊不仅在碰撞发生时能自动打开,保护司机的面部和胸部,同时还应该及时排气,以免造成司机窒息;(3)采用可压缩式方向盘立柱,以吸收冲击力。2.4座椅的安全性设计在SAAB开发的900型车身中,首次应用了LEAR制造的“SAAB安全座椅”。这种座椅在侧撞和后撞发生时,能在每个乘员周围形成一个保护,并对缓冲身体上部而布置于靠背的侧面安全气囊起到稳定的支撑作用。此座椅不仅在B立柱上端前座椅安全带上安置了出色的预拉伸器,还具有防水斜坡