汽车被动安全性

第四章汽车被动安全性4.1概述4.2安全的车身结构4.3汽车座椅安全带系统4.4安全气囊系统4.5汽车座椅系统4.6转向系防伤机构4.1概述被动安全性(事故后汽车安全性)含义：事故发生时保护乘员和步行者，使直接损失降到最小的性能；为防止事故后出现二次伤害的安全性，还应考虑防止事故车辆火灾以及迅速疏散乘客的性能。分类①外部安全性：包括一切旨在减轻在事故中汽车对行人、自行车和摩托车乘员的伤害而专门设计的与汽车有关的措施。决定因素包括碰撞后汽车车身变形的状态，汽车车身外部形状。②内部安全性：包括事故中使作用于乘客的加速度和力降低到最小，在事故发生以后提供足够的生存空间，以及确保那些对从车辆中营救乘员起关键作用部件的可操作性等有关措施。决定因素包括车身变形状态、客厢强度、碰撞发生时发生后的生存空间尺寸、撞击面积（车内部）、转向系统、乘员的解救、防火。4.1概述被动安全性—汽车碰撞安全性：汽车的被动安全性常和汽车碰撞事故联系在一起。汽车碰撞分类：汽车碰撞二次碰撞：一次碰撞后汽车的速度下降，车内驾驶员和乘客受惯性力的作用继续以原有的速度向前运动，并与车内物体碰撞。(乘员与汽车内部结构的碰撞)一次碰撞：汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞。(汽车和外部事物之间的碰撞)4.1概述汽车发生碰撞时乘员受伤害原因：①在碰撞时，汽车结构发生变形，汽车构件侵入乘客空间，使乘员受到伤害；②碰撞时，由于汽车结构破坏等原因，使得乘员的部分身体或全部身体暴露在汽车外面受伤；③在碰撞作用下，汽车的速度急剧减小，这使乘员由于惯性作用继续前移与汽车内部结构碰撞而造成伤害。汽车被动安全系统：①安全车身结构：减缓一次碰撞的强度，减少一次碰撞带来的伤害；确保汽车乘员的生存空间，并保证发生事故后乘员能够顺利逃逸。具体措施包括增大塑性变形，吸收更多的能量；保证乘员生存空间。4.1概述汽车被动安全系统：车身结构的安全性如何，在一定程度上影响到交通事故对乘员所造成的危害程度，车身的安全设计水平，很大程度上决定了车辆的被动安全性能，因此在汽车车身机构的布设上，人们的要求从美观、舒适进而发展到追求高的安全性。②乘员保护系统：使用安全带、安全气囊等保护装置对驾驶员及乘员加以保护，以减少二次碰撞造成乘员破损或避免二次碰撞。具体措施包括配置安全带、安全气囊和安全转向柱等。★以达到保护驾驶员和乘员的目的。4.2安全的车身结构安全的车身结构，就是利用车身的前后部的变形有效地吸收撞击能量，降低事故时人体的减速度；同时车室坚固可靠，确保乘员的有效生存空间。从车辆的被动安全性考虑，对汽车外部设计的最基本要求应是使碰撞的不良后果减轻到最低程度。设计原则：车身应与安全带、安全气囊、能量吸收式转向系等围绕乘员的一些装置进行匹配，完成以下三个功能：①车身前部构件尽量吸收撞击能量，缓解乘员受到的冲击；②增大乘员室刚度，确保乘员的有效生存空间，同时还必须保证碰撞后乘员易于逃脱和容易进行救护；③碰撞发生后，结构允许破坏，但要严格控制破坏后的变形，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入驾驶室。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性汽车的碰撞形式：前碰撞（包括偏置碰撞和正面碰撞）、侧面碰撞和追尾碰撞；车撞人和翻车等。包含所有伤害类型的碰撞事故的概率分布图：汽车发生前碰撞的概率在40%左右。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性正面碰撞概率分布图：正面碰撞在汽车事故中发生频率最高(16%)—采用适当的正面碰撞保护措施，可明显减少因交通事故造成的人员伤亡。具体有：①正面碰撞时，车身前部结构和能量吸收及驾驶室变形密切相关，碰撞能量靠物件的弯曲变形和压溃变形来吸收，因此在设计时，应对前部构件进行优化，确定其最佳形状、厚度等，以提高其能量吸收能力，使作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内。(有限元分析方法)4.2安全的车身结构1.车身的变形特性②汽车前部如发动机、变速箱、差速器、行走部分等质量较大，是不产生变形的部件，在碰撞时不吸收能量，从而使车身的压溃变形量变小，为防止这些部件侵入驾驶室，必须采取相应措施使之向下转移。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性侧面碰撞侧面碰撞车身变形空间小，装饰件和结构件所能吸收的能量有限，对乘客危害较大，因此，增加车室刚度，保证乘员的有效生存空间显得尤为重要。实现侧面碰撞防护的指导思想：将侧碰力有效地转移到车身具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其他部件，使撞击力被这些部件分散、吸收，从而极大限度的把可能造成的损害降低到最小程度。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性侧面碰撞提高侧面碰撞性能可采取的措施：车门和立柱应有足够大的刚性，在碰撞时不应发生大的变形；考虑到侧撞时乘客可能会撞击到车门内板，车门内板柔软。采用防侧碰安全气囊，来减轻乘员因二次碰撞造成的伤害。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性追尾碰撞一般碰撞速度较低，且尾部有足够多的碰撞吸能区间，因此其吸能设计相对前部较低，设计要求：①由于乘员伤害主要是颈部冲击损伤，尾部区段应尽量软化；②保证发生追尾碰撞时行李箱边缘不能穿过后窗而撞入车厢内，并保证燃油系统的完整性。4.2安全的车身结构1.车身的变形特性碰撞安全法规保护人群：乘员、路上行人碰撞类型：前碰撞和侧面碰撞车型：针对轿车（目前）指定的我国：起步较晚，2002年实施，内容只是车辆前部正面碰撞，最主要的法规《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计从汽车的碰撞安全性考虑，分为A区即乘客安全区和B区即缓冲吸能区。为保证乘员安全，要求车身的前后部能有效吸收碰撞能量，车室要坚固可靠，确保乘员的有效生存空间-A区变形小，B区刚性足够小，变形足够大；存在着矛盾。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计B区外柔内刚的结构，即B区和A区交界处设计成具有较大刚性的结构，外围设计成具有较小刚性和较好缓冲吸能的机构。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计汽车碰撞安全性设计和改进的基本目标：合理设计汽车的结构，车身结构方面的措施：①前保险杠：减轻一次碰撞的伤害程度-吸能保险杠，按照吸能材料和作用原理，可分为：a.阻尼型：在保险杠和车身之间加装油压或液气阻尼元件（阻尼器），通过油的粘性阻尼力抵抗碰撞，吸收碰撞能量。特点：能量吸收率高，车身部分变形量小，热敏性能稳定。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计b.弹性型：在保险杠内填充泡沫塑料、蜂窝结构材料等吸能材料。特点：结构简单、质量轻、成本低、对上下左右各方向的碰撞均有能量吸收能力。c.弹性-阻尼型4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计d.波纹管型：在保险杠内加装几个矩形波纹管，通过波形管的变形来吸收碰撞能量。e.柔性型：采用合成材料制成，通过保险杠本体材料变形来吸收碰撞能量，碰撞后可恢复原状。f.能量耗散型：采用金属切削或弯曲、挤压变形等手段来消耗碰撞能量。g.主动作用型：多与主动碰撞探测系统相连—根据探测系统对将发生的碰撞判断，通过缓冲气缸将保险杠自动弹出一段距离。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计②后保险杠：车身后部的防撞装置，倒车时③侧围保险杠：车身侧面的防撞装置，防止会车时与侧面碰撞物之间的擦伤，减轻侧面碰撞冲击。④救护网：多设置在车身前部，防止撞击后的行人跌下路面继而受车轮的碾轧。⑤减轻撞击行人的弹性装置：发动机上部及前风窗玻璃周围布置弹性材料，减轻行人撞击后再次冲击的程度-减轻二次碰撞伤害。4.2安全的车身结构2.车身结构安全设计⑥吸能车架结构：利用车架的变形吸收撞击能量，保证乘员必要的生存空间。（图4-7）⑦翻车安全对策：A.加强车顶纵梁及立柱的强度和刚度B.在车顶设置翻车保护杠4.2安全的车身结构3.车身碰撞过程的数值分析①车身碰撞有限元法分析过程车身碰撞有限元法：整车的有限元分析、零部件或结构的碰撞有限元分析等。计算结果作用：可直接用于评价车辆或部件的碰撞安全性能，另外可作为车身结构改进的意见。4.2安全的车身结构3.车身碰撞过程的数值分析②汽车碰撞过程的计算机仿真A.多刚体动力学：主要是运用一些无质量的弹簧、阻尼以及各种动态铰来描述系统的动态响应。优点：建模方便且计算速度快缺点：以刚体为代表分析对象，不能直接用来进行车体结构的受撞变形的计算分析。B.动态大变形非线性有限元法：通过将连续的空间系统离散化，利用节点将实际结构的各个部件联系在一起，可用于人体和车辆的详细建模，能得到各个部件的变形、应力应变分布、速度和加速度分布等。C.多刚体动力学和动态大变形非线性有限元混合法：既突出有限元的特点又可通过局部的多刚体处理提高计算速度。4.3汽车座椅安全带系统汽车座椅安全带是重要的乘员保护约束系统设施之一，在减轻碰撞事故中乘员伤害程度方面起着重要的作用。统计数据表明，佩戴安全带使碰撞事故中乘员伤亡率减少15%～30%。发展：1922年出现在赛车上；1955年开始得到普及，1959年瑞典VOLVO三点式座椅安全带；1963年开始有有关安全带的法规；1968年美国汽车安全标准FMVSS208要求所有轿车的前方座位处必须有安全带；我国强制使用安全带条例于1993年7月开始实施。1.汽车座椅安全带分类①作用和原理作用：为了减轻乘员在二次碰撞中受到的伤害，利用安全带将乘员身体与坐席牵制在一起，减少冲击时身体位移，能有效防止乘员身体与车内构造物相碰，从而起到一定的保护作用。原理：碰撞—安全带在人体作用下产生位移—当人体作用在安全带上的力使安全带的运动速率超过一定的值后，锁止机构开始工作—安全带被锁紧，不能从卷收器中继续抽出，将乘员约束在座椅上，防止二次碰撞和被抛离座椅。4.3汽车座椅安全带系统1.汽车座椅安全带分类②分类按照其使用的主动性（1）主动型安全带：用人工锁扣及解扣的安全带，需要乘员的主动操作才起作用。（2）被动型安全带：车门关闭或开启后自动锁扣及解扣的安全带，不需要乘员动作。按照固定安装方式：两点式三点式全背式4.3汽车座椅安全带系统2.安全带组成①织带：构成安全带的主体，约束乘员并将力传递到安全带固定点的柔性带状物-要求安全带在规定伸长率以内有效约束住乘员，并尽量减轻乘员所受的冲击力，以避免造成人身伤害-具有足够的强度、延伸性能和吸收能量的性能。②带扣：既能把乘员约束在安全带内又能快速释放的连接装置-作用：结合或脱开安全带。4.3汽车座椅安全带系统2.安全带组成③卷收器：用于收卷、储存部分或全部织带的装置，是安全带系统中最复杂的机械件。分类：无锁式、自锁式、紧急锁止式、预紧式、限力式④导向件：对织带进行导向或改变方向的零件。⑤固定件：固定安全带各部件的结构件⑥长度调节件：适应乘员体形调整织带长度的机构4.3汽车座椅安全带系统③卷收器：无锁式卷收器：在织带全部拉出时保持束紧力的卷收器，无法在织带拉出的位置自动锁紧织带。自锁式卷收器：在任意位置停止拉出织带时，锁止机构能在停止附近自动锁止同时保持束紧力的卷收器-可在织带拉出的任意位置自动锁紧织带。紧急锁止式：在汽车正常行驶时允许织带自由伸缩，当汽车速度急剧变化时，其锁止机构锁止并保持安全带束紧力约束乘员。4.3汽车座椅安全带系统2.安全带组成③卷收器预紧式卷收器：在普通安全带上增加预紧器a)由来：织带松弛量：碰撞中乘员惯性前倾运动开始至开始感应到织带张力时，织带有一个长度的变化，该长度的变化量称为织带松弛量。产生因素：乘员衣服的松弛、织带在卷轴上的缠绕、卷收器的锁止敏感性等因素。乘员胸部加速度和头部伤害指数与安全带的织带松弛量成线性增长关系—通过较早地产生约束力来减少乘员的前移量。4.3汽车座椅安全带系统2.安全带组成③卷收器预紧式卷收器：在普通安全带上增加预紧器b)原理：当汽车发生碰撞事故的一瞬间，乘员尚未向前移动时它会带动锁扣回缩或卷收器回转，使安全带缩短一定距离，消除安全带和人体之间的间隙，提高安全带的作用。c)分类：锁机式预拉紧器：在碰撞事故中快速拉下锁扣以消除安全带和乘客的间隙。烟火式预紧器：通过加速度传感器实现烟火发生器电子点火，产生高压气体驱动卷轴回