汽车被动安全性及法规综述

      1 引言
    汽车作为现代化交通工具，在给人们的生活带来便利与乐趣的同时，也因其引起的交通事故给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。因此，汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高度关注的问题。汽车的安全性可划分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。交通事故原因的统计分析表明，以预防事故发生的主动安全性只能避免5％的事故，因此提高汽车被动安全性日趋重要。
     2 汽车碰撞研究现状
    汽车碰撞引起的交通事故按照其发生的类型可以分为：正面碰撞（包括偏置碰撞）、侧面碰撞、追尾碰撞和翻滚。目前，国外从事汽车碰撞试验研究的机构主要有：美国公路安全保险协会(IIHS)、欧洲新车评价程序(EURONCAP)、荷兰国家技术研究院(TNO)、英国的米拉试验室(MIRA)、法国汽车、摩托车、自行车联合会(UTAC)、澳洲新车评价程序(ANCAP)、日本汽车研究所(JARI)等。我国汽车被动安全性研究起步于80年代后期，清华大学黄世霖等于1991年最早建立了台车试验台，开展汽车被动安全性的研究。目前具有汽车碰撞试验能力的机构有：中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所等。
汽车被动安全性研究主要包含以下三个方面：
　　2.1 车身结构的耐撞性研究
　　主要研究汽车特别是轿车车身对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构抗撞性的方法。在保证乘员安全空间的前提下，使得车身变形的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小。目前，车身结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和计算机仿真相结合的方法。
　　2.2 碰撞生物力学研究
　　主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理、人体各部位的伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及碰撞实验用人体替代物。
　　2.3 乘员约束系统及安全内饰件研究
　　乘员约束系统的研究目的是尽量避免人体与内饰件发生二次碰撞，内饰件的研究则是使人体与之发生二次碰撞时，对人体造成的伤害最小。安全带是乘员保护系统中最早采用的装备，其设计宗旨是在车辆发生前撞及翻滚时约束人体相对车辆的运动，对保护乘员能起到显著效果。安全气囊是另一种常见的乘员保护设备，它与安全带的合理匹配可对乘员进行有效的保护。安全座椅、吸能式方向盘、软化的内饰件等对于缓冲二次碰撞以减少对人体的冲击具有重要作用。
　　3 实车碰撞试验法规
　　实车碰撞试验法规主要有美国的FMVSS和欧洲的ECE两大体系，其它国家的技术法规大多是参照上述两个法规体系制定的。正面碰撞法规为FMVSS208、ECER94，侧面碰撞法规为FMVSS214、ECER95。我国的CMVDR294是以ECER94.00为蓝本制定的，但是碰撞方式改为90度垂直碰撞方式。
　　侧面碰撞位居正面碰撞之后，是第二种最常见的碰撞形式。然而美国和欧洲的侧面碰撞法规从碰撞试验方法、碰撞试验假人、假人的伤害指标、代表"平均车"的移动壁障的质量、吸能块的外形、尺寸及刚度都不相同。欧、美关于汽车侧面碰撞法规的差异，给汽车厂商的产品开发造成了很大障碍，统一侧面碰撞法规是目前的主要工作之一。侧面碰撞假人的统一是迫切的工作。不同标准假人可能会导致对侧面碰撞保护措施效能的评价结论的不同，所以统一侧面碰撞假人是当务之急，WordSID计划在2004年开发完成。我国目前也正在着手制定侧面碰撞法规，将以ECER95为蓝本制定CMVDR295。
　　4 汽车碰撞研究方法
　　汽车被动安全性研究目前主要采用两种方法，即：试验研究与计算机仿真研究。
　　4.1 试验研究
　　汽车被动安全性研究早期是通过试验来进行的，有关汽车被动安全性的试验有台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。台架冲击试验主要用来模拟人体的不同部位与车辆有关部件之间的碰撞，以评价车辆部件本身的安全性能。
　　台车碰撞模拟试验主要用来对车内乘员约束系统进行性能评价，其原理是利用可调机构使台车获得可重复的、接近于实车碰撞的减速度波形。台车试验是汽车被动安全性开发中的重要手段，一种新车型的开发大概需要60-80次台车试验。控制滑台碰撞波形的装置称为波形控制器，按其结构和控制原理可分为：节流控制式、液压伺服控制式和吸能材料式；按其使用方法又可分为制动式和发射式（如HYGE）。
　　实车碰撞试验主要用来对已开发出的成品车型进行按法规要求的试验。实车碰撞试验室造价较昂贵，一般需要牵引装置、高速摄影装置、车载记录仪等设备。实车碰撞试验属破坏性试验，其试验费用是可想而知的。
　　4.2 计算机仿真研究
　　与实际试验相比，计算机具有如下优越性：
　　（1） 费用低廉。计算机仿真不进行实车的破坏性试验，也不需试验设备，因此可以节省大量的人力、物力、财力。
　　（2） 周期较短。CAD/CAM的具体运用，使得虚拟样机的概念逐渐被产品开发人员所接受。使产品在设计、开发阶段就可预测其品质和性能，避免不必要的设计失误并替代部分试验，因此开发周期必然缩短。
　　（3） 可重复性。试验过程易受随机因素影响，因此在研究不同系统参数对安全性的影响时，不易得到明确的结果。而仿真依赖于计算机硬件，大多数仿真软件均为参数化设计，可以轻而易举的得到参数改变时的仿真结果。
　　（4） 结果信息全面。试验中测得的结果一般都是通过传感器和高速摄影机得到的，而传感器与摄影机的数量与布置是受很多条件限制的，因此结果数据不甚全面。而计算机仿真则不存在以上问题。
　　国外在60年代中期就开始了计算机仿真研究，近年来随着计算机软、硬件的发展以及现代设计方法在产品开发、试验中进一步应用，计算机仿真技术在汽车产品开发中的作用愈加重要。欧美国家相继推出了用于碰撞仿真的商业化软件包，著名的有LS-DYNA3D、PAMCRASH、MADYMO等。如美国ETA公司出品的VPG（汽车虚拟实验场）是一款功能强大的前后处理专业软件，包含各种悬架、轮胎库，可以快速的建立整车模型，可进行汽车耐久性疲劳分析、NVH分析与评价、碰撞安全分析等。这些功能强大的软件包不再只用于科研，在安全车身开发、碰撞受害者保护措施优化、人体生物力学、碰撞试验用标准假人开发等工作中也发挥了很大作用。
　　在汽车碰撞模拟方面，主要有下述四类模型：模拟汽车事故的模型、模拟结构大变形的模型、模拟人体整体动力学响应的模型、模拟人体局部结构生物力学模型。目前计算机仿真的理论基础是有限元理论和多体系统动力学理论。有限元法的优点在于能真实描述结构的变形，适用于建立汽车结构模型以及人体局部结构的生物力学模型。多体系统动力学模型适合于人体动力学响应的模拟，通过把人体的各个部分，如，头、手臂、大腿、小腿等抽象为多体系统中的"体"建立人体的多体系统进行仿真分析。目前常见的多体动力学建模方法主要有：Kane-Huston方法、Lagrange方法等。值得注意的是多体系统动力学已经从80年代的多刚体动力学发展为目前的柔性多体系统动力学。柔性多体系统动力学用于汽车碰撞分析中是今后研究的趋势。
　　尽管计算机仿真不能完全取代昂贵的碰撞试验，但在产品开发中，可以使样车试制、试验次数减少到最低限度，从而节省开发费用。
　　5 结束语
　　综上所述，汽车的被动安全性是汽车技术中一个重要的研究领域。我国已经加入WTO，这就要求我国的汽车产品设计、试验研究与法规必须与国际接轨。在激烈的市场竞争条件下，必须加快我国汽车被动安全性的研究、试验工作与安全法规的制定工作。

参 考 文 献
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