汽車被動安全性及法規綜述

      1 引言
    汽車作為現代化交通工具，在給人們的生活帶來便利與樂趣的同時，也因其引起的交通事故給人類的生命和財產帶來極大的威脅和傷害。因此，汽車的安全性是汽車廠商、消費者、政府部門高度關注的問題。汽車的安全性可劃分為主動安全性和被動安全性。主動安全性是指汽車能夠識別潛在的危險自動減速，或當突發的因素出現時，能夠在駕駛員的操縱下避免發生交通事故的性能；被動安全性是指汽車發生不可避免的交通事故後，能夠對車內乘員或行人進行保護，以免發生傷害或使傷害降低到最小程度。交通事故原因的統計分析表明，以預防事故發生的主動安全性只能避免5％的事故，因此提高汽車被動安全性日趨重要。
     2 汽車碰撞研究現狀
    汽車碰撞引起的交通事故按照其發生的類型可以分為：正面碰撞（包括偏置碰撞）、側面碰撞、追尾碰撞和翻滾。目前，國外從事汽車碰撞試驗研究的機構主要有：美國公路安全保險協會(IIHS)、歐洲新車評價程式(EURONCAP)、荷蘭國家技術研究院(TNO)、英國的米拉試驗室(MIRA)、法國汽車、摩托車、自行車聯合會(UTAC)、澳洲新車評價程式(ANCAP)、日本汽車研究所(JARI)等。我國汽車被動安全性研究起步於80年代後期，清華大學黃世霖等於1991年最早建立了台車試驗台，開展汽車被動安全性的研究。目前具有汽車碰撞試驗能力的機構有：中國汽車技術研究中心、清華大學汽車碰撞試驗室、一汽長春汽車研究所、二汽襄樊汽車試驗研究所等。
汽車被動安全性研究主要包含以下三個方面：
　　2.1 車身結構的耐撞性研究
　　主要研究汽車特別是轎車車身對碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結構抗撞性的方法。在保證乘員安全空間的前提下，使得車身變形的碰撞能量最大，從而使傳遞給車內乘員的碰撞能量降低到最小。目前，車身結構的耐撞性研究通常採用實車碰撞和電腦仿真相結合的方法。
　　2.2 碰撞生物力學研究
　　主要研究人體在不同形式的碰撞中的傷害機理、人體各部位的傷害極限、人體各部位對碰撞載荷的機械回應特性以及碰撞實驗用人體替代物。
　　2.3 乘員約束系統及安全內飾件研究
　　乘員約束系統的研究目的是儘量避免人體與內飾件發生二次碰撞，內飾件的研究則是使人體與之發生二次碰撞時，對人體造成的傷害最小。安全帶是乘員保護系統中最早採用的裝備，其設計宗旨是在車輛發生前撞及翻滾時約束人體相對車輛的運動，對保護乘員能起到顯著效果。安全氣囊是另一種常見的乘員保護設備，它與安全帶的合理匹配可對乘員進行有效的保護。安全座椅、吸能式方向盤、軟化的內飾件等對於緩衝二次碰撞以減少對人體的衝擊具有重要作用。
　　3 實車碰撞試驗法規
　　實車碰撞試驗法規主要有美國的FMVSS和歐洲的ECE兩大體系，其他國家的技術法規大多是參照上述兩個法規體系制定的。正面碰撞法規為FMVSS208、ECER94，側面碰撞法規為FMVSS214、ECER95。我國的CMVDR294是以ECER94.00為藍本制定的，但是碰撞方式改為90度垂直碰撞方式。
　　側面碰撞位居正面碰撞之後，是第二種最常見的碰撞形式。然而美國和歐洲的側面碰撞法規從碰撞試驗方法、碰撞試驗假人、假人的傷害指標、代表"平均車"的移動壁障的品質、吸能塊的外形、尺寸及剛度都不相同。歐、美關於汽車側面碰撞法規的差異，給汽車廠商的產品開發造成了很大障礙，統一側面碰撞法規是目前的主要工作之一。側面碰撞假人的統一是迫切的工作。不同標準假人可能會導致對側面碰撞保護措施效能的評價結論的不同，所以統一側面碰撞假人是當務之急，WordSID計畫在2004年開發完成。我國目前也正在著手制定側面碰撞法規，將以ECER95為藍本制定CMVDR295。
　　4 汽車碰撞研究方法
　　汽車被動安全性研究目前主要採用兩種方法，即：試驗研究與電腦仿真研究。
　　4.1 試驗研究
　　汽車被動安全性研究早期是通過試驗來進行的，有關汽車被動安全性的試驗有台架衝擊試驗、台車碰撞模擬試驗和實車碰撞試驗。台架衝擊試驗主要用來模擬人體的不同部位與車輛有關部件之間的碰撞，以評價車輛部件本身的安全性能。
　　台車碰撞模擬試驗主要用來對車內乘員約束系統進行性能評價，其原理是利用可調機構使台車獲得可重複的、接近于實車碰撞的減速度波形。台車試驗是汽車被動安全性開發中的重要手段，一種新車型的開發大概需要60-80次台車試驗。控制滑台碰撞波形的裝置稱為波形控制器，按其結構和控制原理可分為：節流控制式、液壓伺服控制式和吸能材料式；按其使用方法又可分為制動式和發射式（如HYGE）。
　　實車碰撞試驗主要用來對已開發出的成品車型進行按法規要求的試驗。實車碰撞試驗室造價較昂貴，一般需要牽引裝置、高速攝影裝置、車載記錄儀等設備。實車碰撞試驗屬破壞性試驗，其試驗費用是可想而知的。
　　4.2 電腦仿真研究
　　與實際試驗相比，電腦具有如下優越性：
　　（1） 費用低廉。電腦仿真不進行實車的破壞性試驗，也不需試驗設備，因此可以節省大量的人力、物力、財力。
　　（2） 週期較短。CAD/CAM的具體運用，使得虛擬樣機的概念逐漸被產品開發人員所接受。使產品在設計、開發階段就可預測其品質和性能，避免不必要的設計失誤並替代部分試驗，因此開發週期必然縮短。
　　（3） 可重複性。試驗過程易受隨機因素影響，因此在研究不同系統參數對安全性的影響時，不易得到明確的結果。而仿真依賴於電腦硬體，大多數仿真軟體均為參數化設計，可以輕而易舉的得到參數改變時的仿真結果。
　　（4） 結果資訊全面。試驗中測得的結果一般都是通過感測器和高速攝影機得到的，而感測器與攝影機的數量與佈置是受很多條件限制的，因此結果資料不甚全面。而電腦仿真則不存在以上問題。
　　國外在60年代中期就開始了電腦仿真研究，近年來隨著電腦軟、硬體的發展以及現代設計方法在產品開發、試驗中進一步應用，電腦仿真技術在汽車產品開發中的作用愈加重要。歐美國家相繼推出了用於碰撞仿真的商業化套裝軟體，著名的有LS-DYNA3D、PAMCRASH、MADYMO等。如美國ETA公司出品的VPG（汽車虛擬實驗場）是一款功能強大的前後處理專業軟體，包含各種懸架、輪胎庫，可以快速的建立整車模型，可進行汽車耐久性疲勞分析、NVH分析與評價、碰撞安全分析等。這些功能強大的套裝軟體不再只用於科研，在安全車身開發、碰撞受害者保護措施優化、人體生物力學、碰撞試驗用標準假人開發等工作中也發揮了很大作用。
　　在汽車碰撞模擬方面，主要有下述四類模型：類比汽車事故的模型、類比結構大變形的模型、類比人體整體動力學回應的模型、類比人體局部結構生物力學模型。目前電腦仿真的理論基礎是有限元理論和多體系統動力學理論。有限元法的優點在於能真實描述結構的變形，適用于建立汽車結構模型以及人體局部結構的生物力學模型。多體系統動力學模型適合於人體動力學回應的模擬，通過把人體的各個部分，如，頭、手臂、大腿、小腿等抽象為多體系統中的"體"建立人體的多體系統進行仿真分析。目前常見的多體動力學建模方法主要有：Kane-Huston方法、Lagrange方法等。值得注意的是多體系統動力學已經從80年代的多剛體動力學發展為目前的柔性多體系統動力學。柔性多體系統動力學用於汽車碰撞分析中是今後研究的趨勢。
　　儘管電腦仿真不能完全取代昂貴的碰撞試驗，但在產品開發中，可以使樣車試製、試驗次數減少到最低限度，從而節省開發費用。
　　5 結束語
　　綜上所述，汽車的被動安全性是汽車技術中一個重要的研究領域。我國已經加入WTO，這就要求我國的汽車產品設計、試驗研究與法規必須與國際接軌。在激烈的市場競爭條件下，必須加快我國汽車被動安全性的研究、試驗工作與安全法規的制定工作。

參 考 文 獻
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