第四章第四章 汽車的行駛安全性汽車的行駛安全性 汽車安全性一般分為主動安全性、被動安全性、事故后安全性和生態(tài)安全性。l主動安全性 指汽車本身防止或減少道路交通事故發(fā)生的性能。l被動安全性 指交通事故發(fā)生后汽車本身減輕人員傷害和貨物損壞的能力，可分為汽車內(nèi)部被動安全性（減輕車內(nèi)乘員受傷和貨物受損）以及外部被動安全性（減輕對事故所涉及的其他人員和車輛的損害）兩類。l事故后安全性 指汽車能減輕事故后果的性能。即能否迅速消除事故后果，并避免新的事故發(fā)生的性能。l生態(tài)安全性 指發(fā)動機排氣污染、汽車行駛噪聲和電磁波對環(huán)境的影響。本章主要介紹對汽車主動安全性有重要影響的制動性和操縱穩(wěn)定性，并簡要介紹汽車的被動安全性。第四章第四章 汽車的汽車的行駛行駛安全性安全性 汽車的制動性汽車的制動性汽車的操縱穩(wěn)定性汽車的操縱穩(wěn)定性汽車的被動安全性汽車的被動安全性 1.穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗在水平場地上進行，場地上畫有半徑為15m或20m的圓周。汽車以最低穩(wěn)定車速沿所畫圓周行駛，此時轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角為 ，測定車速 及橫擺角速度 。由于車速很低，離心力很小，輪胎側(cè)偏角可忽略不計。因此，不計輪胎側(cè)偏時的轉(zhuǎn)向半徑為：保持轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不變，使汽車緩慢連續(xù)而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25 ）直至汽車的側(cè)向加速度達到6.5 為止。連續(xù)測量車速 與橫擺角速度值 ，根據(jù)瞬時車速 與 值，可求出不同側(cè)向加速度 下有側(cè)偏角時的轉(zhuǎn)彎半徑 。汽車的被動安全性汽車的被動安全性 2轉(zhuǎn)向回正性能試驗 回正試驗測定汽車自曲線行駛回復到直線行駛的過渡過程，是測定自由操縱力輸入的基本性能試驗。汽車轉(zhuǎn)向回正能力試驗在平坦的場地上進行。使汽車沿半徑為15m的圓周行駛，調(diào)整車速使側(cè)向加速度達4.0 后，突然松開轉(zhuǎn)向盤，在回正力矩作用下，前輪將要回復到直線行駛。記錄這個過程的時間t、車速 、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 和橫擺角速度 ，整理出 -t曲線。對于最高車速超過100km/h的汽車，還要進行高速回正性能試驗，試驗車速為最高車速的70%。使汽車以試驗車速直線行駛，隨后駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤使側(cè)向加速度達到2.0 ，然后突然松開轉(zhuǎn)向盤作回正試驗。3轉(zhuǎn)向輕便性試驗 轉(zhuǎn)向輕便性試驗時，汽車在場地上沿雙紐線以10km/h的車速行駛。雙紐線軌跡的極坐標方程為：在 =0時，雙紐線頂點處的曲率半徑最小，其數(shù)值為 。雙紐線的最小曲率半徑應(yīng)按試驗汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑乘以1.1倍，并圓整到比此乘積大的一個整數(shù)來確定。試驗中，記錄轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，并按雙紐線路徑每一周整理出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線。道路交通事故的統(tǒng)計和分析是研究汽車被動安全性的基礎(chǔ)。其目的是根據(jù)事故統(tǒng)計，了解事故與氣候、道路、時間及駕駛員和車外人員的年齡等的關(guān)系，并確定發(fā)生頻數(shù)最多的事故，以便對事故進行深入研究并提出針對性措施。乘用車碰撞事故分布情況見圖。正面碰撞占64以上，而其中一半是車前左側(cè)（右側(cè)通行時）碰撞。側(cè)部碰撞是第二種常見事故類型。大客車追尾碰撞比例高于乘用車，大客車右后角更容易被碰撞。從撞車速度來看，正面撞車速度高于側(cè)向撞車和追尾碰撞。有一半以上的正面碰撞事故的速度高于60km/h，而90%的追尾碰撞事故的速度低于30km/h。一、車輛事故分析汽車的被動安全性汽車的被動安全性 在事故中，傷員的頭、胸、下腹和脊椎等部位傷害是主要致死原因?？v向撞車事故中駕駛員和乘用車前排乘客的傷害形成過程見圖所示。而乘用車的乘員身體傷害部位的分布情況見下頁。汽車與自行車碰撞時速度多為4050km/h，而與摩托車碰撞的速度則高得多，往往超過65 km/h。大多數(shù)行人是在交叉路口和道路入口處從側(cè)面被汽車正面所撞。乘用車平均碰撞速度不超過35 km/h。如果汽車速度超過40 km/h，則常會導致行人死亡。而對于載貨汽車，20km/h的速度已可使行人頭部受到致命傷害。事故中乘用車乘員身體各部位受傷分布1-頭；2-面部；3-頸；4-胸部；5-上肢；6-腹部；7-下肢 1碰撞沖擊力 在汽車碰撞過程中，碰撞沖擊力的方向總是與沖擊力與作用面之間的特定角度相關(guān)。合力可以分解成分力，通過汽車向不同方向擴散。例如，某汽車在碰撞過程中，沖擊力以垂直和側(cè)向角度撞擊汽車的右前翼子板，沖擊合力分解成為三個分力：垂直分力、水平分力和側(cè)向分力，如圖所示。水平分力使右前翼子板變形方向指向發(fā)動機罩中心；側(cè)向分力使汽車的右前翼子板向后變形。這些分力的大小及對所造成的損壞程度取決于碰撞角度。二、汽車碰撞機理分析 沖擊力所造成損壞的程度也與沖擊力與汽車質(zhì)心相對應(yīng)的方向有關(guān)。若沖擊力的方向并不通過汽車的質(zhì)心，沖擊力的一個分力將形成使汽車繞著質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的力矩，該力矩使汽車旋轉(zhuǎn)，從而減輕沖擊力對汽車零部件的損壞，如圖所示。若沖擊力指向汽車的質(zhì)心，汽車不會旋轉(zhuǎn)，大部分能量將被汽車零件所吸收，造成的損壞則較為嚴重，如圖所示。駕駛員反應(yīng)經(jīng)常影響到?jīng)_擊力的方向。當駕駛員意識到碰撞不可避免時，其第一反應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤以避免正面碰撞，由此導致汽車側(cè)面受到損壞。駕駛員的第二反應(yīng)就是踩制動踏板，使汽車進入制動狀態(tài)，此時汽車前端向下俯沖，因而碰撞點比正常接觸位置低，迫使車頂蓋向前移動。2碰撞接觸面積 假設(shè)汽車以相同的速度和相近的載貨量行駛，碰撞接觸點的面積不同，損壞的程度也就不同。如果撞擊的面積較大，損壞的程度就較小；反之，碰撞接觸面積越小，則所造成的損壞就越嚴重。3沖擊力的傳遞 現(xiàn)代汽車車身上有許多焊接縫、這些焊接縫可以作為汽車結(jié)構(gòu)的剛性連接點，將沖擊力傳遞給整個汽車上與之連接的飯金件和汽車零部件，因此大大降低了汽車的結(jié)構(gòu)變形。例如，如圖所示、假設(shè)汽車前角受到碰撞力作用，B區(qū)域?qū)冃危瑴p小了的沖擊作用、剩下的沖擊力傳遞到C點，金屬將發(fā)生變形，沖擊力繼續(xù)減小后傳遞到D點，而后沖擊力繼續(xù)減弱，繼續(xù)改變方向并沖擊著車身的支柱和車頂蓋使之減弱后傳至E點，使E點受到?jīng)_擊力的作用。在沖擊力的傳遞過程中，碰撞能量大部分都被汽車零部件所吸收。3汽車碰撞損傷類型 汽車碰撞損傷可分為直接損傷（或一次損傷）和間接損傷（或二次損傷）。1）直接損傷 直接損傷是指車輛直接碰撞部位所出現(xiàn)的損傷。直接碰撞點為車輛左前方，推壓前保險杠車輛左前翼子板、散熱器護柵、發(fā)動機罩、左車燈等導致其變形，稱為直接損傷。2）間接損傷 間接損傷是指二次損傷，并離碰撞點有一段距離的損傷，是因碰撞力傳遞而導致的變形。如車架橫梁、行李艙底板，護板和車輪的彎曲變形和扭曲變形等。按汽車碰撞后導致的損傷現(xiàn)象不同，汽車碰撞損傷可歸納為五大類，即側(cè)彎、凹陷、折皺或壓潰、菱形損傷、扭曲等。評價被動安全性的最簡單指標是“事故嚴重程度因素”，即 式中：事故中死亡人數(shù)（當場死亡或事故后存活不超過7晝夜的傷員）；事故中的受傷人數(shù)。還可以用每10萬居民、每1000000km行程、每萬車的事故死傷人數(shù)為指標，衡量道路交通事故嚴重程度。用危險系數(shù)，可對不同傷亡情況的交通事故進行比較，即：式中：輕傷人數(shù)；重傷人數(shù)；未受傷人數(shù)；、加權(quán)系數(shù)，取 =0.015，=0.36，1。三、被動安全性的評價方法 研究表明，事故中人體內(nèi)傷和腦損傷與減速度直接有關(guān)，而骨折和組織損傷則分別與作用力和剪切應(yīng)力有關(guān)。所以，研究汽車內(nèi)部被動安全性的重要內(nèi)容是降低人體在碰撞時的減速度。1安全車身 乘用車發(fā)生正面碰撞或與固定障礙物碰撞時，其平均減速度從前向后逐漸遞減，前部的平均減速度高達300400g，向后逐漸降低，質(zhì)心位置的平均減速度為4060g，瞬時值可達80100g。為了降低正面碰撞時的減速度，在乘用車前部做成折疊區(qū)，在撞車時可提供400700mm的變形行程，通過前部折疊區(qū)的變形來吸收撞車時的動能。四、汽車內(nèi)部被動安全性 折疊區(qū)的變形力應(yīng)滿足梯度特性，如圖所示。即可分為5個區(qū)段：行人保護、低車速保護、對事故對方共存保護、自身保護（針對本車乘員）以及生存空間。變形力從前向后逐漸增大，從而使得發(fā)生輕微碰撞時其汽車變形僅限于前部零件。后部碰撞車的車速通常較低，乘用車后部折疊區(qū)的變形行程約為300500mm。備胎后置有助于減小沖撞加速度，而油箱位置則必須避開折疊區(qū)。行李艙蓋邊緣不能穿過后窗而撞入車內(nèi) 側(cè)向碰撞時，由于碰撞部位的裝飾件和結(jié)構(gòu)件所允許的變形行程很小，吸收能量的能力遠小于前部和后部，因而碰撞所引起的車內(nèi)嚴重變形對乘客傷害的危險性很高。其傷害危險性大小在很大程度上取決于乘用車側(cè)部的結(jié)構(gòu)強度（立柱和車門的連接、頂部及底部與立柱的連接）、底板橫梁和座椅的承載能力以及門內(nèi)板的設(shè)計。保證主撞車不致侵入被撞車的乘員空間。翻車時，車門應(yīng)保證不能自開。在活頂式乘用車上，可裝設(shè)展開式翻車保護桿，并約束乘員頭部。2限制乘員位移 1）安全帶 安全帶（座椅帶）可以減輕碰撞過程中乘員傷害程度，是使用最廣泛、最簡單有效的乘員約束裝置。安全帶的基本作用是：當碰撞事故發(fā)生時，將乘員約束在坐椅上，使乘員頭部、胸部不至于向前撞到轉(zhuǎn)向盤、儀表板及風窗玻璃上，使乘員免受車內(nèi)二次碰撞的危險；同時使乘員不被拋離坐椅。在正面碰撞、追尾碰撞及翻車事故中，使用普通安全帶對乘員保護效果很好，尤其是對乘員頭部、胸部的保護。為進一步降低碰撞時乘員下沉（即乘員沿坐椅下滑）所造成的腹部傷害，帶預張緊器或織帶夾緊裝置的安全帶得到廣泛的應(yīng)用。安全帶同改進的坐椅結(jié)構(gòu)及氣囊相結(jié)合，可大大提高乘員的保護性能。目前在汽車上使用最為廣泛的是三點式安全帶。腰帶用于限制乘員下軀體向前運動，多用于后排座椅和中間座椅。肩帶可限制乘員上軀體向前運動。三點式安全帶的常用類型是腰肩連續(xù)帶，既能限制乘員軀體向前運動，又能限制乘員軀體向前過度傾斜。賽車乘員則多用四點式安全帶。使用安全帶可以避免死亡事故的發(fā)生或減輕傷亡事故的程度，使用了安全帶以后，可把不使用安全帶時造成的死亡事故轉(zhuǎn)化為重傷或輕傷。以50km/h的車速進行汽車撞墻試驗時，乘員頭部的減速度變化情況如圖所示。使用三點式安全帶時，可使駕駛員頭部的減速度降低一半。為了避免在嚴重事故時乘員過分前移，在安全帶上增設(shè)了收緊器。在碰撞時，收緊器被觸發(fā)，收緊作用時間約為5ms，乘員最大前移距離約lcm，因而減小了汽車和乘員間的速度差。50km/h撞墻試驗時汽車與乘員減速度變化情況 2）安全氣囊 在發(fā)生碰撞時，前部安全氣囊以突然爆炸方式充氣，在乘員與安全氣囊接觸前充滿。安全氣囊與乘員接觸時，立即部分泄氣，并以生理上可承受的表面壓力和減速力，柔和地吸收能量，從而減小乘員頭部和胸部的碰撞損傷。駕駛員前部安全氣囊的容積為5060L，應(yīng)在3035ms時間內(nèi)充滿氮氣；前排乘員前部安全氣囊容積100140L，要求在50ms內(nèi)充滿。駕駛員最大前移空間通常為12.5 cm，安全氣囊放氣時間約100ms，碰撞和能量吸收全過程約在150ms內(nèi)完成。乘員前部防護 1-安全帶收緊器；2-前排乘員安全氣囊；3-駕駛員安全氣囊；4-傳感器和備用電源 側(cè)面安全氣囊的容積約為12L，一般裝在車門或座椅架上。由于乘員與向內(nèi)移動的汽車部件之間距離很小，所以側(cè)面安全氣囊的響應(yīng)時間不得超過3ms，充滿時間應(yīng)小于10ms。影響安全帶收緊器和安全氣囊保護效果的決定因素是在準確的時間觸發(fā)。就安全氣囊來說，要使乘員在安全氣囊仍然處于充滿狀態(tài)并開始放氣時與其接觸。電子控制的觸發(fā)裝置通過加速度傳感器件的碰撞過程中的減速度大小，在識別碰撞類型后，迅速而準確的觸發(fā)安全氣囊和安全帶收緊器，引爆氣體發(fā)生器。側(cè)向碰撞發(fā)生時會造成車門側(cè)向變形，側(cè)面安全氣囊則利用壓力傳感器檢測由此引發(fā)的壓力上升，觸發(fā)氣體發(fā)生器。兩側(cè)使用相互獨立的傳感器，分別檢測各自的壓力，決定是否觸發(fā)。3）消除部件致傷因素 設(shè)計乘坐區(qū)時，必須保證乘員生存空間內(nèi)沒有致傷部件。右圖4-68表明駕駛員與方向盤間的空間對駕駛員傷害程度的影響。由于人體尺寸的差異，乘員乘坐姿勢的不同，生存空間的形式也各不相同。統(tǒng)計表明，儀表板下部、轉(zhuǎn)向盤和風窗玻璃引起傷害的事故頻度較高。因此，儀表板下部應(yīng)安裝膝部緩沖墊；風窗玻璃應(yīng)采用鋼化玻璃或夾層玻璃；轉(zhuǎn)向盤可采用彈性有波紋的結(jié)構(gòu)，并且盤緣可變形，轉(zhuǎn)向柱能彎曲或伸縮。乘員室內(nèi)各種部件應(yīng)軟化，材料的燃燒速度要小。生存空間 1乘用車與行人的碰撞 在乘用車與行人碰撞過程中，汽車保險杠首先撞擊行人腿部，然后發(fā)動機罩前端撞擊骨盆，最后頭部撞到發(fā)動機罩或風窗玻璃上。這時行人被加速到車速，這就是所謂的“一次碰撞”。車速越高，頭部撞擊點越靠近風窗玻璃?！耙淮闻鲎病焙笃囃ǔＶ苿訙p速，行人與汽車分離，行人在汽車前部以與碰撞速度相近的速度撞擊路面，產(chǎn)生“二次碰撞。有的事故中，行人還會被再次輾壓，發(fā)生“三次碰撞”。但乘用車與行人一次碰撞的部位和汽車碰撞部件的形狀、剛度是決定行人傷害嚴重程度的主要因素。行人與乘用車碰撞的部位見圖所示。撞人事故中行人動態(tài)示意圖五、外部被動安全性 設(shè)計合理的保險杠不僅應(yīng)考慮到內(nèi)部被動安全性，而且也應(yīng)顧及外部被動安全性。為此，要求車輛前后均應(yīng)裝有保險杠。從減輕事故中受傷程度看，行人與保險杠的碰撞部位在膝蓋以下為好，希望保險杠降低。但保險杠過低，會增大頭部在發(fā)動機罩或風窗玻璃上的撞擊速度。所以保險杠高度值常為330350mm，以保證大部分行人的碰撞部位發(fā)生在膝蓋以下。保險杠不應(yīng)有尖角和突出部，并應(yīng)適當軟化。從安全角度看，發(fā)動機罩前端圓角半徑應(yīng)大些，機罩高度低，風窗玻璃傾角小。在頭部撞擊區(qū)應(yīng)適當軟化，并且取消突出部，如刮水刷在停止狀態(tài)時應(yīng)位于發(fā)動機罩下，不設(shè)導雨槽等。行人與乘用車部位碰撞結(jié)果統(tǒng)計 2載貨汽車的外部被動安全性 與乘用車相比，載貨汽車質(zhì)量、剛度和尺寸都要大得多，在與乘用車正面相撞時，乘用車損壞比載貨汽車嚴重得多。特別是兩者尺寸相差懸殊時，乘用車往往“楔入”載貨汽車下面，乘用車的前部折疊區(qū)不能發(fā)揮作用，而導致乘坐區(qū)受到破壞。特別是一般載貨汽車后部不裝保險杠，當發(fā)生追尾碰撞事故時，跟隨行駛的乘用車“楔入”的可能性增大。因此，對于尾部離地高度不小于0.7m的車輛應(yīng)裝后保險杠，其離地高度為0.380.56m。在載貨汽車尾部裝置緩沖裝置，可以減小追尾碰撞時乘用車的損壞度。載貨汽車與行人相撞時造成的傷亡也遠比乘用車嚴重。發(fā)生碰撞時，無論是長頭還是平頭駕駛室載貨汽車，都不會發(fā)生乘用車事故中的行人身體在發(fā)動機罩上的翻轉(zhuǎn)過程。此時，碰撞直接作用在行人頭部或胸部，身體上部直接被拋向前方，在很短時間內(nèi)行人速度被加速到貨車速度，易于造成人員傷亡。如果不采取制動措施，行人將被碾在車下。駕駛室上突出的后視鏡、駕駛員上車踏板、以及保險杠等也容易使行人頭部、骨盆和大腿受傷。根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)的要求，2003年7月以后，所有7座以下的乘用車必須通過碰撞安全性試驗。1 實車碰撞法 常用的是實車對固定壁碰撞，車速一般取50km/h。根據(jù)試驗?zāi)康牟煌部刹捎每蓜颖谧察o止車輛或以車撞車的方法。1）固定壁碰撞試驗 采用固定壁碰撞試驗方法時，首先把試驗車輛加速到預定的碰撞速度，然后與固定壁進行碰撞。通常，汽車碰撞方向與固定壁垂直。由于固定壁的情況不變，可取固定試驗特性，并可重復同樣的撞車試驗，因此可用固定壁碰撞試驗評價汽車安全性。根據(jù)碰撞范圍的不同可分為全寬碰撞和偏置碰撞。汽車碰撞方向也可與固定壁成一定角度。有時還可在固定壁前面附加各種形狀的障礙物，以研究汽車在不同碰撞情況下的特征。六、被動安全性試驗正面全寬碰撞試驗水泥混凝土障礙壁（50km/h）40%重疊偏置碰撞試驗蜂窩狀鋁合金變形壁（56km/h）2）移動壁碰撞試驗 移動壁碰撞試驗常用于測試試驗車的側(cè)撞和尾撞安全性。試驗時，在能行走的臺車上裝備有一定撞車面積的可移動壁，加速到預定速度后碰撞處于靜止狀態(tài)的試驗車。為進行反復試驗，臺車的構(gòu)造需要堅固耐用。試驗時，應(yīng)該給碰撞后的試驗車留出足夠的滑動范圍。側(cè)向碰撞試驗時，試驗車靜止，移動障礙壁向前運動，其運動方向與試驗車中軸線成27夾角，速度為53km/h。為了檢查車輛碰撞后雙方車輛的外形和剛度的變化情況，要進行車對車的碰撞試驗，一般有正面碰撞、側(cè)面碰撞和尾部碰撞三種。側(cè)面碰撞 2模型撞車法 在新車設(shè)計階段可以采用模型撞車法，一般用1：2模型。這種試驗方法費用較低，準備時間短，且便于多方案比較。如果僅對某些部件進行變形研究，可采用1：1的復合試驗車，即在現(xiàn)在生產(chǎn)的車輛上作一定改動，裝上研究的部件所構(gòu)成的試驗車作撞車試驗。這種方法常用于理論研究和局部改進。3部件試驗 常用靜態(tài)加載法對車門、車頂、駕駛室后圍、座椅和安全帶進行強度和剛度試驗。用沖擊試驗測定保險杠的性能，測定發(fā)生事故時儀表板、方向盤等部件對人體的傷害程度。4假人試驗 為了確定撞車試驗中車內(nèi)乘員所受傷害的嚴重程度，廣泛采用專門制作的模擬人（假人）。其各部肢體在形狀、運動學和動力學性能方面都與真人嚴格相似，頭部還附有軟化材料模擬肌肉和皮膚。在頭、胸、背和大腿部都裝有傳感器，測定減速度和負荷。用于側(cè)向碰撞試驗的假人是專門設(shè)計的，與正面碰撞試驗用的假人有很大區(qū)別，價格也更高。一個完整的試驗用“假人”系列包括5%婦女、95%男子，以及3歲、6歲、10歲兒童。在試驗時，要布置足夠的傳感器和攝影機。第四章 汽車的行駛安全性完