汽車正面碰撞安全性分1

1.緒論從世界第一輛汽車誕生開始，汽車對促進社會進步，提高大眾的物質生活水平，改變人們的精神生活都起了非常重要的作用。但隨著世界汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車保有量迅速增加，隨之帶來的汽車安全事故、環(huán)境污染及能量消耗，特別是汽車的安全問題，已經構成嚴重的社會公害，因此從20世紀50年代開始，世界許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達國家相繼對汽車產品進行立法，實施法制化管理，并制定各類汽車技術法規(guī)，對汽車安全等技術性能加以控制，從而一定程度地控制了汽車對人類社會和環(huán)境造成的危害。隨著我國經濟的發(fā)展，汽車保有量也在大幅度地增加，隨之而來的交通事故的各項指標均持續(xù)增長，交通安全狀況日益惡化，自2001年交通事故死亡人數就超過10萬人，而且還在不斷十升，對于影響交通事故的“人、車、路、環(huán)境”等因素中，汽車本身是一個非常重要的影響因素，因此完善我國汽車安全性標準法規(guī)體系，提高汽車本身的安全性能，減少交通事故及減輕事故過程中對乘員及行人的傷害，從而提高交通安全性有著非常重要的意義。在此針對汽車事故中的正面碰撞安全性做一分析研究汽車正面碰撞安全性法規(guī)對比2.1我國的正面碰撞安全法規(guī)我國最早實施的是CMVDR294《乘用車正面碰撞乘員保護》，2003年批準發(fā)布GB11551-2003《乘用車正面碰撞乘員保護》強制性國家標準，這標志著我國安全技術法規(guī)進入了一個重要的發(fā)展時期。正面碰撞實施后，根據我國的道路交通實際情況，參照ECE法規(guī)制定完成了《汽車側面碰撞的乘員保護》《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》，這兩項標準將于2006年7月1日起開始實施。另一項《偏置可吸能壁障正面碰撞試驗方法》，暫以推薦性國家標準的形式，碰撞工作組正在研究、制定中。2.2國外正面碰撞安全法規(guī)簡介美國、歐洲和日本都制定了相關的乘員碰撞保護安全法規(guī)。例如美國國家公路交通安全管理局頒布的《乘員碰撞保護》法規(guī)、歐盟重新修訂的《正面碰撞乘員保護》法規(guī)、日本運輸省頒布的《正面碰撞的安全基準》法規(guī)等。這些安全法規(guī)僅是這些國家或區(qū)域國家政府管理部門對汽車產品安全性的最低要求。2.3國外企業(yè)現行的規(guī)則現在國外企業(yè)追求的是行業(yè)上公認的NCAP（NewCarAssessmentProgram，新車評估計劃）。它規(guī)定的實車碰撞速度往往比政府法規(guī)要高，從而在更嚴重的碰撞環(huán)境下評價車內乘員的傷害程度，根據頭部、胸部、腿部等主要部位的傷害程度將試驗車的安全性進行分級。歐洲、美國和日本等國都制定了相關的NCAP。其中歐洲的NCAP最具影響力和代表性。它由歐洲各國汽車聯合會、政府機關、消費者權益組織、汽車俱樂部等組織組成，由國際汽車聯合會牽頭。歐洲NCAP不依附于任何汽車生產企業(yè)，所需經費由歐盟提供，不定期對已上市的新車和進口車進行碰撞試驗，每年都會組織幾次。2.4我國現行正面碰撞規(guī)則與國外的比較“雙碰”標準執(zhí)行后，雖然從數量上中國的相關法規(guī)更加完善，但評判標準仍和歐洲標準以及NCAP標準有很大差距。以正面碰撞標準為例，最明顯的區(qū)別就是碰撞測試的速度，歐洲的法規(guī)標準是56km/h,我國是50km/h,而NCAP的測試標準速度為64km/ho此外，我國的碰撞試驗使用的是剛性的水泥墻，其上覆蓋的20cm的木板并不存在變形吸能的作用，只是為了保護儀器，反而是歐洲的重疊碰撞試驗中測試車輛并不是直接撞向剛性墻壁，而是與一個蜂窩結構的吸能塊發(fā)生重疊碰撞，用這個吸能塊來模仿對面來車。另外，關于碰撞角度問題，單純從動能角度來講，中國的100%正面碰撞與歐洲的40%重疊碰撞的要求強度不見得誰高誰低，100%正面碰撞對人體的傷害更嚴重，但是歐洲選擇40%重疊碰撞是通過事故統計選擇的一種出現概率較高的試驗情況，而且在重疊碰撞時，車輛的一側變形會比較大，車輛轉向機構等零部件對乘員造成傷害的可能性也會更大。汽車正面碰撞的實驗方法和設備3.1汽車正面碰撞試驗概述隨著汽車正面碰撞安全性研究的深入，對于正面碰撞安全性目標進行評價、獲得理論研究所需的相關數據以及對新型汽車進行認證都離不開汽車正面碰撞安全性試驗。汽車正面碰撞實驗包括實車碰撞試驗、臺車碰撞試驗和零部件臺架試驗三個主要部分。實車碰撞試驗是評價汽車安全性最直接和最有說服力的方法，是新產品開發(fā)必須進行的試驗。但試驗費用昂貴，難以進行多次重復試驗，通常只在新產品試制和認證時進行。臺車碰撞試驗是指利用臺車來模擬實車碰撞特性的試驗。在臺車與剛性墻之間安裝有緩沖裝置，臺車通過緩沖裝置與剛性墻發(fā)生碰撞。通過調整緩沖裝置的力學特性來模擬標準要求的減速度波形或模擬實車碰撞的減速度波形。通過臺車碰撞實驗可以評價安裝在汽車上的各種安全附件的碰撞安全性能。零部件臺架試驗可分為動態(tài)臺架試驗和靜態(tài)臺架試驗。動態(tài)臺架試驗主要用于評價零部件在承受碰撞沖擊載荷作用下的性能；靜態(tài)臺架試驗則是評價對速度不敏感的零部件在靜態(tài)載荷作用下的安全性能。如上所述，實車及臺車碰撞試驗是對汽車安全性進行評價必不可少的試驗。實車及臺車碰撞試驗需要有足夠長的加速跑道，要有給實車或臺車加速的動力裝置，要有符合標準的碰撞墩和碰撞表面以及各種測量儀器設備等。在此先對國內外的實車及臺車碰撞試驗裝置按牽引裝置、牽引臺車和導向方式三部分進行簡要介紹。牽引裝置（驅動裝置）1） 液體或氣體發(fā)射型如美國Bendix公司生產的HYGE試驗裝置，其動力部分由高壓壓縮機、氮氣儲氣筒和氣液缸組成。該裝置對要求的碰撞加速度模擬準確，調整方便，但價格較為昂貴。2） 機械式使用最廣泛的機械式驅動方式為橡膠繩驅動。清華大學國家安全與節(jié)能重點試驗室、長春汽車研究所汽車碰撞試驗室都是采用這種驅動方式。荷蘭國家技術研究院（TNO）的一個小尺寸模擬碰撞試驗裝置則是用卷揚機和鋼索拉臺車壓縮兩組螺旋彈簧，再由彈簧推臺車向前沖實現碰撞。3） 電動機牽引式該系統利用大功率電動機直接驅動卷筒纏繞鋼絲繩牽引實車或臺車實現碰撞。日本NSK公司的小尺寸模擬碰撞裝置、天津汽車技術中心、北京通縣交通部汽車試驗場等就是使用這種驅動形式。牽引小車或臺車牽引小車主要用于牽引實車加速，并在加速過程中起到導向作用；當試驗實車達到預定車速后，牽引小車與牽引裝置和試驗實車脫鉤，即牽引小車需具有牽引、導向和脫鉤功能。臺車的作用除具有牽引小車的功能外，通常還是零部件碰撞試驗的載體。在臺車上可以安裝座椅、安全帶、安全氣囊等，甚至將實車的部分車體安裝于臺車上進行碰撞試驗。臺車上還可以安裝有碰撞緩沖裝置，以便在碰撞過程中模擬實車碰撞減速度波形。目前，許多汽車安全性實驗室已經用臺車取代了試驗小車，使兩者有機地結合成一體。3.導向方式為了滿足汽車正面碰撞安全性試驗中對碰撞角度的要求，防止試驗車輛在加速過程中跑偏，通常需要在跑道上設置導向裝置。導向裝置一般為軌道和滑輪結構，只是軌道和滑輪的結構和布置形式各有不同。3.2臺車碰撞的試驗方法臺車碰撞試驗是用臺車來取代實車的碰撞試驗方法。在臺車碰撞試驗中，通常要求臺車具有足夠的強度和剛度，以承受巨大的沖擊載荷而不至受到破壞。將需要進行試驗的汽車車身吸能結構安裝在臺車前部進行碰撞試驗，可以檢驗吸能結構的吸能性能，為汽車車身設計提供依據。在臺車上或碰撞墩前安裝碰撞緩沖吸能裝置，同時，將需要進行檢驗的安全帶、安全氣囊、座椅、轉向盤、儀表板等按照使用要求固定在臺車上，即可進行安全部件的性能檢驗。在臺車碰撞試驗中，通常要采集臺車的碰撞減速度波形、假人承受的減速度、力、力矩等參數。根據不同試驗部件的要求，還可能需要采集其他參數。通常情況下，還需要利用高速攝像機記錄碰撞過程。3.3實車碰撞的試驗方法實車碰撞試驗是利用實際樣車按規(guī)定的速度與壁障進行碰撞，以研究交通事故中乘員所受的傷害及車輛的受損狀態(tài)。實車碰撞試驗通常在幾秒的時間內完成，碰撞過程則通常在幾十毫秒內完成。在實車碰撞試驗中，通常要采集汽車內部B柱處的碰撞減速度波形、假人承受的減速度、力、力矩等參數。通常情況下，還需要利用高速攝像機記錄碰撞過程。我國現行的實車碰撞試驗方法（正面碰撞）是按照原國家機械工業(yè)局1999年10月28日頒布的CMVDR294《關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則》來進行的3.4實車碰撞設備的準備3.4.1牽引裝置對于電動機直接牽引方式，試驗前需確保電動機及其傳動與控制裝置工作可靠，速度檢測裝置工作正常，并將控制牽引的試驗車碰撞前的速度設置為48?50km/h。對于橡膠繩彈射式汽車碰撞試驗牽引裝置，則一般需先根據實際試驗車的質量進行一次臺車實驗，以確定試驗裝置的最佳初始參數，確保試驗結果3.4.1試驗車試驗車輛應能反映該系列產品的特征，應包括正常安裝的所有裝備，并應處于正常運行狀態(tài)。一些零部件可以被等質量代替，但不得對試驗結果造成影響。試驗車輛的質量應該達到整車質量。為防止火災，燃油箱中的油應該放盡，代之以燃油箱容量的90%的水。所有其他系統中的液體應排空，排出液體的質量應予以補償。當車上裝有測量設備時，測量設備的質量可以通過減少不影響試驗結果測量的附件予以補償。若試驗車的轉向盤可調，則應調節(jié)到制造廠規(guī)定的正常位置。如果制造廠沒有規(guī)定，則應調節(jié)到可調范圍的中間位置。在加速過程結束時，轉向盤應處于自由狀態(tài)，且處于制造廠規(guī)定的車輛直線行駛時的位置。試驗車上的活動車窗玻璃及活動車頂應處于關閉狀態(tài)。為便于攝像及其他測量，經制造廠同意，可以放下活動車窗玻璃，打開活動車頂，只要此時操縱手柄可位置相當于車窗玻璃關閉時所處的位置。試驗車的變速桿應處于空擋位置，操縱踏板應處于正常的放松狀態(tài)，車門應關閉但不鎖止。試驗車的遮陽板應收起，內后視鏡應處于正常使用位置，高度可調節(jié)的頭枕應處于最高位置。試驗前，在試驗車上根據高速攝像機及運動分析的需要粘貼標志點。3.4.2試驗假人準備目前，國際、國內通用的汽車正面碰撞試驗假人為HybridIII型假人。它是由美國第一技術安全公司FTSS與美國汽車工程師協會SAE及其用戶集團在HybridII型假人的基礎上按GM公司設計的方案開發(fā)完成的。HybridIII型假人已形成不同百分位、不同性別、不同年齡的系列產品，滿足不同的研究開發(fā)需要。HybridI型假人的主要生產廠家有美國第一技術安全公司、美國Denton公司等。汽車正面碰撞法規(guī)中要求安放的是50百分位的HybridIII型假人。由于假人中使用了大量的塑料、橡膠、金屬材料，其性能將隨著環(huán)境的改變而改變。因此，為了保證測量結果的準確性，試驗前需將裝有假人的試驗車輛放入恒溫室，使HybridI型假人保持在20.6—22.2°C。試驗時，假人需穿著棉質的短袖T恤衫和不蓋住膝蓋的短褲。通常情況下，假人的頭部、胸部需要安裝三向加速度傳感器，大腿需安裝力傳感器，假人的頭部、手臂需粘貼標志點。另外，一種新型的假人THOR-Dummy正在研究開發(fā)過程中。這種假人進行了許多結構改進，具有更好的生物逼真性，如圖所示3.4.3信號采集通道設置根據研究需要及法規(guī)要求，對于安放在不同位置的加速度、力、位移傳感器應設置不同的數據通道頻率響應特性。同時，應根據傳感器的靈敏度及動態(tài)響應范圍設置電荷放大器的相應參數。5高速攝像機的調試為了使高速攝像機獲得理想的圖片效果，試驗前需要對焦、調白平衡，并且根據燈光效果調節(jié)光圈大小。由于攝像機有一定的正常工作溫度范圍，夏天不宜長時間開機等候。3.5實車碰撞試驗合格的要求CNVDR294法規(guī)規(guī)定了實車碰撞試驗的合格要求，主要包括以下幾個方面。3.5.1假人試驗過程中，假人的頭部性能指標（ HIC）應小于或等于1000；胸部性能指標（THPC）應小于或等于75mm；大腿性能指標（FPC）應小于或等于10KN。如果試驗過程中假人的頭部未觸及車內構件，則認為假人頭部性能指標（HIC）合格。若試驗過程中假人的頭部觸及車內構件，則假人的頭部性能指標（HIC）不合格，需根據數據計算。假人胸部性能指標（THPC）由軸向傳遞至假人每條大腿的壓力來確定。3.5.2試驗車試驗過程中，車門不得開啟，前門的鎖止機構不得鎖止。試驗結束后，對于每排座位，若有門，不使用工具，至少有一個門能打開。試驗結束后，假人應能完好地從車內取出。必要時，可改變座椅靠背位置。如果假人約束機構發(fā)生了鎖止，應能在松脫裝置上施加不超過60N的壓力使其松脫。在碰撞過程中，燃油供給系統不允許發(fā)生泄露。如果發(fā)生泄露，則泄露速度不得超過30g/min。如果來自燃油供給系統的液體與來自其他系統的液體混合難以辨認時，燃油系統泄露量應計入所有的液體。車正面碰撞的安全性的結構措施4.1安全帶系統4.1.1安全帶的工作原理及使用效果安全帶是將乘員的身體約束在座椅上，在汽車發(fā)生碰撞時，使傷亡減到最低程度的安全裝置。安全帶的作用是在車輛發(fā)生碰撞事故時，避免乘員身體沖出座椅與車內飾件發(fā)生二次碰撞。安全帶對乘員保護的原理是當碰撞事故發(fā)生時，安全帶在人體作用下產生位移，鎖止機構開始工作，安全帶被鎖緊，而不能自由地從卷收器中抽出，從而將乘員“束縛”在座椅上，力求使乘員的頭部、胸部不至于向前撞到轉向盤、儀表板及風檔玻璃上，減少乘員發(fā)生二次碰撞的危險，同時避免乘員在車輛發(fā)生滾翻等危險情況下被拋離座椅。安全帶作為主要的乘員約束保護裝置，是目前最有效的安全設備，起單獨使用時可以減少42%左右的死亡率。從以往的交通事故統計資料中可以發(fā)現，使用安全帶的駕駛員頭部負傷率約為36.1%；而不使用安全帶的駕駛員頭部負傷率高達51%。身體其他部分受傷情況如圖所示。4.1.2安全帶的種類按照安全帶使用的主動性，可以分為主動型及被動型兩類。主動安全帶是指須用人工鎖扣及解扣的安全帶，需要乘員的主動操作才能起作用；被動安全帶是指車門關閉或開啟后自動鎖扣或解扣的安全帶，不需要乘員動作，但其結構比較復雜。按照安全帶的固定安裝方式，大致可分為三類：兩點式安全帶、三點式安全帶和全背式安全帶。其中兩點式安全帶按其對乘員約束位置的不同又可分為腰帶和肩帶，腰帶僅限制乘員的腰部，肩帶則僅限制乘員的上半身。一種是兩點式腰帶和肩帶合二為一的復合式，又稱連續(xù)三點式；另一種是將防止上體前傾的兩點式肩帶連接在兩點式腰帶上的任意點而成，稱為分離三點式。全背式安全帶又稱馬夾式安全帶，是在兩點式腰帶上再連兩條肩帶組合而成。三點式安全帶也可分為兩種。安全帶的種類如圖所示。4.1.3安全帶的基本構件安全帶的基本結構均由織帶、卷收器、帶扣和長度調整機構組成。為進一步降低碰撞時乘員“潛水”造成腹部傷害，提高安全帶保護效果，還采用了預緊器和鎖緊裝置。4.2安全氣囊系統4.2.1安全氣囊系統的組成及工作原理汽車安全氣囊系統主要由控制裝置、氣體發(fā)生器和氣袋組成，如圖所示。其中，控制裝置又包括傳感器、電子裝置系統以及觸發(fā)裝置。汽車上的安全氣囊總成還應包括安裝安全系統的轉向盤、儀表板部分以及用于傳導的導線系統等。其工作過程為：在發(fā)生碰撞事故時，傳感器感受汽車碰撞程度，電子系統接收并處理傳感器的信號。當經計算判斷有必要打開氣袋時，立即由觸發(fā)裝置發(fā)出點火信號觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器收到信號后迅速產生大量氣體并充滿氣袋，使得乘員與一個較柔軟的吸能緩沖物件相接觸，而不是與汽車的內飾件猛烈碰撞。當人體與氣袋接觸時，通過氣袋的排氣孔節(jié)流阻尼來吸收碰撞的能量，從而達到盡量減少傷害、保護乘員的目的。安全氣囊的工作過程如圖所示4.2.2安全氣囊的設計原則汽車安全氣囊系統的設計依據是道路交通事故的調查分析和安全法規(guī)所規(guī)定的汽車碰撞試驗標準，主要標準是美國的FMVSS208和FMVSS214，以及歐洲的ECER94和ECER95,我國目前的國標是GB11551。這些標準中都規(guī)定在碰撞事故試驗中，假人在約束系統保護下，頭部傷害指數、胸部加速度和腿部載荷必須低于法規(guī)限值。氣囊系統的動作只有與車體壓扁特性，以及乘員其他約束系統（如安全帶、安全座椅、轉向柱及墊枕等）特性相匹配才能發(fā)揮保護作用。安全氣囊系統最重要的要求是要保證系統作用可靠和動作精確?？煽啃约词且笙到y能迅速且正確無誤地判斷是否需要打開安全氣囊，系統不能出現判斷失誤，造成點火和漏點火。準確性即是要求點火時刻準確，使氣囊對乘員具有最佳保護效果。這兩點要求反映在安全氣囊系統中就是控制參數，即確定點爆安全氣囊的條件和點火時刻，他們是通過對車輛的碰撞特性進行分析而確定的。4.2.3安全氣囊設計過程中的計算機輔助設計在安全氣囊的開發(fā)過程中，現在多采用試驗與計算機模擬相結合的方法，這樣可以大大縮短開發(fā)周期和節(jié)省開發(fā)費用。目前主要使用的計算機模擬軟件是荷蘭皇家道路車輛研究所（TNO）的MADYMO軟件和法國ESI公司的RAM-SAFE軟件。安全氣囊一般的計算機輔助開發(fā)過程如下：根據認證法規(guī)要求進行實車碰撞試驗，獲得車身減速度特性曲線和假人運動特性曲線。-10-根據試驗車輛的實際情況建立計算機模擬模型。進行模擬計算，對模擬模型進行驗證，調整模擬模型的計算結果與實際試驗結果在允許的誤差范圍內達到或基本達到一致。調整安全氣囊的有關參數，如氣囊織帶直徑、織帶充氣厚度、點火時刻及織帶的漏氣特性等，是模擬計算結果中對假人的保護效果達到最佳。根據計算機模擬計算結果調整安全氣囊并按照認證試驗要求進行實車碰撞試驗，驗證安全氣囊的實際保護效果。若5中安全氣囊在試驗中的保護效果達到或接近最佳，則可進行其他相關試驗；若保護效果不理想，則返回3重復進行。4.2.4對安全氣囊的試驗性能要求為了保證安全氣囊對乘員所提供的保護作用，必須要對氣囊提出性能要求。主要有兩個方面：一是環(huán)境試驗性能要求；另一個是機械試驗性能要求。對氣囊的環(huán)境試驗要求主要有：高溫試驗、低溫試驗、粉塵試驗、光照試驗、真空試驗、振動試驗、高低溫溫度沖擊試驗、濕熱試驗，同時進行溫度和振動試驗、防靜電試驗、抗電磁干擾試驗、噪聲試驗、鹽霧試驗、燃燒試驗以及有毒殘留物檢驗等。對氣囊的機械性能試驗要求主要有：墜落試驗、鋼罐壓力容器試驗、靜態(tài)展開試驗、點火器點火電流測量試驗、氣袋容積測量試驗、氣袋織物強度試驗、縫線強度試驗、織物透磁性及氣密性測量試驗、爆裂試驗以及機械碰撞試驗等。4.3能量吸收轉向柱4.3.1能量吸收轉向柱的作用在汽車發(fā)生正撞時，碰撞能量是汽車的前部發(fā)生塑性變形。布置在汽車前部的轉向柱及轉向軸在碰撞力的作用下要向后，即駕駛員胸部方向運動。這是所謂的首次碰撞。另一方面，在汽車發(fā)生正撞時，駕駛員受慣性的影響有沖向轉向盤的運動。駕駛員本身的運動能量一部分右約束裝置如安全帶、氣囊等加以吸收，另一部分傳遞給轉向盤和轉向柱系統，這是所謂的二次碰撞。為防止超出人體承受能力的碰撞力傷害駕駛員，就研發(fā)設計了能量吸收轉向柱。4.3.2能量吸收式轉向柱的結構原理4.3.2.1隔絕一次碰撞影響的對策隔絕一次碰撞影響的方法是通過轉向中間軸的防撞結構來實現的。防撞型轉向中間軸除了要保證汽車正常行駛時傳遞轉向扭矩外，當汽車發(fā)生正碰，碰撞力達到一定值時，轉向中間軸可以伸長、壓縮、彎曲或斷開，以消除轉向齒輪的后移影響，達到隔絕依次碰撞影響的目的。隔絕一次碰撞影響的轉向中間軸的結構形式有伸縮式、波紋管式、可斷開式等幾種形式。4.3.2.2保護駕駛員免受二次碰撞傷害的能量吸收式轉向柱能量吸收轉向柱應具有以下性能：1） 在汽車正常行駛時，轉向柱及其中的轉向軸有足夠的強度和剛度，以保證正常的轉向力傳遞及安裝于轉向柱上的其他功能件（如變速箱、組合開關等）正常工作。2） 當汽車發(fā)生正碰時，轉向柱系統能夠從車身結構中以機械的方式脫離。3） 當汽車發(fā)生正碰時，轉向柱及其中的轉向軸可以被壓縮，并且轉向柱系統中應具有能量吸收元件以吸收碰撞能量。4.2.3.3能量吸收式轉向柱的主要參數1） 壓縮行程：一般來講，轉向柱及其中的轉向軸的可壓縮行程應在150mm以上。2） 轉向柱系統的最小臨界壓縮力：FMVSS208法規(guī)規(guī)定不超過11.1KN，一般最小臨界壓縮力在1.1~2.5KN之間。3） 轉向柱斷開連接盒分離力：連接盒上每個注塑銷的破壞力為500KN。轉向柱上每個可斷開連接盒一般有2~4個注塑銷。4） 能量吸收式轉向柱除了能保證規(guī)定的軸向壓縮變形力外，還要有足夠的抗彎曲強度以提高軸向吸能效果。5） 能量吸收式轉向柱壓縮吸能部分的上、下端應分別聯接在車身上強度和剛度有一定差異的部分，以保證壓縮吸能力的傳遞。4.4座椅系統4.4.1座椅系統安全性功能汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯系在一起的重要部件，它直接影響到整車的舒適性和安全性。所謂座椅的安全性，是指汽車座椅在事故發(fā)生時最大限度地減少對駕駛員及乘員造成傷害的能力。座椅是在被動保護中起重要作用的安全部件。首先，在事故中他要保證乘員處在自身的生存空間之內，并防止其他車載體進入這個空間。其次，要使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，以使其他的約束系統能充分發(fā)揮其保護作用。除具有防止事故發(fā)生的功能，座椅還應具有在乘員與其發(fā)生碰撞時使乘員的傷害減輕到最低的性能，即應能夠吸收乘員與之碰撞時產生的能量。4.4.2座椅系統的安全性結構4.4.2.1座椅的一般結構及分類如圖所示為一較完整的汽車座椅結構示意圖。它由座椅支撐、坐墊、調節(jié)裝置、靠背和頭枕等零部件組成。座椅按其形狀可分為：分離式座椅、肩斗式座椅、半分離式座椅、凳式座椅。座椅按其使用性能可分為：固定式座椅、活動式座椅、可折式座椅、調節(jié)式座椅。座椅按其乘坐的人數可分為：單人用座椅、雙人用座椅、多人用座椅、輔助座椅等。4.4.2.2座椅的一般性設計汽車座椅的首要任務是滿足安全性的要求，其次是滿足舒適性、成本低、質量輕及美觀耐用的要求。以下是座椅設計應該考慮的問題。1）座椅尺寸座椅各部分的尺寸必須按對人體的測量數據進行設計，但汽車座椅也要考慮到因改變車體尺寸和安裝姿勢而留有余地。特別是駕駛員座椅的尺寸，與決定視野的駕駛位置、容易操作的轉向盤、各種踏板、把柄等的位置有密切的關系。如圖表示出了人體尺寸與車體尺寸的對應關系。座椅的尺寸由此對應關系決定，但重要的是兩者以何尺寸比例為基準來決定座椅尺寸。設計時需要適當改變各自有關尺寸和角度的基準。2）座椅角度設計座椅時，要考慮坐墊和座椅靠背的角度如何配合。粗略的支撐條件，可由角度來決定；細致的支撐條件，其合適與否要以最終的穩(wěn)定姿勢來判斷。3）最終坐姿為吸收振動，汽車的座椅會使用各種坐墊材料。因此，人們在乘坐時，由于彈簧的運動，人體上下浮沉最終達到穩(wěn)定的姿勢。這即為最終坐姿，它是決定座椅好壞的一個最重要因素。4.4.2.3座椅的安全結構從座椅的安全性能考慮，其結構可分為座椅骨架、靠背、頭枕、坐墊、調節(jié)裝置、座椅總成與車身相連接的固定部件。1） 骨架座椅骨架是汽車座椅形狀的基礎結構。座椅彈簧或緩沖材料以及蒙皮等元件直接或間接地固定在骨架上。座椅骨架上有時要裝座椅調節(jié)裝置和靠背傾斜角調節(jié)裝置等機構，所以此時他的形狀必須考慮到裝配支座的位置。2） 靠背靠背的強度設計分柔性吸能式和剛性吸能式兩種。根據不同的碰狀條件，兩種靠背的保護效果是不同的。在高強度碰撞時，剛性靠背的設計概念對于正常坐姿、按標準狀態(tài)使用約束系統的乘員來說是合理的。3） 坐墊坐墊一般不會對乘員造成直接傷害，但其結構可以影響到乘員的運動過程，以及約束系統約束力施加到乘員身體上的方式和外部載荷（加速度、力等）的絕對值大小。4） 頭枕頭枕是一種用以限制乘員頭部相對于軀干向后移位的彈性裝置。其作用是，在發(fā)生撞車事故時，可以減輕成員頸椎可能受到的損傷。5） 調節(jié)裝置包括座椅調節(jié)裝置、靠背傾斜角調節(jié)裝置。座椅調節(jié)裝置裝在座椅坐墊骨架和地板之間，可以通過手動或其他方式相對于地板的前后和上下之間的位置調節(jié)座椅，并將座椅鎖止在所調節(jié)的位置。一般前后方向的調節(jié)量在90~140mm，上下的調節(jié)量在15?60mm之間，以適用不同身材的乘員，使乘員能有舒適的座椅。6） 連接部件汽車在座椅連接部件的強度設計，在很大程度上影響座椅本身的安全性能。在發(fā)生碰撞時，如果連接部件先于座椅失效，很可能回造成座椅骨架的斷裂，嚴重變形和調節(jié)機構失靈等，此時乘員的生命安全將受到極大的威脅。4.5儀表板設計4.5.1儀表板的布置最近，人們已將視覺舒適性與操作方便性作為儀表設計的重點。也就是說，在對于駕駛者最舒適的位置，把目視系統和操作系統集中化。另外，從擴大乘坐空間這一點來看，應盡量壓底儀表板上部，以擴展前方的視野。4.5.2儀表板的構造當車輛發(fā)生正面碰撞事故時，車內飾件等突出物像儀表板、轉向盤、轉向管柱等會對乘員帶來傷害的危險性。所以除了合理地布置儀表板控件，還應該對儀表板進行安全設計，使其具有吸收沖擊能量性能的結構。隨著車體輕量化的設計趨勢，儀表板已大多改變?yōu)樗芰弦惑w成型件，用聚氨酯類發(fā)泡體涂覆的面積也從全涂改為部分涂，且所選用的是撞擊時不致飛散碎片的耐沖擊性高的塑料材料。4.6碰撞吸能結構的設計汽車車身結構幾乎都是由薄壁金屬件構成的，在發(fā)生碰撞時，受到強烈撞擊的薄壁構件會發(fā)生塑性變形，這種塑性變形本身伴隨著碰撞能量的吸收。因此，車輛結構的碰撞吸能設計很大程度上是薄壁構件的碰撞性能設計。與一般的吸能元件不同，薄壁構件的碰撞吸能除了與本身的材料有關外，還與焊點、材料壁厚、橫截面以及預變形密切相關。焊點與吸能薄壁構件的形成是通過對金屬薄板進行沖壓、彎折等冷加工變形后，再通過焊點連接而成的，焊點斷開或焊點處的材料撕裂能夠有效地吸收碰撞動能，但焊點強度過低則會嚴重影響薄壁構件對碰撞能量的吸收?？疾靾D所示的兩根薄壁梁，它們唯一的區(qū)別是焊點強度不同。給定臺車同樣的碰撞初速度（v=25km/h），兩者碰撞變形的結果如圖所示，臺車碰撞加速度結果如圖所示。其中圖所示的薄壁梁在碰撞過程中出現了焊點過早開裂，梁發(fā)生彎折變形，材料塑性變形較小，因而所吸收的動能較少，臺車撞擊加速度峰值較高；圖所示的薄壁梁在碰撞時未出現焊點開裂，變形模式為皺褶變形，臺車動能被充分吸收，故臺車撞擊加速度峰值較低。4.6.2壁厚與吸能薄壁構件的壁厚與碰撞吸能是直接相關的，對于同樣的模式變形，變形所吸收的能量與壁厚之間是指數增長的關系。在結構設計中，壁厚的選擇必須與實際情況相適應，壁厚太小容易變形，但可能不具備足夠的吸能能力，而臂厚過大又不易變形吸能。圖所示是通過壁厚優(yōu)化達到理想碰撞吸能的一個實例。該裝置利用豎直放置的一塊平板吸收臺車的碰撞動能，其中平板厚度是影響碰撞吸能特性的主要因素。通過碰撞有限元仿真計算，可得到較為理想的平板厚度。圖顯示了對應于兩種不同厚度平板時的臺車碰撞加速度曲線，其中20mm厚平板的碰撞吸能持續(xù)時間為48ms，相應的碰撞加速度值較高；而17mm厚平板的碰撞持續(xù)時間為68ms，相應的碰撞加速度值較低。從上例可以看出，壁厚對碰撞變形吸能特性的影響有兩個方面：一是碰撞所產生的最大阻力不同；二是緩沖吸能時間的長短不同。這兩點造成了不同壁厚薄壁構件的碰撞吸能特性的差異。在汽車薄壁構件的碰撞性能設計中，可充分利用上述特性特點來優(yōu)化選擇合適的壁厚。當然，汽車薄壁構件的壁厚還要受到其他方面要求的限制，比如重量-16-限制、制造工藝限制等。設計的方法是在規(guī)定的壁厚范圍之內進行優(yōu)化選擇。4.6.3橫截面與吸能汽車結構中包含的薄壁構件除了如發(fā)動機罩、翼子板等板件外，還有重要的承載及碰撞吸能用直梁件，比如前縱梁。直梁件可以有各種不同形狀的橫截面，對于汽車正面碰撞安全性的設計來說，橫截面是需要考慮的另一個重要因素，因為不同的橫截面將可能導致直梁件的碰撞吸能水平不同。以規(guī)則形狀的橫截面為例，同是直梁件就可以有圖所示的5種橫截面，雖然這些橫截面具有相同的周邊長，但他們所導致的碰撞特性不同。國外曾對這些橫截面梁的碰撞力進行了對比研究，得出的結果如表所示。（A）(B)(C) (D) (E)（A）(B)(C) (D) (E)表 各種橫截面梁的碰撞力截面形式ABCDE碰撞力值100%69%107%114%115%從表的數據可以看出，不同的截面形式導致梁承受碰撞的能力各不相同，最大與最小的差別達到了1.7倍。因此，在設計薄壁直梁件的碰撞性能時，可以根據需要從橫截面的形狀加以考慮，即如果需要提高直梁件的碰撞力，可以采用E所示的橫截面；而如果需要降低碰撞力，則可采用B所示的橫截面。4.6.4預變形與吸能一般來講，薄壁構件在受到碰撞時的變形模式可表現為彎折變形、翹曲變形或者皺褶壓縮的變形量最大，最利于吸收碰撞能量，因此，皺褶壓縮是薄壁構件（尤其是薄壁直梁件）碰撞吸能設計時的一個設計目標和方向。經驗表明，當結構的某些部位相對于其他部件明顯較弱時，結構就會首先在弱化部位發(fā)生皺褶屈曲，從而引導整體發(fā)生皺褶變形。根據該原理發(fā)展了一種所謂的“預變形技術”，即通過人工的方法預先使結構的某些部位弱化或強化，從而引導結構在碰撞時朝著皺褶壓縮的方向發(fā)展。需要說明的是，預變形既有可能提高部件的撞擊能量吸收水平，也可能起到相反的作用。因此，設計時需要對結構進行認真的觀察和細致的分析，并在可行的基礎上同時采取其他相應的措施。汽車正面碰撞過程計算機仿真建摸技術5.1汽車零部件建摸技術與要點5.1.1零部件幾何模型的建立要建立零部件的碰撞模型，首先必須了解碰撞分析的特點。與一般靜態(tài)有限元分析不同，碰撞分析主要是計算結構的變形，因此，建摸時主要考慮的也應是可變形部件。對汽車正面碰撞來說，碰撞部位的薄壁金屬是最重要的變形吸能部件，如汽車覆蓋件、地板以及縱梁等。它們共同的幾何特點是尺寸變化較大，形狀復雜，承受碰撞時對外載及邊界條件特別敏感，結構本身的一些凸起、凹槽及開口等都會影響碰撞變形模式及載荷的傳遞路徑。因此在建立上述部件的幾何模型時，必須準確反映結構的幾何特征，尤其要注意的細節(jié)是保證曲面的正確過渡、面與面之間不出現裂縫等。5.1.2單元劃分對幾何模型的離散化處理稱單元劃分，單元劃分是有限元仿真計算的基礎，它關系到仿真計算的精度和效率。在進行單元劃分時，需要考慮的幾個問題是；單元類型、單元形狀以及單元尺寸等。與汽車零部件相對應的碰撞仿真用單元類型有體單元、殼單元、梁單元、桿單元以及彈簧單元等。在汽車碰撞仿真分析中，應用最多且最重要的單元類型是殼單元，它是薄壁金屬件對應的單元類型。之所以采用殼單元來描述薄壁金屬件的變形，是因為在幾何上薄壁金屬件厚度方向的尺寸比其他兩個方向小得多，如果采用體單元，勢必會使所需要單元數目大幅度增長，并且體單元不像殼單元那樣能較好地處理彎曲變形效應；另一方面，采用殼單元能大大降低計算所需的時間，并節(jié)省內存空間。5.1.3材料模型汽車零部件所使用的材料多種多樣，在進行碰撞仿真分析計算時，賦予單元的材料模型應與部件本身的材料以及變形特性相對應。目前，在仿真商業(yè)化軟件中已經得到成功和廣泛應用的材料模型有幾十種，如彈性材、超彈性材料、泡沫材料、玻璃材料、復合材料以及剛性材料等，其中一些材料還伴隨有失效、損傷、粘性、與應變率相關等性質。5.1.4接觸界面的定義在碰撞仿真計算中，碰撞接觸是需要事先定義的，接觸形式可以分為三大類：節(jié)點對面的接觸、面對面的接觸以及單面自動接觸，具體表現為變形體對變形體的接觸、變形體對剛體的接觸以及變形體自身的單面接觸等。不同類型的接觸需要不同的接觸界面模型來模擬，否則將會降低模