内部被动安全技术

内部被动安全性是指汽车所具有的在事故中使作用于乘员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的部件的可操作性的能力。车内安全的决定性因素有:车身变形状态、客厢强度、当碰撞发生时和发生后的生存空间尺寸、约束系统、撞击面积 (车内部)、转向系统、乘员的解救及防火。

研究表明,在事故中受到伤害时,人体的内伤和脑损伤与减速度直接有关,骨折与作用力有关,而组织损伤与剪切应力有关。所以研究内部被动安全性的重要内容是降低人体的减速度。即提高汽车的内部被动安全性的主要措施首先应该是降低人体的减速度,减小惯性载荷。

1.安全车身

在轿车发生正面碰撞或碰到固定障碍物上时,汽车前部出现特别大的减速度jcp=(300～400)g,向后逐渐降低。其质心的减速度为jcp= (40～60)g,瞬时减速度为80～100g (图8-9),其中g为重力加速度。

图8-9 汽车与固定障碍物相撞时减速度的变化

(a)平均减速度沿车长方向分布;(b)质心处减速度随时间变化过程

(1)车身前部和后部分别做成折叠区。

在正面碰撞中,动能被保险杠和车身前部变形所吸收,在剧烈碰撞时,还要涉及乘员区前部。车桥、车轮 (轮辋)和发动机限制了可变形区的长度,所以需要有适当的可以变形的长度和某些允许产生位移的部件以减低车厢的加速度。

为了降低正面碰撞时的减速度,必须在轿车前部做成折叠区 (图8-10)。这样,在撞车时可提供400～700mm的变形行程,并通过折叠区的变形吸收撞车时的动能。

汽车的后部碰撞,其理想碰撞特性应与前部相同,但后部撞车的速度较低,所以轿车后部折叠区的变形行程稍短一些,为300～500mm(图8-10)。此外,备胎后置有助于减小冲撞加速度,而油箱位置则必须避开折叠区。行李箱盖边缘不能穿过后窗而撞入车内。

图8-10 车身前部和后部分别做成折叠区,中部车身不变形

(2)折叠区的变形力满足梯度特性,并具有良好的能量吸收特性。

为了减少对车内乘员和车外人员及物体的伤害,折叠区的变形力应满足梯度特性,如图8-11所示。将折叠区的变形力分为五个区段:行人保护、低车速保护、对事故伙伴的协调保护、自身保护 (针对本车乘员)以及幸存空间。变形力从前向后逐渐增加,便得撞车力较小时,仅限于前部零件发生变形。

图8-11 轿车前部变形力梯度特性

良好的能量吸收特性,是指汽车前部结构要尽可能多地吸收撞击能量,使作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内;考虑撞车安全性的车身结构设计的基本思想是利用车身的前、后部有效地吸收撞击能量,驾驶室要坚固可靠,确保乘员的有效生存空间。如图8-12所示中的阴影部分为轿车碰撞的理想变形区域。同时要控制受压各部件的变形形式,防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入驾驶室。图8-13所示为一种吸能式车架结构,利用车架的变形来吸收碰撞能量,以保证乘员必要的生存空间。

图8-12 轿车碰撞的理想变形区域

图8-13 吸能式车架结构

“SUBARU新环状力骨构造”就是将车身侧面的A、B、C柱与底部车架结合成 “环状”构造,强力地 “包覆”住车室的空间。其不但具有全方位的防护能力,同时由于车身的刚性可使整体加强,因此对于操纵性也有正面的影响。此外,发动机采取较低位置的安装方式,使汽车在遭受正面撞击时,发动机直接滑向汽车中央通道的下方 (图8-14),以避免发动机直接向驾驶座方向冲入而伤及前座的乘员。

图8-14 动力装置折曲保护乘员空间

(3)车身侧部结构应具有一定承受碰撞的能力。

与正面碰撞相比,侧面碰撞车身变形空间小,对乘员的危害较大。因此,增加车室刚度,保证乘员的有效生存空间显得更为重要。侧向碰撞时,由于碰撞部位的装饰件和结构件允许的变形行程很小,吸收能量的能力远小于前部和后部,因而引起的车内的严重变形对乘员伤害的危险性很高。伤害危险性在很大程度上取决于轿车侧部结构强度 (支柱和车门的连接、顶部及底部与支柱的连接)、底板横梁和座椅的承载能力以及门内板的设计。因此,车身侧部结构 (如车门和铰链、门锁机构等)应具有一定承受碰撞的能力,以便吸收能量,保证主撞车不致侵入被撞车的乘员室。

此外,翻车时,车门应保证不能自开。在活顶式轿车上,可装设展开式翻车保护杆,并约束乘员头部,如图8-15所示。

图8-15 活顶轿车的翻车保护

(a)正常位置;(b)翻车时

2.安全带

汽车座椅安全带是乘员保护约束系统的重要设施,它对减轻碰撞过程中乘员的伤害程度起着重要的作用。1964年以后,美国、日本等国家就开始强制在轿车、轻型客车的驾驶座位装备二点式安全带。我国强制使用安全带条例于1993年开始实施。由于安全带的保护效果比较明显,后来就逐渐扩大了安全带的使用范围;安全带样式也从二点式发展到三点式带紧急锁止卷收器安全带。安全带使用率的大幅度提高,使得事故汽车乘员伤亡率下降。统计数据表明,佩戴安全带使碰撞事故中乘员伤亡率减少了15%～30%。

汽车安全带与其他保护约束设施 (如气囊)相比,具有安全可靠、价格低廉、安装简便等优点,被各国生产厂家普遍采用。

安全带对乘员保护的原理是当碰撞事故发生时,安全带起作用,将乘员约束在座椅上,使乘员头部、胸部不至于向前撞到转向盘、仪表板及风挡玻璃上,使乘员免受车内二次碰撞的危险,同时使乘员不被抛离座椅。在正面碰撞、追尾碰撞及翻车事故中普通安全带对乘员保护效果很好,尤其是对乘员头部、胸部的保护。

为了进一步降低碰撞时乘员下沉 (乘员沿座椅下滑)造成腹部伤害,带预张紧器或带夹紧装置的安全带得到了广泛的应用,这种安全带同改进的座椅结构及气囊相结合,可大大提高乘员的保护性能。为了提高安全带的使用方便性,许多轿车上安装不需乘员操作的自动佩戴式安全带。

安全带大体可分为二点式安全带、三点式安全带和全背带式安全带 (图8-16)。

二点式安全带包括腰带和肩带两种。腰带 [图8-16(a)],用于限制乘员下躯体向前运动,多用于后排座椅和中间座椅。肩带 [图8-16(b)],用于限制乘员上躯体向前运动。

三点式安全带,包括腰肩连续带和肩膝带两种。腰肩连续带是一种最常用的安全带型式。这种安全带既能限制乘员躯体向前移动,又能限制其上躯体过度前倾,如图8-16(c)所示。肩膝带 [图8-16(e)和图8-16(f)]的作用与腰肩带类似,其区别只是膝带和肩带是分开的。膝带和气囊联合使用如图8-16(g)所示。

图8-16 驾驶员安全带的形式

如图8-17所示,佩戴三点式安全带同未佩戴相比,驾驶员头部的减速度峰值明显降低,有利于保护车内乘员。如图8-18所示,同普通三点式安全带相比,有预紧作用的肩带/膝垫组合的安全带驾驶员头部减速度较低。

图8-17 是否佩戴安全带时驾驶员的响应

图8-18 佩戴三点带和有预紧的肩带/膝垫时驾驶员头部响应的对比

3.气囊 (辅助约束系统)

气囊是汽车被动安全技术中高技术产品之一。它的防护效果已被人们普遍认识,近几年得到了迅速发展。20世纪80年代后期,一些汽车开始装用气囊,20世纪90年代后,气囊装用量急剧上升。

气囊设计的基本思想是,在汽车发生碰撞后,乘员与车内构件碰撞前,迅速地在二者之间打开一个充满气体的气垫,使乘员扑到气垫上,以缓和冲击并吸收碰撞能量,达到减轻乘员伤害程度的目的。

气囊一般对乘员保护的效果不如安全带,但它与安全带配合使用可大大降低事故中乘员的伤害指数,尤其是可大大减轻驾驶员面部的伤害。据交通事故调查统计,气囊可使事故死亡率降低约18%,它与安全带配合使用可使事故死亡率下降47%左右,而单独使用安全带可使驾驶员事故死亡率下降42%左右。可见,安全带对乘员保护的效果要好于气囊单独使用。但是安全带的佩戴率一直不能令人满意。欧洲由于受保险公司的制约,安全带佩戴率可达98%,美国安全带佩戴率为67%左右,而日本的安全带佩戴率约为20%。气囊作为辅助约束系统,在较高车速碰撞时气囊才起作用。气囊的作用主要是保护乘员头部和面部。由于侧面碰撞事故所占比例仅次于正面碰撞事故,故20世纪90年代后期对侧面碰撞进行保护的侧面气囊也得到推广。

典型的气囊系统 (图8-19)一般由三个主要部分组成:气袋、气体发生器 (充气装置)、气体过滤及控制装置,触发装置、传感器、连接插头、导线及监控器,电压保护装置及备用电源;转向盘、仪表板等上的气囊安装位置及重新布置的内饰件等。

图8-19 典型的气囊系统

气囊一般至少具有两套独立的供电装置,除采用汽车上的蓄电池外,还要有备用电源,以确保气囊系统供电万无一失。对气囊电源的一般要求是汽车电源失效后,备用电源至少应能正常工作150ms以上,以确保碰撞过程中气囊的电源不失效。

在乘员佩戴安全带时,即使不装用气囊,其伤害值也可能达到标准要求,但装用气囊后一般可使这些伤害值降低,对乘员保护的效果会更好。如图8-20所示,当汽车装备转向盘气囊时,驾驶员头部峰值加速度明显低于未装备的值。

图8-20 有无驾驶员转向盘气囊时头部合成加速度 (无气囊时头部撞击转向盘)对比

国外常利用NCAP5星图来评价汽车的乘员保护系统。NCAP5星图是用56km/h、40%偏置正碰撞的乘员头部和胸部的伤害值来评价乘员保护效果是几星级,星级越高,保护效果越好。一般来说,装用气囊可使乘员保护系统的星级提高,容易得到用户的认可。有些公司采用6星评价图,达6星级时乘员受伤风险率可达5%以下,即乘员几乎不会受伤。达5星级时,乘员受伤风险率可达10%以下。

此外,为避免汽车在坏路行驶时产生误点火,AUTOLIVE公司还要求汽车以15km/h、25km/h、35km/h、45km/h的速度驶过110mm、150mm路肩进行气囊是否展开试验;还要求汽车以20km/h、30km/h、40km/h的速度驶过270mm深坑检验气囊是否打开,以确保气囊在非碰撞状态展开。

尽管安全气囊可以减轻事故过程中乘员的伤害程度,但安全带与气囊相比,安全带对乘员保护的效果更好一些,二者共同使用可达到较理想的乘员保护效果,因此乘车后的第一件事应是佩戴安全带。

4.吸能式转向柱

各国对防止转向柱对驾驶员的伤害都有法规要求,对当汽车发生正面碰撞时,转向柱的向后水平位移量和碰撞力作出了要求。为了满足这些法规的要求,吸能式转向柱得到广泛应用。由于吸能机理和形式的不同、转向柱与车身受撞脱开方式及转向轴受撞压缩的形式不同,故吸能式转向柱的种类有很多。

当汽车发生正撞时,碰撞能量使汽车的前部发生塑性变形。位于汽车前部的转向柱及转向轴在碰撞力的作用下要向后即驾驶员胸部方向运动,这种运动的能量应通过转向柱以机械的方式予以吸收,防止或减少其直接作用于驾驶员身上,造成人身伤害。另外,在汽车发生正面碰撞时,驾驶员受惯性的影响有冲向转向盘的运动。驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置如安全带、气囊等加以吸收,另一部分传递给转向盘和转向柱系统。这部分能量也要通过转向盘及转向柱系统予以吸收,以防止超出人体承受能力的碰撞力伤害。除了能满足转向柱常规的功能外,在汽车发生正面碰撞时,能够有效地吸收碰撞能量,防止或减少碰撞伤害驾驶员的转向柱称为吸能式转向柱。

发生碰撞时,碰撞能量使汽车前部发生塑性变形,安装在汽车前部与转向器输入端相连的转向中间轴在碰撞力的作用下向后运动。隔绝首次碰撞的影响可由转向中间轴来完成。

碰撞继续发展,碰撞力作用在转向柱的下端,使转向柱向后移动;同时驾驶员在本身的惯性作用下冲向转向盘。尽管驾驶员本身有约束装置如安全带、气囊的约束,仍有一部分能量要传递给转向柱系统。吸收二次碰撞能量和驾驶员的部分惯性能量是吸能式转向柱设计的目的。

图8-21所示为一些吸能和可变形转向器。

图8-21 吸能和可变形转向器

伸缩式转向中间轴上、下两个联轴节之间是花键轴、套式转向轴,或者是 “D”形管轴式转向轴。同时,通过花键轴套相对滑动来消除碰撞力产生的转向器齿轮轴向后的位移,达到隔绝首次碰撞影响的目的。

波纹式 (图8-22)或网状 (图8-23)式转向器柱除了可以正常地传递转向扭矩外,当汽车发生正面碰撞时,通过波纹管的弯曲和压缩来消除碰撞力使转向器齿轮轴产生向后的位移,达到隔绝首次碰撞影响的目的。

图8-22 波纹式转向器柱

图8-23 网状转向器柱

当汽车发生正面碰撞,碰撞力达到某一规定值时,可脱开或断开转向中间轴 [图8-21 (d)]的联轴节,使转向中间轴从转向器或上转向轴中脱离,消除转向器齿轮轴的向后位移量,达到隔绝首次碰撞影响的目的。

吸能式转向柱应具有以下性能:在汽车正常行驶时,转向柱及其中的转向轴有足够的强度和刚度,以保证正常的转向力传递及安装于转向柱上的其他功能件 (如变速杆、组合开关等)正常工作;当汽车发生正面碰撞时,转向柱系统能够从车身结构中以机械的方式脱离;同时,转向柱及其中的转向轴可以被压缩,并且转向柱系统中应具有吸能元件以吸收碰撞能量。

套筒式吸能转向柱的工作原理:当汽车发生正面碰撞时,碰撞力先使连接盒中的注塑销剪断,使转向柱系统从车身上脱开。在3～5ms后,转向轴内注塑销被剪断,转向轴被压缩;同时,转向柱上、下套筒被压缩,上、下套筒中的钢球在碰撞力的作用下使上、下套筒壁表面被挤压变形,起到吸收碰撞能量的作用。

网状吸能式转向柱 (图8-23)除了吸能方式与套筒式吸能式转向柱不同外,其可压缩转向柱及从车身中脱离结构与套筒式吸能转向柱基本相同。当汽车正撞时,转向柱上的网状部分在碰撞力的作用下被压缩变形,达到吸收碰撞能量的目的。

5.座椅及头枕

汽车座椅是影响汽车安全性的重要部件,它直接关系到汽车的乘坐舒适性、方便性和安全性。汽车座椅的主要作用包括为驾驶员定位,使乘员在汽车行驶中保持平稳;为乘员提供安全舒适的环境;在汽车受到撞击时保护乘员。

近年来,陆续开发出许多具有特殊功能的座椅,如整体式安全带座椅、气囊座椅、传感器座椅、冷热可调式座椅、防下滑式座椅等,使汽车的乘坐舒适性、方便性及安全性得到提高。其中传感器座椅可判断乘员是否出席及其重量大小,并通知气囊传感器,使气囊工作自动地进行相应调整。由于传感器获取信息可以减少诸如气囊膨胀时对儿童及不在座位上的乘员的伤害,所以大大提高了汽车座椅对乘员的保护作用。

现代汽车座椅分类如图8-24所示。汽车座椅主要由骨架、坐垫、靠背及其调节装置组成。

图8-24 汽车座椅分类

座椅骨架是汽车座椅形状的基础结构。座椅弹簧或缓冲材料以及蒙皮等元件直接或间接地固定在骨架上。座椅骨架上有时要装座椅调节装置和靠背倾斜角调节装置等机构,所以此时它的形状必须考虑到装配支座的位置。座椅骨架可分为坐垫骨架和靠背骨架,根据用途可采用各种形状的结构。座椅骨架的材料一般采用软钢板、软钢管、软钢丝或硬钢丝,有时也采用铝板、树脂板和木材。

座椅坐垫通常由座椅弹簧、缓冲垫和蒙皮组成。

座椅弹簧是座椅的弹性元件,通常用弹簧钢丝或硬钢丝加工而成。另外也有把用橡胶制作的弹性元件叫作座椅弹簧。座椅弹簧的特性决定了座椅的静、动态弹性特性。

缓冲垫是汽车座椅弹簧和蒙皮之间的柔软物质,现在一般采用乳胶泡沫、氨基甲酸乙酯泡沫制成。缓冲垫通常有一定的形状、尺寸和厚度,用来包住坐垫或靠背弹簧总成。缓冲垫不仅起到防止弹簧对乘员的接触部分产生坚硬的不舒适感,同时还具有坐垫弹性元件的作用。另外,缓冲垫能够分散弹簧和人体之间的压力,使座椅表面具有柔软的触感,补充座椅弹簧的弹性作用的同时,还有使振动衰减的阻尼作用。缓冲垫按性能可分为底层缓冲垫、中层缓冲垫、上层缓冲垫和顶层缓冲垫及其他缓冲垫。

蒙皮是套在座椅总成表面的一层材料,它起到保护膜的作用,同时在座椅表面也应体现出具有特征的外观和良好的触感。座椅蒙皮材料可以分为纺织纤维、黏胶纤维和天然皮革。目前在轿车座椅上广泛采用针织布料,这种织物富有弹性,对人体的附着性能好,适应座椅在人的体重作用下的反复变形。

座椅调节装置、靠背倾斜角调节装置、折叠式座椅的前止限制器等都是与汽车座椅相关的各种机械部件。座椅调节装置装在座椅坐垫骨架和地板之间,可以通过手动或其他方式相对于地板的前后和上下之间的位置调节座椅,并使座椅锁止在所调节的位置。一般前后方向调节量为90～140mm,上下调节量为15～60mm,以适应不同身材的乘员,使乘员能有舒适的感觉。设计制造座椅调节器,必须考虑安装关系和锁止装置牢固可靠,以确保发生撞击事故时的安全性。

靠背倾斜角调节装置装在坐垫骨架和靠背骨架之间,是调节靠背倾斜角的机械部件。从调整驾驶姿势的观点出发,可按不同驾驶姿势、休息姿势,甚至睡眠姿势等进行调节,另一个重要的作用是使靠背和座椅安全地结合在一起。设计和制造靠背倾斜角调节器时,必须充分考虑装配关系、锁止装置的作用及其可靠性以及操纵等问题。

限位装置是在折叠座椅、铰接式可翻转座椅上限制或调节座椅或靠背向前翻转的装置。

从人机工程学的观点讲,汽车座椅应对乘员产生良好的静压感,使乘员在保持自然的瞭望姿势时,肌肉放松,体压分布合理,不影响血液循环或使乘员疲劳等。

汽车座椅本身的形状、尺寸和变形特性满足要求还不够,还必须考虑座椅在车内空间的布置,这同样影响乘员的静压感,对行车安全性也会产生影响。为了使乘员获得良好的体压分布,对汽车座椅的结构设计提出了相应的要求,主要有以下几点。

(1)座椅的高度和前后位置都可调。

(2)坐垫表面应保证乘员坐得踏实。

(3)坐垫前角使乘员大腿弯处受力小,能支持住大腿即可。

(4)座椅靠背应能承受1500N以上制动踏板力的反力。

(5)脊椎向前弯曲的姿势容易使肌肉过度疲劳,而脊椎向后弯曲的姿势则有拉伤韧带的危险。所以,最好是设计出一种即使长时间采用前弯姿势也不会使乘员疲劳的座椅。

(6)座椅靠背前后倾角应可调整,使乘员下体角度 (指大腿和腹部之间的角度)可调,适当增大此角度,乘员腹部到大腿的血管不会受到压迫,血流通畅。

(7)坐垫倾斜角应能调节,以满足汽车在不同路面行驶时乘员的坐姿要求,使身体的重心通过腰关节的转动轴 (此时肌肉受力最小)。

(8)座椅坐垫与靠背最好和弹簧连成一体,受冲击时使振动迅速衰减。

(9)如果弹性元件好,乘员和座椅靠背的相对振动小,可在靠背上设置头枕。

(10)制动踏板和离合器踏板到座椅的距离应使踏板踏到底时移动距离和角度两只脚都相等。加速踏板如果安装得过远,容易使坐骨神经拉伸,会引起坐骨神经痛。

从安全角度讲,为了在撞车时不因座椅破损而产生伤害事故,座椅的设计必须考虑座椅骨架、靠背、滑轨、调节器和安全带固定装置等的强度,以及它们相互间的安装强度。另外还要考虑座椅对减少侧面撞车时的车体变形、确保乘员生存空间的作用。

6.座椅头枕

头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置。如图8-25所示,在发生追尾撞车事故时,头枕可减轻乘员颈椎可能受到的损伤。

头枕又可分为可调节型头枕和不可调节型头枕。可调节型头枕具有可以垂直和横向调节的机构,有手动调节和自动调节之分,可拆式头枕支持架须位于头枕本体与固定架之间并起连接作用,且能保持头枕本体的位置;固定架应容易固定于座椅靠背或嵌板、隔板等,且在受到振动及冲击时不脱落。

头枕本体通常采用能吸收冲击的发泡材料、缓冲材料等。其前部及上部的材质必须柔软而强韧,不易滑动及黏住,且不得有污点及伤痕。结构物及金属件应使用适当强度的材料。有可能触及乘员头部的金属或硬质部件,均应使用能吸收冲击的材料覆盖。金属部分除用耐蚀性材料外,均需进行防腐处理。支持架、固定架及各连接部分等,原则上均应使用能吸收冲击的材料覆盖。

图8-25 有无头枕条件下追尾时驾驶员头部运动

汽车座椅头枕的性能直接影响头枕对乘员头部、颈部的保护作用。

头枕技术规格应满足:位置和尺寸应满足沿平行于躯干基准线测量头枕的顶端到R点的长度,驾驶员座椅为700mm以上,其他座椅为650mm以上。头压点在头枕顶端沿平行于躯干基准线方向向下65mm处或者由R点沿平行于躯干基准线向上635mm处,如图8-26所示。头枕的外形宽度以座椅中心面为对称面,左、右各应宽85mm以上。

图8-26 头枕加载试验原理

头枕按规定的试验方法试验时,将力矩加至373N·m时头型移动量d必须小于102mm;将载荷加至890N·m时,头枕及其安装部件在座椅及靠背等损坏前不能破损或脱落。头枕按规定的试验方法试验时,加给摆锤 (头型)的减速度连续超过80g的时间必须小于3ms。