能量轉(zhuǎn)換在汽車安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

顏競(jìng)一

（湖南省長(zhǎng)沙市第一中學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

1 安全帶與負(fù)載限制器對(duì)汽車安全的作用

我們對(duì)小型汽車進(jìn)行正面撞擊測(cè)試， 以固定的參照物為坐標(biāo)，知小型汽車初始速度是每秒18.7m，在前排的駕駛員和儀表盤的距離是0.55m。 分析可知，當(dāng)小汽車的遞減速率和乘客的變動(dòng)速率一致時(shí)，乘客最為安全，如果汽車的減速負(fù)荷平均分配到乘客身上， 那么乘客是安全的。我們也可以分析安全帶的作用。從圖1 中可看到未系安全帶的乘客胸部速度的變化情況。 乘客一直和小型轎車的速度保持一致，直到乘客的胸部和汽車相接觸，乘客的速度才降至和汽車儀表盤速度相同， 這種撞擊是十分危險(xiǎn)的，不僅撞擊力量強(qiáng)大而且空間分布不均。 對(duì)于系有安全帶未裝負(fù)載限制器的乘客， 可以看到系安全帶可避免乘客與車體接觸。

現(xiàn)在很多車輛都加裝了負(fù)載限制器。 從系安全帶且加裝負(fù)載器的曲線可以看出， 一旦負(fù)載器感知到汽車突然減速就會(huì)主動(dòng)收緊松弛的安全帶， 讓乘客在汽車減速前提前減速，預(yù)警器和安全氣囊使用一個(gè)傳感器[1]。 負(fù)載器使用觸發(fā)裝置讓安全帶收緊，觀察負(fù)載限制器，它像一個(gè)夾子一樣把可折疊的安全帶控制住， 當(dāng)外力達(dá)到6000牛的時(shí)候會(huì)突然打開， 這樣可以避免因安全帶過(guò)度收緊而導(dǎo)致乘客胸部受傷。 當(dāng)外力大于負(fù)載限制器的負(fù)載時(shí)，安全帶放松，限制安全帶對(duì)乘客的壓力，保護(hù)乘客安全。安全帶的使用是汽車安全設(shè)計(jì)中最為有效的被動(dòng)安全措施，當(dāng)危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)，能保障乘客的安全。

圖1 汽車正面碰撞后速度變化情況

下面我們來(lái)看看側(cè)面撞擊和正面撞擊的不同， 側(cè)面撞擊后乘客會(huì)向側(cè)方移動(dòng)， 安全帶也無(wú)法阻止這種側(cè)向移動(dòng)。 從圖2 可以看出，小型汽車總的側(cè)向加速度開始時(shí)候是10g，在撞擊后對(duì)駕駛員的沖擊力突然升高，加速度達(dá)1000g。 如果這樣的撞擊時(shí)間比較短，在幾毫秒內(nèi)，不會(huì)對(duì)乘客產(chǎn)生危害，但是若這個(gè)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)20 毫秒，將對(duì)乘客造成致命傷害。

圖2 汽車側(cè)面碰撞后速度變化情況

2 汽車重量與安全性的關(guān)系

在撞擊測(cè)試中， 我們?cè)谄嚭统丝蜕砩隙挤胖昧思铀賯鞲衅鳎?加速傳感器提供了在交通事故中難以獲得的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在匯總后可以提供給汽車生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)廠家根據(jù)數(shù)據(jù)模型研發(fā)出更加安全可靠的汽車。 從近期交通事故的傷亡調(diào)查中可以看出， 汽車箱體的擠壓是致死率最高的原因，所以汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，車廂設(shè)計(jì)是最為重要的關(guān)鍵步驟。

值得我們關(guān)注的另一種情況是一輛車的碰撞測(cè)試是否和兩輛車相互碰撞的結(jié)果一致。 在這種測(cè)試中必須要考慮到不同車輛的不同屬性， 可以從相互吸能的角度考慮，在能量相互傳遞的過(guò)程中，汽車結(jié)構(gòu)將較多的能量吸收，汽車箱體得以保持原有狀態(tài)，保護(hù)乘客安全。 在這個(gè)測(cè)試中， 還可以得出這樣的結(jié)論， 如果兩個(gè)小型汽車以112 千米每小時(shí)的速度相撞， 理論上不管汽車的質(zhì)量如何，都可以安全地消耗掉因?yàn)樽矒舳a(chǎn)生的動(dòng)能。 這個(gè)是理想狀態(tài)但實(shí)際情況是非常復(fù)雜的。 如果一輛汽車的車頭強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一輛汽車， 強(qiáng)度低的汽車不可能吸收很多能量，造成箱體變形，進(jìn)而威脅乘客的安全。 還有就是如果汽車車頭的材質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)也不同，相撞的汽車不能同時(shí)吸收能量， 威脅乘客安全。 所以在制造汽車的時(shí)候， 要重視車頭的吸能情況， 可以加裝前保險(xiǎn)杠防撞鋼梁，使汽車更好地吸能。

根據(jù)能量守恒定律， 如果一輛汽車的總質(zhì)量小于另一輛汽車的總質(zhì)量， 總質(zhì)量較輕的汽車會(huì)在碰撞中會(huì)遭受更大的傷害。 如果要保持乘客的安全，人體最大能夠承受的加速度是30g，要在兩輛相撞的汽車內(nèi)保持雙方的乘客安全， 就必須把兩輛汽車的總質(zhì)量比控制在1:6 之內(nèi)，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造小型汽車時(shí)， 應(yīng)將它的總質(zhì)量控制在1 到1.6 噸之間。 如果一輛小型汽車和輕型卡車相撞，不能保證小型汽車的安全，因?yàn)樗麄兊目傎|(zhì)量之比已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了1:6 這個(gè)范圍。

汽車的穩(wěn)定性和安全性是成正比的， 汽車的總質(zhì)量和穩(wěn)定性也是成正比的， 那是不是說(shuō)汽車的總質(zhì)量越大它的安全性就越好呢？ 總質(zhì)量較大的汽車通常車體的體積也是比較大的，因?yàn)橛懈嗟臐⒖s空間，可以保障乘客的安全。

圖3 小型汽車遭不同類型正面撞擊后死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

上圖所示是一輛小型汽車司機(jī)遭受圖中類型正面撞擊后小型汽車駕駛員死亡人數(shù)， 可以發(fā)現(xiàn)隨著主動(dòng)撞擊車輛總質(zhì)量不斷上升，小型車的死亡人數(shù)也不斷上升。 對(duì)于小型轎車來(lái)說(shuō)，皮卡的撞擊是致命的，因?yàn)槠たê蚐UV車型的車頭的兩道防撞鋼梁的高度正對(duì)小型車駕駛員車廂側(cè)方， 對(duì)小型車駕駛員有致命的傷害。 所以現(xiàn)在很多SUV 車型上加裝了底盤自動(dòng)升降， 當(dāng)在越野路面行駛時(shí)提升底盤，當(dāng)在普通路面行駛時(shí)降低底盤，這種設(shè)計(jì)不僅可以降低油耗，提高穩(wěn)定性，而且使被撞車輛的死亡率降低了11%。

3 車體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的關(guān)系

在汽車事故中翻車事故死亡率居高不下， 盡管現(xiàn)在越來(lái)越多的汽車加裝了電子穩(wěn)定系統(tǒng)， 但是還是要對(duì)汽車結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進(jìn)行討論。

在怎么樣的情況下汽車會(huì)發(fā)生側(cè)翻呢？ 在公路上，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)有離心力出現(xiàn)， 相對(duì)汽車中心的縱向軸作用在汽車左前輪的力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的翻滾的力矩mha（h 是汽車重心的高度、t 是軸距、g 是重力加速度、a 是汽車的速度），汽車自重也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的力矩mgt/2，當(dāng)加速度超過(guò)穩(wěn)定系數(shù)t/2h 時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。 為了更好地進(jìn)行研究分析，把汽車看作一個(gè)剛體，這個(gè)剛體的質(zhì)量是m，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)動(dòng)前輪時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的力F，它的加速度是a=f/m。這個(gè)加速度與汽車本身的速度和轉(zhuǎn)彎半徑相關(guān)，在一般直路上，如果發(fā)生了翻車事故，一定是內(nèi)測(cè)的輪胎與地面分離，用數(shù)學(xué)公式可以表示為a/g=t/2h，所以我們把t/2h 稱為汽車的穩(wěn)定系數(shù)。 可以看到穩(wěn)定系數(shù)和車的重心高度息息相關(guān)， 小型汽車的穩(wěn)定系數(shù)可以達(dá)到1.2 以上，SUV 和皮卡的穩(wěn)定系數(shù)在1.0到1.2 之間。 當(dāng)然汽車的側(cè)翻和路面的摩擦系數(shù)、車身重力、支持懸掛都有緊密聯(lián)系。 設(shè)計(jì)汽車時(shí)，想加大汽車的穩(wěn)定性，可以加大t 值，減小h 值，即降低底盤高度和增加車身總質(zhì)量。

［1］林喆.談?wù)勂嚠a(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)［J］.美術(shù)教育研究，2014（15）：15-17.