淺談被動安全系統(tǒng)對汽車安全性能的作用及未來發(fā)展趨勢

謝偉平，穆國寶，何凱欣，董松梅

(廣汽汽車集團乘用車有限公司，廣東廣州 511434 )

0 引言

隨著人們安全意識的提升，汽車的安全性已受到越來越多的重視。對于汽車購買者而言，車輛的安全性是影響購買決策的最重要的考慮因素之一。為了提升汽車的安全性，汽車生產(chǎn)廠家聯(lián)合零部件供應商，在車輛安全性能方面投入大量的精力和資金，用于提升車輛在發(fā)生碰撞時對乘員及行人的保護性能。

汽車被動安全性能可以分為車輛結(jié)構(gòu)的耐撞性和約束系統(tǒng)在碰撞過程中對乘員的保護。通過車身結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)的配合，可以有效降低交通事故中碰撞對乘員的傷害程度或避免傷亡事故。

1 被動安全系統(tǒng)概述

汽車被動安全技術(shù)是汽車在發(fā)生碰撞事故時，通過緩沖吸能等方式有效保護乘員安全的技術(shù)。影響車輛被動安全性能的零部件主要包括車身結(jié)構(gòu)、安全約束系統(tǒng)(安全帶、安全氣囊)、座椅、門鎖等多個分系統(tǒng)，文中將主要從車身結(jié)構(gòu)及安全約束系統(tǒng)兩方面闡述被動安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及在碰撞中分別所起的作用。

2 車身結(jié)構(gòu)對車輛安全性的影響

車身結(jié)構(gòu)與安全約束系統(tǒng)是兩個相互關(guān)聯(lián)、相互匹配的部分。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了乘員和安全約束系統(tǒng)在碰撞時所處的環(huán)境，是保證乘員安全的重要基礎(chǔ)。

車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計、鈑金材料的選擇等是影響車輛安全性能的關(guān)鍵因素。以下以某款車型結(jié)構(gòu)為例，簡要介紹車身結(jié)構(gòu)對車身安全性能的影響。

2.1 前機艙結(jié)構(gòu)

如圖1所示：前機艙采用了較為典型的“木”字形碰撞吸能結(jié)構(gòu)，采用較大截面尺寸的管梁，具有穩(wěn)定的沖擊承載能力，結(jié)合剛度適合的材料，可使結(jié)構(gòu)在受到前部撞擊時穩(wěn)定有序地潰縮。根據(jù)CAE(Computer Aided Engineering)模擬分析，在發(fā)生碰撞的過程中，機艙結(jié)構(gòu)吸能達到60%以上。

2.2 乘員艙結(jié)構(gòu)

乘員艙的設(shè)計則以高強度、高耐撞性為目標。某款車型采用了“六縱五橫”籠式結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，可以兼顧多種碰撞形式；同時選用高剛性材料，顯著降低乘員在碰撞過程中的傷害值。

2.3 側(cè)面結(jié)構(gòu)

汽車側(cè)面的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于車身結(jié)構(gòu)的安全性能同樣重要。發(fā)生側(cè)面撞擊時，側(cè)面受到碰撞的位置結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，同時，如果變形的零件不足以吸收所有的碰撞能量，其余的能量將由該零件引導連接在周圍的其他關(guān)聯(lián)零件發(fā)生變形吸能，不同零件結(jié)構(gòu)的吸能方式、吸能效率差異較大。

為了保證車輛在側(cè)面碰撞中乘員有足夠的生存空間，同時降低側(cè)面碰撞中側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入對乘員造成的傷害，設(shè)計時應考慮降低車輛側(cè)面碰撞中側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量。

3 安全約束系統(tǒng)對車身安全性能的影響

汽車被動安全系統(tǒng)的作用是在碰撞過程中減少對乘員的傷害，而安全約束系統(tǒng)直接與乘員相接觸，其性能直接決定了乘員的受傷害程度?；谡嚱Y(jié)構(gòu)耐撞性，提高安全約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性是提高整車被動安全性能的關(guān)鍵。安全約束系統(tǒng)主要包括安全帶和安全氣囊。

3.1 安全帶

汽車安全帶是安全約束系統(tǒng)的重要組成部分之一，國內(nèi)生產(chǎn)的車型安全氣囊均是作為輔助系統(tǒng)配合安全帶共同使用，起到保護乘員、降低傷害風險的作用。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，佩戴安全帶將使發(fā)生碰撞事故時乘員的傷亡概率大大降低。

安全帶對乘員的保護原理如下：當發(fā)生碰撞事故時，安全帶根據(jù)乘員的姿態(tài)收緊或束縛乘員在座椅上，避免乘員與座椅分離，保護乘員的頭部、胸部不至于向前撞到方向盤、儀表板等零件上，避免乘員受到二次傷害。

3.1.1 零件構(gòu)成

安全帶主要由卷收器、織帶、鎖舌、鎖扣組成，前排安全帶通常帶有導向環(huán)、高調(diào)器等零件。

3.1.2 工作原理

當車輛減速度達到0.45g(或者車輛傾斜角度大于27°)時，敏感鋼球滾動頂起車感臂，車感臂尖與圓盤外齒接觸，圓盤外齒停止轉(zhuǎn)動而芯軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，棘爪沿圓盤外齒上孔的軌跡伸出，鎖在支架齒上；當車輛傾斜角度小于12°時，敏感鋼球不得滾動，卷收器不得鎖止。

當在往織帶拉出方向以大于等于2.0g的加速度拉出織帶時，帶感擺輪相對圓盤外齒轉(zhuǎn)動，尖端卡在右端蓋上，進而圓盤外齒停止轉(zhuǎn)動，棘爪沿圓盤外齒上孔的軌跡伸出，鎖在支架齒上，達到鎖止目的；當以小于0.8g的加速度拉出織帶時，帶感擺輪不得擺起，卷收器不得鎖止。

當卷收器鎖止時在織帶拉出方向加載，力值小于等于14 700 N，卷收器不得破壞而失去鎖止功能。

3.1.3 種類

按照功能劃分，安全帶可分為普通三點式安全帶、限力式安全帶、單預緊安全帶、雙預緊安全帶、主動式安全帶等。

3.1.3.1 普通三點式安全帶

普通三點式安全帶是所有安全帶當中最簡單的一種，具備緊急鎖止功能，多應用于乘用車的后排。普通三點式安全帶卷收器示意圖如圖3所示。

圖3 普通三點式安全帶卷收器示意圖

當發(fā)生碰撞時，安全帶卷收器通過帶感組件或車感組件的作用，使織帶立即處于鎖止狀態(tài)，使乘員不至于與座椅分離。由于碰撞后的減速度較大，織帶鎖止后乘員在慣性的作用下仍有向前傾的趨勢，致使胸部會受到較強的來自織帶的壓力，嚴重時將對胸部造成一定的傷害。鑒于以上原因，需要開發(fā)一種可以降低胸部傷害的安全帶，最簡單經(jīng)濟有效的方法是采用限力式安全帶。

3.1.3.2 限力式安全帶

相對于普通三點式安全帶，限力式增加了限力桿。限力桿(如圖4所示)的作用是：在緊急鎖止后乘員前傾的過程中，由于限力桿的扭轉(zhuǎn)，織帶會慢慢被釋放，而釋放的速度取決于所選的限力桿的規(guī)格力值，需要匹配安全氣囊的充氣時間以及乘員胸部可以承受的壓力等綜合因素來平衡取舍。

限力桿的限力值通常需要根據(jù)CAE分析及實車碰撞的結(jié)果進行匹配調(diào)整。如果限力不穩(wěn)定，當限力值發(fā)生突變低于預設(shè)的目標時，胸部的壓縮量會隨之增大。

3.1.3.3 單預緊式安全帶

單預緊式安全帶相對限力式多了一項預緊功能，通常為肩部預緊。在設(shè)計安全帶時，為了保證乘員在正常行駛過程中的舒適性，通過設(shè)定適當?shù)木砘闪?，使織帶佩戴在乘員身上時不會感覺到太強的束縛感，即預留了一定長度的活動空間。所謂預緊，是指當發(fā)生碰撞時，織帶會迅速回卷一部分，消除安全帶與乘員之間的間隙，以使乘客牢牢地被束縛在座椅上，后續(xù)再通過限力作用慢慢釋放織帶，以使胸壓量維持在一個適當?shù)牧χ怠?/p>

預緊式安全帶的原理。預緊主要通過安全帶卷收器附帶的一個預緊裝置來實現(xiàn)。目前預緊裝置的結(jié)構(gòu)主要分為鋼珠式和齒條式，工作原理都是將化學能轉(zhuǎn)化為動能。以鋼珠式(如圖5所示)為例，根據(jù)安全氣囊控制單元提供的碰撞信號，發(fā)生器爆破產(chǎn)生爆破力，推動鋼球運動，鋼球與傳動齒嚙合，帶動傳動輪轉(zhuǎn)動；傳動銷受到擠壓，使傳動輪和芯軸總成連成一體，傳動輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動芯軸反轉(zhuǎn)使織帶收緊，實現(xiàn)預緊功能。簡單而言，即由火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體作為動力驅(qū)動安全帶卷軸向回收緊織帶。

圖5 安全帶預緊裝置示意圖

由于鋼珠式預緊裝置具備體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，應用較為廣泛。

雙預緊安全帶結(jié)構(gòu)原理與單預緊安全帶類似，除了肩部預緊外，另一個功能為腰部預緊。雙預緊安全帶不僅可以降低乘客在碰撞事故中胸部所承受的壓力，同時通過預緊把腰帶的余量回收，降低了乘客下沉的風險，另外，對于降低乘客臀部位移和大腿承受的壓力也起到一定的積極作用。由于雙預緊安全帶價格較高，通常應用于中高端車型上。

3.1.4 未來發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，安全帶產(chǎn)品更加豐富，功能更加多樣化。某款車型已搭載動態(tài)鎖止鎖舌，功能類似于雙預緊安全帶，在保證安全性的同時，由于取消了錨點預緊器，成本優(yōu)勢明顯，未來有望大量應用于乘用車。

在舒適性方面，目前已開發(fā)出主動式安全帶：在正常行駛過程中，安全帶處于相對松弛的狀態(tài)，減輕乘員束縛感；在車輛檢測到危險情況后，通過信號傳輸，安全帶啟動預緊功能可調(diào)整人員到最接近設(shè)計位置的狀態(tài)，使安全帶及氣囊的配合作用最大化。同時，在乘員打瞌睡、出現(xiàn)坐姿明顯傾斜時，安全帶同樣可以通過預緊來提示乘員，在一定程度上起到避免事故發(fā)生的作用。

3.2 安全氣囊

汽車安全氣囊作為影響汽車被動安全性的重要組成部分，隨著汽車被動安全性能的提升而逐步發(fā)展。氣囊與安全帶的密切配合可大大降低事故發(fā)生時乘員的傷害指數(shù)。

按照不同的保護區(qū)域，氣囊可以分為駕駛員氣囊、副駕駛氣囊、側(cè)氣囊、側(cè)氣簾、膝部氣囊等。正面氣囊可以減輕駕駛員面部的傷害，側(cè)面氣囊則可以很好地保護乘員的頭部和側(cè)面，膝部氣囊主要起保護乘員腿部的作用。根據(jù)目前市面車輛的統(tǒng)計情況，正面氣囊及側(cè)面氣囊已基本普及，而膝部氣囊則多數(shù)應用在較高端車型上。某款高端SUV(Sports Utility Vehicle)車型配備了前排雙膝部氣囊，這在國內(nèi)的量產(chǎn)車型中不多見，大部分配備膝部氣囊的車型均是主駕駛位置。

3.2.1 工作原理

在發(fā)生一次碰撞后、二次碰撞前，瞬間在乘員和汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間打開一個充滿氣體的氣袋，乘員在慣性的情況下身體某個部位撲在氣囊上，然后通過氣袋的排氣孔釋放氣體，在氣體釋放的過程中吸收乘員的動能，達到保護乘員的目的。

碰撞傳感器接收到汽車碰撞強度信息并將其傳給ECU(Electronic Control Unit)，ECU接收信息后進行判斷。當判斷需要打開氣囊時，發(fā)出點火信號觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器點火后迅速產(chǎn)生大量氣體，在乘員與汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間形成一個充滿氣體的氣袋，使乘員在發(fā)生碰撞事故時，身體與柔軟的氣袋相接觸，達到減少傷害、保護乘員安全的目的。

3.2.2 零件構(gòu)成

安全氣囊主要由氣體發(fā)生器、氣袋、碰撞傳感器和控制單元(ECU)組成。

3.2.2.1 氣體發(fā)生器

氣體發(fā)生器有煙火式、壓縮氣體式和混合氣體式3種。壓縮氣體式由于產(chǎn)氣量少、充氣速度慢等特點，應用較少。煙火式氣體發(fā)生器(剖視圖如圖6所示)通過燃燒火藥產(chǎn)生大量氣體，充氣迅速，應用較多。由于燃燒導致發(fā)生器殼體瞬間溫度非常高(500～900 ℃)，高溫將使氣袋被熔融，設(shè)計時氣袋與發(fā)生器接觸的位置需要增加隔熱布，根據(jù)發(fā)生器溫度的高低確定需要隔熱布的層數(shù)。火藥材料通常為硝酸銨或硝酸胍。硝酸銨長時間放置受潮后易從藥片變成粉末，導致燃燒時能量瞬間增大，存在發(fā)生器殼體被炸裂、金屬飛濺物飛出導致傷人的危險，市場已有車型由于上述原因而召回。硝酸胍是通過硝酸銨和雙氰胺反應而成，受潮后會發(fā)生結(jié)塊，制作工藝比硝酸銨復雜，導致硝酸銨與硝酸胍價格差異較大。

圖6 煙火式氣體發(fā)生器剖視圖

混合式發(fā)生器是用少量的燃燒劑產(chǎn)生熱量，使壓縮氣體迅速膨脹產(chǎn)生大量氣體充滿氣袋。相對而言，混合式發(fā)生器由于產(chǎn)生氣體的主要成分為壓縮氣體，產(chǎn)生的熱量較低，但發(fā)生器體積相對煙火式稍大。由于布置的原因，目前主要應用在側(cè)氣簾上。不同溫度下氣體發(fā)生器壓力曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下氣體發(fā)生器壓力曲線圖

3.2.2.2 氣袋

安全氣囊的氣袋是一個以化學纖維作為原材料進行織造、根據(jù)使用位置及保護區(qū)域確定尺寸后進行縫制的囊袋。由于尼龍具有耐高溫、阻燃性好、拉伸強度高等特點，目前被廣泛應用作為氣袋的面料纖維。同時，由于PA66比PA6具有更優(yōu)良的性能，PA6已逐漸被PA66取代。隨著氣囊研發(fā)技術(shù)的進步，新研發(fā)出來的PC、PET等成本相對較低的材料，也有應用在氣袋上。根據(jù)氣囊被沖開時氣體的溫度和展開時間，需要考慮是否在氣袋上增加涂層，通常采用硅膠作為涂層的材料。增加涂層后，氣袋的空氣透過率將大大降低，需要根據(jù)系統(tǒng)匹配氣袋的排氣速度。

氣袋通常具有2個或者多個排氣孔，用于在囊袋展開到最大后，根據(jù)乘員的姿態(tài)，在適當?shù)臅r間內(nèi)排出囊袋內(nèi)的氣體，起到吸能和緩沖乘員的碰撞強度的作用。通過調(diào)整排氣孔的大小調(diào)整氣體排出的速度。通常而言，囊袋在展開到最大時，乘員的頭部應剛好接觸氣囊，同時開始排氣，排氣過程中頭部始終貼緊氣袋。

3.2.2.3 碰撞傳感器

電子式傳感器主要有壓電式、壓阻式和電容式。壓電式由質(zhì)量塊、彈簧及壓電晶體組成，當晶體承受壓力時，便輸出電荷量。壓阻式由在硅梁上制成的硅片電阻構(gòu)成橋路，硅梁振動時，橋路中電阻變化而引起輸出電壓變化。電容式由硅柵組成的電容極板組成，硅柵振動時，引起電容變化。

3.2.2.4 控制單元

氣囊控制單元是整個氣囊系統(tǒng)的核心部件，它需要準確判斷出正碰、偏置碰、側(cè)碰、撞樹等各種復雜情況的碰撞強度，收集信息并及時點爆氣囊。

3.2.3 未來發(fā)展趨勢

目前車輛已普遍配置正面雙氣囊，在發(fā)生正面碰撞時可起到降低乘員傷害的風險；隨著C-NCAP(China-New Car Assessment Program)規(guī)則的不斷升級，未來側(cè)面氣囊有望成為乘用車的標配；同時側(cè)氣簾的保護區(qū)域?qū)⑦M一步加大，往前延伸到A柱飾板，對于含有三排座椅的車型，氣簾的保護區(qū)域?qū)⑿枰采w到最后一排乘客。

由于乘員體型各異、乘坐在不同的座椅位置，氣囊在展開過程中，乘員接觸到氣袋的時間會存在細微的差異，不僅影響約束系統(tǒng)的保護效果，甚至存在傷害到乘員的風險。針對以上問題，采用雙極氣囊可有效解決不同距離的點爆時間及點爆數(shù)量。目前已在國外廣泛應用，不久的將來可望在國內(nèi)逐步導入。

4 結(jié)論和展望

被動安全系統(tǒng)是一套復雜的體系，在新車型的研發(fā)過程中，需要通過CAE分析、滑臺試驗、實車碰撞試驗、標定等進行多個數(shù)據(jù)的采集、分析、整理，找出適合所開發(fā)車型的最優(yōu)匹配方案。只有各個子系統(tǒng)協(xié)同工作，才能發(fā)揮最大的保護作用。

隨著科學技術(shù)的不斷進步，車輛的安全性能也將越來越高。除了汽車被動安全系統(tǒng)的性能提升，在主動安全系統(tǒng)方面，各主機廠和零部件廠商也在加緊進行研發(fā)和突破，包括ESC(Electronic Stability Controller)、主動剎車系統(tǒng)等，已越來越多地應用于新型乘用車上。