汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的研究

陳泰吉 李賽 鄭忠輝

摘 要：隨著汽車越來(lái)越多，交通事故不可避免，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)致駕駛員受傷的主要部件。為研究汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害，本文以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11557-2011為依據(jù)，詳述了試驗(yàn)方法及注意事項(xiàng)，并通過(guò)多次碰撞試驗(yàn)，研究了撞擊位置、安全氣囊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度等因素對(duì)駕駛員所受傷害的影響，最后給出了減少傷害的建議。

關(guān)鍵詞：碰撞;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);駕駛員;傷害

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車越來(lái)越多，交通事故的發(fā)生也不可避免。有研究表明：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)致駕駛員受傷的主要部件，造成的傷害占比近乎50%。因此，分析研究汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害十分必要，關(guān)乎著駕駛員的生命安全。在駕駛員與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的碰撞過(guò)程中，決定駕駛員受傷害程度的主要因素是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的吸能特性，而轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的吸能方式主要有：方向盤(pán)的變形、安全氣囊吸能、轉(zhuǎn)向管柱的潰縮吸能等，因此，影響汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的因素有：撞擊位置、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度等。

關(guān)于汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11557中有明確規(guī)定：人體上身模塊以24.1～25.3km/h的速度撞擊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，受到的最大水平力不超過(guò)11123N;人體頭型以24.1～25.3km/h的速度撞擊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，最大減速度不超過(guò)120g，累積3ms的減速度不超過(guò)80g。本文中以標(biāo)準(zhǔn)GB 11557-2011為依據(jù)，開(kāi)展人體上身模塊撞擊試驗(yàn)和人體頭型撞擊試驗(yàn)，以人體上身模塊受到的最大水平力以及人體頭型的最大減速度作為評(píng)價(jià)駕駛員受傷害大小的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析撞擊位置、安全氣囊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度等對(duì)駕駛員受傷害的影響。對(duì)比試驗(yàn)采用某種型號(hào)的3幅式方向盤(pán)，這種結(jié)構(gòu)方向盤(pán)在家用車型市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛，具有一定的代表性，該型號(hào)方向盤(pán)示意圖見(jiàn)圖1。根據(jù)3幅式方向盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般稱‘P1點(diǎn)為軟點(diǎn)，‘P3點(diǎn)為硬點(diǎn)（下文直接稱為軟點(diǎn)和硬點(diǎn)）。

2 試驗(yàn)方法

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB 11557-2011中的規(guī)定進(jìn)行人體上身模塊撞擊試驗(yàn)和人體頭型撞擊試驗(yàn)，主要要求見(jiàn)表2-1。

2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以安裝在模擬轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝的構(gòu)架上進(jìn)行試驗(yàn)，但是與實(shí)際的“前半截車身/轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)”總成相比，該“構(gòu)架/轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)”總成應(yīng)滿足兩點(diǎn)要求：一是有相同的幾何外形、結(jié)構(gòu)，二是剛度更大。實(shí)際試驗(yàn)均采用此種方式，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安裝步驟如下：

（1）借助對(duì)準(zhǔn)激光完成模擬構(gòu)架的位置對(duì)中，然后固定;

（2）放置轉(zhuǎn)向管柱到模擬構(gòu)架上，借助對(duì)準(zhǔn)激光完成位置對(duì)中，然后固定;

（3）借助角度尺，用模擬構(gòu)架上的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)將管柱角度調(diào)整到規(guī)定值;

（4）安裝轉(zhuǎn)向盤(pán)和氣囊;

（5）在撞擊位置貼標(biāo)識(shí)。

2.2 設(shè)備的調(diào)整

2.2.1 人體上身模塊撞擊試驗(yàn)

由表2-1可知，該項(xiàng)試驗(yàn)的撞擊方式為自由飛行、水平撞擊，因此將人體上身模塊直接安裝到發(fā)射推桿上即可，無(wú)需導(dǎo)向裝置。人體上身模塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：由推桿推動(dòng)加速到設(shè)定值-與推桿脫離后進(jìn)入自由飛行-與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞，因此在發(fā)射前，人體上身模塊與轉(zhuǎn)向盤(pán)下邊緣外側(cè)的距離為S=X+P，其中X為自由飛行的距離，P為加速的距離，詳見(jiàn)圖2。

為了模擬實(shí)車中的碰撞情形，試驗(yàn)要求當(dāng)人體上身模塊接觸到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的瞬間，通過(guò)假人H點(diǎn)的水平面應(yīng)該與通過(guò)座椅R點(diǎn)的水平面相重合，也就是撞擊接觸的瞬間人體上身模塊是位于實(shí)車中駕駛員正常乘坐的位置上，且撞擊點(diǎn)應(yīng)位于轉(zhuǎn)向盤(pán)的中心平面。由于人體上身模塊在自由飛行過(guò)程中受重力作用而產(chǎn)生下降，為了保證上述重合要求，發(fā)射前人體上身模塊H點(diǎn)的位置必須高于R點(diǎn)，高出的距離為Δh=gt2，其中t為自由飛行的時(shí)間，可由公式t=求出，V為設(shè)定的飛行速度值。

對(duì)于裝有安全氣囊的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如果引爆氣囊，還需考慮氣囊的膨脹距離和引爆時(shí)刻，撞擊時(shí)人體上身模塊與氣囊的接觸點(diǎn)應(yīng)該為氣囊的最大膨脹點(diǎn)，過(guò)早或過(guò)晚接觸氣囊都不能發(fā)揮氣囊最佳的保護(hù)作用，甚至?xí)捎跉饽业谋?duì)人體產(chǎn)生二次傷害。

為了得到人體上身模塊受到的水平力值，在模塊后背靠近質(zhì)心的位置貼了加速度傳感器，在得到加速度值后，根據(jù)F=ma求得力值。此外，還可通過(guò)對(duì)加速度值的積分來(lái)得到人體上身模塊與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)接觸時(shí)的速度值。

2.2.2 人體頭型撞擊試驗(yàn)

由表2-1可知，該項(xiàng)試驗(yàn)的撞擊方式為全程直線導(dǎo)向、垂直撞擊，因此需要安裝導(dǎo)向裝置。人體頭型在碰撞過(guò)程不會(huì)因外力產(chǎn)生偏離現(xiàn)象，只需發(fā)射前確認(rèn)頭型中心點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)即可，撞擊示意圖如圖3所示。

現(xiàn)在的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中大多采用可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱，當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)受到撞擊后，管柱有可能產(chǎn)生潰縮，并且轉(zhuǎn)向盤(pán)可能會(huì)產(chǎn)生變形，因此試驗(yàn)時(shí)必須考慮潰縮變形段的距離L。不引爆氣囊的情況下，人體頭型在導(dǎo)向裝置中的運(yùn)動(dòng)距離為加速距離、飛行距離、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)潰縮變形段距離L之和，當(dāng)設(shè)定加速距離和飛行距離時(shí)，必須保證人體頭型在導(dǎo)向裝置中的運(yùn)動(dòng)距離不能超過(guò)其可以運(yùn)動(dòng)的極限值，否則會(huì)因人體頭型與導(dǎo)向裝置發(fā)生剛性接觸導(dǎo)致減速度瞬間升高，這不僅影響測(cè)量結(jié)果還有可能損壞設(shè)備。一般L段根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置在50mm～100mm之間，若設(shè)備導(dǎo)向距離足夠長(zhǎng)可以更大些。同樣，對(duì)于裝有安全氣囊的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如果引爆氣囊，還需考慮氣囊的膨脹距離和引爆時(shí)刻。

3 汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的影響因素分析

除轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)造成的影響外，撞擊位置、安全氣囊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度都會(huì)帶來(lái)不同程度的影響。

3.1 人體上身模塊撞擊試驗(yàn)中影響因素分析

3.1.1 撞擊位置的影響

在實(shí)際碰撞發(fā)生時(shí)，由于緊張、恐慌等因素，駕駛員可能出現(xiàn)急打方向的情況，因此駕駛員與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的撞擊位置是不確定的。本次試驗(yàn)選擇撞擊硬點(diǎn)和軟點(diǎn)兩個(gè)特殊的位置，為排除其它因素的影響，采用相同型號(hào)同一批次的樣件，其余參數(shù)均相同，詳見(jiàn)表3-1。

試驗(yàn)后得到的加速度曲線及計(jì)算的力值曲線（加速度g取9.8m/s2）如圖4，撞擊硬點(diǎn)時(shí)的最大水平力為6929N，撞擊軟點(diǎn)時(shí)的最大水平力為4298N，可知軟點(diǎn)處的力值更小一些。

3.1.2 氣囊的影響

本次試驗(yàn)選擇相同型號(hào)同一批次的樣件，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3-2。

試驗(yàn)后得到的加速度曲線及計(jì)算的力值曲線（加速度g取9.8 m/s2）如圖5，氣囊引爆時(shí)的最大水平力為6689N，氣囊未引爆時(shí)的最大水平力為10702N，增加了約60%。由此可見(jiàn)，氣囊能對(duì)駕駛員起到很好的保護(hù)作用，然而在一些低端車型中并未安裝氣囊，還有一些車在碰撞時(shí)出現(xiàn)了氣囊未彈出的情況，這都對(duì)駕駛員的安全造成了不利影響。值得指出的是，如果人體接觸氣囊時(shí)其正處于加壓膨脹階段，則由于氣囊膨脹力的作用會(huì)帶來(lái)更大傷害;如果人體接觸氣囊時(shí)其已處于減壓放氣階段，則對(duì)人的緩沖保護(hù)作用將大大減小;所以理想狀態(tài)是人體與氣囊接觸時(shí)正好是氣囊膨脹到最大時(shí)，這樣才能發(fā)揮氣囊的最佳保護(hù)作用，這也是整車整個(gè)約束系統(tǒng)的匹配中必須做到的一點(diǎn)。

3.1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)角度的影響

本次試驗(yàn)選擇相同型號(hào)同一批次的樣件，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3-3。

試驗(yàn)后得到的加速度曲線及計(jì)算的力值曲線（加速度g取9.8m/s2）如圖6，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)角度為28°時(shí)的最大水平力為6414N，角度為22°時(shí)的最大水平力為7820N，增加了1406N。

綜上，碰撞時(shí)對(duì)人體上身模塊的水平力影響最大的為氣囊，因此給車輛安裝安全氣囊并保證氣囊在膨脹到最大時(shí)與人體接觸是保護(hù)駕駛員的最有效措施。

3.2 人體頭型撞擊試驗(yàn)中影響因素分析

3.2.1 撞擊位置的影響

本次試驗(yàn)選擇相同型號(hào)同一批次的樣件，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3-4。

試驗(yàn)后得到的加速度曲線如圖7，撞擊點(diǎn)為硬點(diǎn)時(shí)的最大加速度為38.5g，撞擊點(diǎn)為軟點(diǎn)時(shí)的最大加速度為30.5g，撞擊點(diǎn)為中心點(diǎn)時(shí)的最大加速度為22.6g?？梢钥闯?，撞擊中心點(diǎn)位置時(shí)的加速度最小，這主要是因?yàn)橹行狞c(diǎn)位置的氣囊比其余地方厚，可以起到更好的緩沖作用。

3.2.2 氣囊的影響

本次試驗(yàn)選擇相同型號(hào)同一批次的樣件，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3-5。

試驗(yàn)后得到的加速度曲線如圖8，引爆氣囊時(shí)的最大加速度為25.5g，未引爆氣囊時(shí)的最大加速度為60g。可以看出，引爆氣囊時(shí)的最大加速度明顯小于未引爆氣囊時(shí)，這是因?yàn)闅饽移鸬搅撕芎玫木彌_作用。另外，不引爆氣囊時(shí)人體頭型會(huì)撞到方向盤(pán)中心部位的車標(biāo)，而車標(biāo)一般都比較硬，這會(huì)導(dǎo)致人體頭型的最大加速度明顯增大。

綜上，碰撞時(shí)對(duì)人體頭型的加速度影響最大的為氣囊。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可知，撞擊位置、安全氣囊和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度等因素都會(huì)對(duì)駕駛員所受傷害帶來(lái)不同程度的影響。相對(duì)而言，安全氣囊的影響最大，因此建議汽車廠家在出廠時(shí)盡可能保證所有車型都配備有安全氣囊，并且做好質(zhì)量管控，不僅要保證氣囊能在碰撞時(shí)彈出，還要保證人體與氣囊接觸時(shí)正好是氣囊膨脹到最大時(shí)，以發(fā)揮最佳保護(hù)作用。另外，如果碰撞時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了尖角，這有可能對(duì)駕駛員造成更深的傷害，這是需要在設(shè)計(jì)階段就避免的問(wèn)題。安全問(wèn)題是人類永恒關(guān)注的主題之一，希望汽車在給我們帶來(lái)便捷的同時(shí)，也能保證住真正安全。

參考文獻(xiàn)：

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