汽車主被動安全性的改善方法研究

裘臻 包崇美

摘 要：通過分析總結(jié)汽車事故發(fā)生的各個因素，從主動安全性和被動安全性兩個方面提出改進(jìn)措施，從主動安全性方面，通過對事故發(fā)生時間的分析，得出事故判別時間越早，越容易減低事故的發(fā)生概率，由此提出優(yōu)化制動系統(tǒng)和駕駛安全性的一系列方法;在被動安全性方面，通過分析事故發(fā)生部位和碰撞位置，提出優(yōu)化汽車正面碰撞結(jié)構(gòu)和縮短安全氣囊響應(yīng)時間的方法。

關(guān)鍵詞：主動安全性 被動安全性 事故判別時間 優(yōu)化方法 正面碰撞

1 引言

從2000年到2020年是中國汽車發(fā)展歷史爆發(fā)期，汽車制造量和保有量都穩(wěn)居世界第一[1]，汽車廠商和消費(fèi)者不僅在燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車可靠性上提出了更高的要求，也對汽車的安全性提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，本文通過從主動安全性和被動安全性兩個方面分析汽車安全性的改進(jìn)措施，在主動安全性方面，從制動系統(tǒng)、駕駛安全性提出改進(jìn)措施;在被動安全性方面，從碰撞保護(hù)裝置。安全氣囊等方面提出改進(jìn)措施。

2 主動安全性改進(jìn)措施

2.1 汽車事故原因分析

汽車的駕駛過程可以解釋為從駕駛員、汽車、外界環(huán)境三者構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，而綜合所有的汽車事故分析，80%-90%的汽車事故是駕駛員失誤操作造成的[2]，在汽車中加入電子控制系統(tǒng)可以有效降低駕駛員失誤產(chǎn)生的事故。

如圖1所示是駕駛員判別時間和事故發(fā)生關(guān)系圖，從圖中我們可以看出，若駕駛員能提前0.5s判別事故發(fā)生并及時做出反應(yīng)，則可以有效降低60%的追尾碰撞事故、50%的橫交碰撞事故以及30%的前頭碰撞事故;若能夠提前至2S則接近98%的汽車事故都可以避免，當(dāng)駕駛員遇到緊急時刻無法做出及時措施時，電子控制系統(tǒng)就可以協(xié)助汽車做出反應(yīng)。

目前，加入到汽車中的電子控制系統(tǒng)主要是提升駕駛員駕駛舒適度和乘車娛樂性的，主要可以分為兩類：（1）協(xié)助汽車故障檢測與診斷的車載自診斷系統(tǒng)[3]（OBD）、用于汽車信息傳遞和通訊的CAN總線[4]，用于查看車況和娛樂的車前中控。（2）應(yīng)用于汽車安全性的電子系統(tǒng)，包括制動防抱死系統(tǒng)[5]（ABS）、氣囊與安全帶張緊系統(tǒng)、汽車牽引力控制系統(tǒng)[6]（TCS）、驅(qū)動防滑系統(tǒng)[7]（ASR）等等。

綜合上面的分析可以看出想要改善汽車的主動安全性，可以從制動系統(tǒng)、駕駛安全性兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 自動剎車輔助系統(tǒng)（AEB）

在2014年歐盟出臺相關(guān)安全性規(guī)定，要求在2014年之后生產(chǎn)的汽車都必須安裝AEB系統(tǒng)才能通過安全性測試，該系統(tǒng)主要由測距模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個部分組成，測距模塊是整個系統(tǒng)的核心元件由微波雷達(dá)、機(jī)器視覺處理元件、視頻系統(tǒng)組成，AEB的主要作用有兩個，第一個作用是與前車距離達(dá)到安全預(yù)警距離時發(fā)出警報提醒駕駛員及時剎車;第二個作用是在駕駛員沒有及時剎車時執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動緊急剎車，AEB需要根據(jù)不同的行車情況進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，主要分為兩類，城市道路行車、高速公路行車。在城市道路行車安全距離范圍在5-8m，安全行駛速度小于20KM/h，在行車過程中微波雷達(dá)不間斷地測量與前車的距離，當(dāng)小于行車安全距離時，系統(tǒng)就會發(fā)出預(yù)警，在駕駛員未反應(yīng)及時剎車時執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動自動緊急剎車;在高速公路AEB只會在行車速度在50-80KM/h時才會啟動，并且安全距離設(shè)置一般在150-200m這個范圍內(nèi)。

2.3 車道保持輔助系統(tǒng)（LKA）/車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDW）

這兩個系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同但是都是用于修正車道偏離的，總體上來說駕駛控制性較差的汽車上在高速行駛時更容易出現(xiàn)車道偏離，LKA由車道識別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳遞模塊三部分組成，車道識別模塊通過安裝在車前的攝像頭拍攝識別道路標(biāo)示線，在直道行駛時標(biāo)示線的位置不會發(fā)生太大程度地改變，數(shù)據(jù)處理模塊會不斷采集計算這些數(shù)據(jù)，當(dāng)標(biāo)示線出現(xiàn)較大程度地偏離時，LKA會將數(shù)據(jù)傳遞給ECU，ECU通過控制EPS實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向，修正車道的偏離，LKA只會在汽車直線行駛時才會啟動，在汽車轉(zhuǎn)向時會進(jìn)入休眠狀態(tài)。LDW由數(shù)據(jù)采集和處理模塊和預(yù)警模塊組成，其工作原理與LKA相似但是在車道偏離時只會發(fā)出警報提醒駕駛員不會主動進(jìn)行修正。

2.4 自動泊車系統(tǒng)（APS）

在光照環(huán)境惡劣的地下停車場，對于駕駛能力不強(qiáng)的駕駛員在停車時可能會出現(xiàn)碰撞其它車輛的情況，這屬于一類特殊的汽車事故，汽車中采用APS系統(tǒng)可以有效解決這類問題，APS由泊車?yán)走_(dá)、ECU、控制系統(tǒng)三個部分組成，在需要停車時將汽車停在前車旁邊，汽車擋位切換為倒擋，駕駛員不用控制方向盤APS的控制系統(tǒng)會接管方向盤和EPS，方向盤調(diào)整為倒車方向，EPS調(diào)整車輛轉(zhuǎn)向角度，在汽車已經(jīng)倒退到合適位置時，APS會發(fā)出提示音告知駕駛員調(diào)整擋位為前進(jìn)擋，APS調(diào)整車輪，將汽車位置擺正完成泊車流程。

以上分析的四個系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用對于汽車的主動安全性具有極大的提升，AEB可以改善汽車在緊急狀況下的制動安全性;LKA＼LDM可以改善汽車的行駛安全性;APS可以改善汽車的泊車安全性。

3 被動安全性改進(jìn)措施

3.1 被動安全性分析[8]

在主動安全性設(shè)施完備以及駕駛員盡量努力的前提下，仍然會發(fā)生交通事故，這里就需要提高被動安全性用來降低交通事故的危險等級，被動安全性的目標(biāo)首要的是保護(hù)駕駛員和乘客的人身安全;其次是保護(hù)車身安全;最后是保護(hù)環(huán)境不被污染。

發(fā)生交通事故的大部分碰撞位置都位于汽車前方，發(fā)生事故的車輛類型大多為普通轎車。在提升汽車被動安全性方面具有兩方面的要求：對于內(nèi)部被動安全性方面，需要使汽車內(nèi)部具有較大的機(jī)械強(qiáng)度，在發(fā)生外部碰撞時，汽車內(nèi)部依然能保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并且通過安全帶拉緊系統(tǒng)和安全氣囊使駕駛員仍然保持原來的位置;對于外部被動安全性方面，主要是提升汽車前方的碰撞形變抵抗能力，在正向前方碰撞時盡量減少對汽車內(nèi)部的影響，所以可以從碰撞保護(hù)裝置安全氣囊兩方面提高汽車被動安全性。

3.2 碰撞安全保護(hù)裝置

在中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）測試中，某款車型汽車在正面40%偏置碰撞試驗(yàn)中表現(xiàn)不是很好，A柱有變形的情況，乘員胸部、腿部等部位受傷害嚴(yán)重，被動安全設(shè)計需要進(jìn)一步改進(jìn)。汽車正向碰撞的主要承載路徑有三條：（1）前端抗撞橫梁-縱梁-縱梁延伸梁;（2）上端縱梁-A柱-上端頂梁;（3）車架-縱梁地板延伸-中央通道。本文主要分析第一條承載路徑，該路徑也是發(fā)生碰撞時主要的受力路徑，吸能梁最先出現(xiàn)彎折形變，抗撞前梁基本能保持總體的結(jié)構(gòu)特征，前縱梁后端發(fā)生形變十分嚴(yán)重，抗彎折能力需要提高，所以加強(qiáng)碰撞結(jié)構(gòu)的總體機(jī)械強(qiáng)度的途徑是加強(qiáng)前縱梁后端的抗形變能力，依照這個思路，將原有的前縱梁前端的支撐結(jié)構(gòu)移動到后端。

3.3 安全氣囊優(yōu)化設(shè)計

安全氣囊作為汽車碰撞過程中駕駛員的最終安全保護(hù)措施，必須要保證安全氣囊充氣時間短，瞬態(tài)響應(yīng)效果良好，在駕駛員和方向盤之間構(gòu)成柔性沖擊等要求，安全氣囊的工作原理是在汽車發(fā)生激烈碰撞時，方向盤內(nèi)部的氣囊袋在高溫高壓氣體的作用下迅速脹起形成氣墊，保護(hù)駕駛員的頭部和胸部，在駕駛員壓向氣囊袋后，氣囊袋的排氣孔通過慣性作用排氣，使駕駛員承受的是柔性沖擊，而不是直接撞擊儀表盤或擋風(fēng)玻璃。

影響安全氣囊響應(yīng)的參數(shù)有很多，本文選擇從氣囊直徑、排氣孔直徑、氣流率三個參數(shù)分析優(yōu)化安全氣囊設(shè)計，如表4所示是三個參數(shù)的初步設(shè)定值，通過排列組合的方式設(shè)置三個參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果是110%的氣囊直徑、110%的排氣孔直徑、110%的氣流率的安全氣囊安全性最高。

4 結(jié)語

從主動安全性和被動安全性兩個方面分析提高汽車安全性的方法，從主動安全性方面，分析總結(jié)出提高汽車的自動化控制程度可以有效提升事故發(fā)生反應(yīng)時間，從制動系統(tǒng)、安全性駕駛兩個方面提出自動化控制方法。從被動安全性方面，主要分析了汽車正面碰撞傷害降低的方法，從車前碰撞結(jié)構(gòu)和安全氣囊兩個方面提出優(yōu)化措施。

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