能量轉換在汽車安全設計中的應用

顏競一

（湖南省長沙市第一中學，湖南 長沙 410005）

1 安全帶與負載限制器對汽車安全的作用

我們對小型汽車進行正面撞擊測試， 以固定的參照物為坐標，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，當小汽車的遞減速率和乘客的變動速率一致時，乘客最為安全，如果汽車的減速負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的，不僅撞擊力量強大而且空間分布不均。 對于系有安全帶未裝負載限制器的乘客， 可以看到系安全帶可避免乘客與車體接觸。

現在很多車輛都加裝了負載限制器。 從系安全帶且加裝負載器的曲線可以看出， 一旦負載器感知到汽車突然減速就會主動收緊松弛的安全帶， 讓乘客在汽車減速前提前減速，預警器和安全氣囊使用一個傳感器[1]。 負載器使用觸發裝置讓安全帶收緊，觀察負載限制器，它像一個夾子一樣把可折疊的安全帶控制住， 當外力達到6000牛的時候會突然打開， 這樣可以避免因安全帶過度收緊而導致乘客胸部受傷。 當外力大于負載限制器的負載時，安全帶放松，限制安全帶對乘客的壓力，保護乘客安全。安全帶的使用是汽車安全設計中最為有效的被動安全措施，當危險來臨時，能保障乘客的安全。

圖1 汽車正面碰撞后速度變化情況

下面我們來看看側面撞擊和正面撞擊的不同， 側面撞擊后乘客會向側方移動， 安全帶也無法阻止這種側向移動。 從圖2 可以看出，小型汽車總的側向加速度開始時候是10g，在撞擊后對駕駛員的沖擊力突然升高，加速度達1000g。 如果這樣的撞擊時間比較短，在幾毫秒內，不會對乘客產生危害，但是若這個過程長達20 毫秒，將對乘客造成致命傷害。

圖2 汽車側面碰撞后速度變化情況

2 汽車重量與安全性的關系

在撞擊測試中， 我們在汽車和乘客身上都放置了加速傳感器， 加速傳感器提供了在交通事故中難以獲得的數據，這些數據在匯總后可以提供給汽車生產廠家，生產廠家根據數據模型研發出更加安全可靠的汽車。 從近期交通事故的傷亡調查中可以看出， 汽車箱體的擠壓是致死率最高的原因，所以汽車設計過程中，車廂設計是最為重要的關鍵步驟。

值得我們關注的另一種情況是一輛車的碰撞測試是否和兩輛車相互碰撞的結果一致。 在這種測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程中，汽車結構將較多的能量吸收，汽車箱體得以保持原有狀態，保護乘客安全。 在這個測試中， 還可以得出這樣的結論， 如果兩個小型汽車以112 千米每小時的速度相撞， 理論上不管汽車的質量如何，都可以安全地消耗掉因為撞擊而產生的動能。 這個是理想狀態但實際情況是非常復雜的。 如果一輛汽車的車頭強度遠遠大于另一輛汽車， 強度低的汽車不可能吸收很多能量，造成箱體變形，進而威脅乘客的安全。 還有就是如果汽車車頭的材質不同，結構也不同，相撞的汽車不能同時吸收能量， 威脅乘客安全。 所以在制造汽車的時候， 要重視車頭的吸能情況， 可以加裝前保險杠防撞鋼梁，使汽車更好地吸能。

根據能量守恒定律， 如果一輛汽車的總質量小于另一輛汽車的總質量， 總質量較輕的汽車會在碰撞中會遭受更大的傷害。 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保持雙方的乘客安全， 就必須把兩輛汽車的總質量比控制在1:6 之內，所以我們在設計和制造小型汽車時， 應將它的總質量控制在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，因為他們的總質量之比已經遠遠超出了1:6 這個范圍。

汽車的穩定性和安全性是成正比的， 汽車的總質量和穩定性也是成正比的， 那是不是說汽車的總質量越大它的安全性就越好呢？ 總質量較大的汽車通常車體的體積也是比較大的，因為有更多的潰縮空間，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統計

上圖所示是一輛小型汽車司機遭受圖中類型正面撞擊后小型汽車駕駛員死亡人數， 可以發現隨著主動撞擊車輛總質量不斷上升，小型車的死亡人數也不斷上升。 對于小型轎車來說，皮卡的撞擊是致命的，因為皮卡和SUV車型的車頭的兩道防撞鋼梁的高度正對小型車駕駛員車廂側方， 對小型車駕駛員有致命的傷害。 所以現在很多SUV 車型上加裝了底盤自動升降， 當在越野路面行駛時提升底盤，當在普通路面行駛時降低底盤，這種設計不僅可以降低油耗，提高穩定性，而且使被撞車輛的死亡率降低了11%。

3 車體結構與穩定性的關系

在汽車事故中翻車事故死亡率居高不下， 盡管現在越來越多的汽車加裝了電子穩定系統， 但是還是要對汽車結構和穩定性進行討論。

在怎么樣的情況下汽車會發生側翻呢？ 在公路上，當汽車轉彎時會有離心力出現， 相對汽車中心的縱向軸作用在汽車左前輪的力會產生一個順時針的翻滾的力矩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），汽車自重也會產生一個反方向的力矩mgt/2，當加速度超過穩定系數t/2h 時，汽車就會發生側翻現象。 為了更好地進行研究分析，把汽車看作一個剛體，這個剛體的質量是m，當汽車轉動前輪時，它會產生一個側向的力F，它的加速度是a=f/m。這個加速度與汽車本身的速度和轉彎半徑相關，在一般直路上，如果發生了翻車事故，一定是內測的輪胎與地面分離，用數學公式可以表示為a/g=t/2h，所以我們把t/2h 稱為汽車的穩定系數。 可以看到穩定系數和車的重心高度息息相關， 小型汽車的穩定系數可以達到1.2 以上，SUV 和皮卡的穩定系數在1.0到1.2 之間。 當然汽車的側翻和路面的摩擦系數、車身重力、支持懸掛都有緊密聯系。 設計汽車時，想加大汽車的穩定性，可以加大t 值，減小h 值，即降低底盤高度和增加車身總質量。

［1］林喆.談談汽車產品的人性化設計［J］.美術教育研究，2014（15）：15-17.