汽車主被動(dòng)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(gè)因素，從主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性兩個(gè)方面提出改進(jìn)措施，從主動(dòng)安全性方面，通過對(duì)事故發(fā)生時(shí)間的分析，得出事故判別時(shí)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(dòng)系統(tǒng)和駕駛安全性的一系列方法;在被動(dòng)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(shí)間的方法。

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

1 引言

從2000年到2020年是中國(guó)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(duì)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(dòng)安全性和被動(dòng)安全性兩個(gè)方面分析汽車安全性的改進(jìn)措施，在主動(dòng)安全性方面，從制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛安全性提出改進(jìn)措施;在被動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)刻無法做出及時(shí)措施時(shí)，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(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)安全性，可以從制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛安全性兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)（AEB）

在2014年歐盟出臺(tái)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(cè)試，該系統(tǒng)主要由測(cè)距模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成，測(cè)距模塊是整個(gè)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(gè)，第一個(gè)作用是與前車距離達(dá)到安全預(yù)警距離時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒駕駛員及時(shí)剎車;第二個(gè)作用是在駕駛員沒有及時(shí)剎車時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)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(cè)量與前車的距離，當(dāng)小于行車安全距離時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出預(yù)警，在駕駛員未反應(yīng)及時(shí)剎車時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)自動(dòng)緊急剎車;在高速公路AEB只會(huì)在行車速度在50-80KM/h時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，并且安全距離設(shè)置一般在150-200m這個(gè)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(gè)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(shí)更容易出現(xiàn)車道偏離，LKA由車道識(shí)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(shí)別模塊通過安裝在車前的攝像頭拍攝識(shí)別道路標(biāo)示線，在直道行駛時(shí)標(biāo)示線的位置不會(huì)發(fā)生太大程度地改變，數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)不斷采集計(jì)算這些數(shù)據(jù)，當(dāng)標(biāo)示線出現(xiàn)較大程度地偏離時(shí)，LKA會(huì)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(huì)在汽車直線行駛時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)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(shí)只會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒駕駛員不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行修正。

2.4 自動(dòng)泊車系統(tǒng)（APS）

在光照環(huán)境惡劣的地下停車場(chǎng)，對(duì)于駕駛能力不強(qiáng)的駕駛員在停車時(shí)可能會(huì)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(gè)部分組成，在需要停車時(shí)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(huì)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(shí)，APS會(huì)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(gè)系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用對(duì)于汽車的主動(dòng)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(dòng)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(dòng)安全性改進(jìn)措施

3.1 被動(dòng)安全性分析[8]

在主動(dòng)安全性設(shè)施完備以及駕駛員盡量努力的前提下，仍然會(huì)發(fā)生交通事故，這里就需要提高被動(dòng)安全性用來降低交通事故的危險(xiǎn)等級(jí)，被動(dòng)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(dòng)安全性方面具有兩方面的要求：對(duì)于內(nèi)部被動(dòng)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(shí)，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(duì)于外部被動(dòng)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(shí)盡量減少對(duì)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(dòng)安全性。

3.2 碰撞安全保護(hù)裝置

在中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）測(cè)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(dòng)安全設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)思路，將原有的前縱梁前端的支撐結(jié)構(gòu)移動(dòng)到后端。

3.3 安全氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)，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(gè)參數(shù)分析優(yōu)化安全氣囊設(shè)計(jì)，如表4所示是三個(gè)參數(shù)的初步設(shè)定值，通過排列組合的方式設(shè)置三個(gè)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(yǔ)

從主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性兩個(gè)方面分析提高汽車安全性的方法，從主動(dòng)安全性方面，分析總結(jié)出提高汽車的自動(dòng)化控制程度可以有效提升事故發(fā)生反應(yīng)時(shí)間，從制動(dòng)系統(tǒng)、安全性駕駛兩個(gè)方面提出自動(dòng)化控制方法。從被動(dòng)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(gè)方面提出優(yōu)化措施。

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