關(guān)于汽車碰撞安全裝置的開發(fā)與研制

冷粵　薛亮　馬兵兵　楊君芳

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的人在駕駛汽車過程中，需重視汽車的主被動安全性能。對于現(xiàn)在的人們來說汽車的安全性已經(jīng)變得愈發(fā)重要。汽車安全性能的缺失不僅給人們的生活帶來不便，而且將威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在科技研發(fā)過程中，要繼續(xù)加強(qiáng)汽車碰撞安全相關(guān)裝置的研發(fā)，幫助人們有效解決汽車碰撞安全問題。

關(guān)鍵詞：汽車;碰撞;安全裝置;開發(fā)研究

0 ?引言

在當(dāng)今形勢下，人們在汽車研究領(lǐng)域已經(jīng)給予了高度重視。為保障車內(nèi)乘員的安全，相關(guān)的技術(shù)人員不斷在汽車碰撞安全裝置的研發(fā)領(lǐng)域內(nèi)投入大量的研究。其中在發(fā)生車輛碰撞的情況下，如何提高車身的抗形變能力，減少對車內(nèi)乘員的傷害是目前行業(yè)內(nèi)需繼續(xù)研究的主要問題。雖然目前車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)已經(jīng)日趨完善，但進(jìn)一步改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)，增加車身強(qiáng)度仍是目前急需解決的技術(shù)難題。

1 ?汽車碰撞安全裝置開發(fā)研究

1.1 車輛建模技術(shù)及數(shù)值模擬計(jì)算

車輛建模技術(shù)主要是開發(fā)車輛避讓系統(tǒng)，這是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，主要是結(jié)合現(xiàn)在模型和實(shí)驗(yàn)車輛數(shù)據(jù)，同時(shí)被稱為混合建模技術(shù)。主要是利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，在復(fù)雜駕駛條件下，能夠主動避免碰撞，從而真正實(shí)現(xiàn)了軟件仿真技術(shù)應(yīng)用，基本上能夠滿足車輛主動防撞系統(tǒng)的要求。對于簡單的模型，如清華大學(xué)車輛安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的車輛縱向動力學(xué)模型，可用于車輛主動避碰系統(tǒng)，模擬車輛運(yùn)行的全過程。分別對模型進(jìn)行了建立和簡化，對車輛縱向動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)模型、液力偶合器和自動變速器模型以及車輛驅(qū)動系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡化。動力傳輸路徑組合，每個單元模型可以得到適合主動避碰系統(tǒng)的縱向車輛模型?；贛ATALAB軟件，實(shí)現(xiàn)了整個模型，并利用車輛主動避碰系統(tǒng)的實(shí)車實(shí)驗(yàn)平臺對實(shí)車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.2 實(shí)際科研開發(fā)

汽車安裝主要從兩方面進(jìn)行研究，一種是主動安裝，另一種是被動安裝。科研研發(fā)過程中，我們要不斷地對其安全性進(jìn)行開發(fā)研究，在此過程中，我們可以根據(jù)輔助制動裝置進(jìn)行研究利用，對汽車安全裝置進(jìn)行不斷對比，比如說，汽車前保險(xiǎn)杠安全氣囊和擋風(fēng)玻璃，這兩種安全裝置對人們的生命起到保護(hù)作用，我們通過對比，查找出性能較好安裝，從根本上保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，對乘員保護(hù)制度的研究非?；钴S。一些汽車制造商也采取措施提高車禍的安全性。知名鋼鐵公司致力于安全性能高的輕鋼材料的研究和制造。通用汽車的內(nèi)、前、后光束采用激光焊接，以減少總重量和焊縫數(shù)量。底盤總成零件采用反向淬火雙相鋼，提高剛性和抗沖擊性。F-150的框架是液壓成形的。車身設(shè)計(jì)具有最佳的防撞特性，在碰撞到達(dá)客廂之前吸收能量。

1.3 碰撞研究方法

在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，會發(fā)生嚴(yán)重的交通事故。因此，我們要進(jìn)行不同的碰撞試驗(yàn)進(jìn)行研究，通過汽車碰撞試驗(yàn)對其進(jìn)行虛擬研究，為人們的安全保駕護(hù)航。現(xiàn)如今，利用虛擬仿真技術(shù)模擬沖擊試驗(yàn)取得了突破性進(jìn)展。而碰撞試驗(yàn)的主要手段是虛擬仿真，這種仿真技術(shù)在一定程度上解決了汽車交通事故頻發(fā)的概率。

2 ?解決汽車碰撞安全問題的發(fā)展趨勢

車輛建模技術(shù)的水平直接關(guān)系到安全性的研究。為了使科研成果更加貼近汽車碰撞的研究理念，我們要不斷優(yōu)化仿真技術(shù)，利用汽車碰撞時(shí)發(fā)生的交通事故案例，對其使用混合建模技術(shù)進(jìn)行分析?，F(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展十分廣泛，因此我們會利用一些方法解決復(fù)雜性問題，這些方法分別是并行有限元法、并行計(jì)算技術(shù)和CPU技術(shù)。新的人體模型技術(shù)的發(fā)展、新算法的探索和新退化集成技術(shù)的研究，將逐漸成為汽車碰撞仿真的研究課題。汽車碰撞仿真研究將是汽車被動安全研究的熱點(diǎn)之一，而安全車身的研究將成為一個具有挑戰(zhàn)性的課題。成員保護(hù)制度的研究有待深化。在汽車碰撞防護(hù)方面，采用了多種能量吸收緩沖技術(shù)來提高汽車碰撞防護(hù)性能。但是，由于尺寸和空間的限制，很難定性地開發(fā)出能對車身造成損傷的能量吸收能力。雖然目前塑料車身的吸能能力主要是通過增加單位塑性變形能耗來提高的，隨著大型、重型、高速卡車的發(fā)展和小型、輕型、節(jié)能汽車的出現(xiàn)，汽車碰撞防護(hù)不能簡單地通過破壞車身來完成，創(chuàng)新是根本的解決方案。平板車可以為汽車碰撞進(jìn)行很好的保護(hù)作用，它在一定程度上可以減輕汽車的緩沖能力，同時(shí)，還可以不斷地吸收能量，抵御汽車碰撞時(shí)發(fā)生的沖擊感，保障車內(nèi)人員的安全。

3 ?汽車碰撞安全裝置研制

3.1 各類警報(bào)系統(tǒng)的成熟

隨著汽車安全技術(shù)的發(fā)展，依靠計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)將會越來越多。第一防撞報(bào)警系統(tǒng)主要是在危險(xiǎn)事故發(fā)生前及時(shí)檢測駕駛員前方的駕駛環(huán)境，并通過對相關(guān)障礙物和隱患的報(bào)警提醒駕駛員保持警惕，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。至于防撞報(bào)警系統(tǒng)，我國金龍客車技術(shù)相對成熟。它利用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)探測前方特定的危險(xiǎn)情況，并根據(jù)客車與危險(xiǎn)物體的距離和客車的行駛速度，通過聲音和振動發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員及時(shí)經(jīng)濟(jì)地避開危險(xiǎn)。此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，防撞報(bào)警系統(tǒng)將朝著智能化的方向發(fā)展，不僅可以幫助駕駛員主動躲避危險(xiǎn)，還可以通過對周圍環(huán)境的檢測為駕駛員提供最佳的躲避方案。

3.2 車道偏離的報(bào)警系統(tǒng)和疲勞駕駛的報(bào)警系統(tǒng)完善

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車上安裝了疲勞駕駛報(bào)警系統(tǒng)，通過檢測駕駛員的行為和生理狀態(tài)，可以有效判斷駕駛員是否疲勞駕駛，并提醒他。金龍汽車有許多檢測駕駛員狀態(tài)的技術(shù)方法。例如，通過微型攝像機(jī)，它可以計(jì)算和分析駕駛員眼睛的眨眼次數(shù)和瞳孔變化，以確定駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。此外，金龍公司開發(fā)應(yīng)用的報(bào)警系統(tǒng)也可以根據(jù)司機(jī)的駕駛時(shí)間進(jìn)行分析。報(bào)警模式為連續(xù)語音提示和燈光報(bào)警。

3.3 汽車倒車防撞裝置的設(shè)計(jì)

防撞報(bào)警系統(tǒng)用于提高倒車時(shí)的安全性，主要是利用超聲波探頭，發(fā)出超聲波，利用高速單片計(jì)算距離，增加溫度補(bǔ)償電路，有效顯示出與障礙物具體準(zhǔn)確性。主要安裝在液晶顯示中，能夠直觀的顯示出溫度和距離，方便駕駛?cè)藛T參考。當(dāng)車輛與障礙物之間距離不斷減少，小于工作人員設(shè)定安全距離時(shí)，系統(tǒng)將通過語音集成電路，向駕駛員報(bào)警，有效避免車輛碰撞和擦傷，具有較高的實(shí)用價(jià)值。此外，當(dāng)汽車后面的障礙物太低或角度超過探頭可測量的范圍時(shí)，如臺階、石頭，鐵絲等，備用防撞報(bào)警器對一些較細(xì)的東西不起作用。倒車防撞報(bào)警器只能作為駕駛員的輔助設(shè)備，不能過分依賴倒車防撞報(bào)警器。為了安全駕駛，必要時(shí)下車并觀察車輛周圍和路上的情況。

3.4 被動安全技術(shù)研究

以宇通客車的發(fā)展為例，首先是正面碰撞被動安全技術(shù)的發(fā)展。宇通客車首次采用高強(qiáng)度鋼沖壓保險(xiǎn)杠，可有效分散正面碰撞時(shí)的巨大沖擊力，從而減少危險(xiǎn)事故對乘客人身和財(cái)產(chǎn)的傷害。其次，是關(guān)于翻車被動安全技術(shù)的發(fā)展。宇通客車在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上采用閉環(huán)翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)。其主要技術(shù)支持有兩個。一種是閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一種是貫通式側(cè)墻立柱，在發(fā)生危險(xiǎn)事故時(shí)，允許客車內(nèi)部有足夠的空間來減少乘客的傷亡。此外，關(guān)于客車防火，宇通客車采用鋁塑板和蜂窩板作為客車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料，還有消防設(shè)施。除了傳統(tǒng)的安全錘和消防設(shè)備之外，駕駛員座艙里還有相應(yīng)的鑰匙?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)按鍵，玻璃會自動破碎，大大保證了發(fā)生危險(xiǎn)事故時(shí)乘客的生存概率。

3.5 電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)

電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electronic controlled power steering system）是一種轉(zhuǎn)向動力放大裝置，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)向角度、車速、扭矩等傳感器信號自動控制施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向力。為了減小汽車停放或低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)動方向盤所需的力，而當(dāng)汽車高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)動方向盤所需的力增加，即在各種行駛條件下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向所需的力是最佳值。全電控動力轉(zhuǎn)向可提供返回扭矩，從而獲得最佳轉(zhuǎn)向返回特性，并大大提高車輛行駛穩(wěn)定性。

3.6 ABS

正常行駛時(shí)，如果突然緊急制動，計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)將采集四輪速度傳感器反饋的速度信號。系統(tǒng)通過獲得從正常速度到制動所需的時(shí)間來計(jì)算加速度。如果加速度超過安全值，計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)確定車輪處于“鎖定”狀態(tài)。為了確保車輛的安全，車輛控制系統(tǒng)會將車輛調(diào)整到最佳制動狀態(tài)。

4 ?新能源汽車碰撞仿真分析

當(dāng)車體與剛性壁接觸時(shí)，車輛的變形過程如下：首先，前防撞梁在巨大沖擊力下變平，水箱散熱器被擠壓，前縱梁逐漸變形吸收碰撞產(chǎn)生的能量。其次，隨著碰撞的加深，發(fā)動機(jī)罩變形并突出，前艙受到擠壓。最后，當(dāng)發(fā)動機(jī)罩變形比較明顯時(shí)，前輪與剛性壁接觸，前艙空間受到極大壓縮，接下來20毫秒的變形情況與前一次相比沒有太大變化。由于可以看到車身的前輪在下一個時(shí)間段已經(jīng)回彈并與剛性壁分離，所以整個車輛的變形達(dá)到最大。在整個變形過程中，能量吸收的關(guān)鍵部件是前縱梁，前端變形較大，后端有一定程度的擠壓變形，能量吸收完成。在整個正面碰撞過程中，前排駕駛員和乘客的空間受到擠壓。由于車身上部安全氣囊的保護(hù)對駕駛員和乘客沒有太大的威脅，但是腿部前圍板的侵入，必然會造成侵入性損傷，因此新能源汽車的結(jié)構(gòu)在后期必須進(jìn)一步優(yōu)化。

5 ?結(jié)束語

汽車碰撞試驗(yàn)是研究汽車碰撞安全性最準(zhǔn)確可靠的方法。開發(fā)汽車碰撞安全性能，需要對實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，只有通過測試才能應(yīng)用。然而，這種測試是車輛開發(fā)中一個昂貴的“試錯”過程，開發(fā)過程時(shí)間長，并且具有很高的開發(fā)成本。通過對車輛碰撞安全技術(shù)開發(fā)和研究，汽車碰撞實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)成為汽車碰撞安全研究必要趨勢，為車輛的設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供一些基本的規(guī)律和指導(dǎo)，減少試驗(yàn)次數(shù)，避免大量的試驗(yàn)工作，不僅節(jié)約了開發(fā)成本，而且縮短了開發(fā)時(shí)間。

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