1、汽车被动（碰撞）安全技术综述摘 要:汽车给人类创造效益的同时也带来了灾难性的损失，我国每年死于交通事故的人数与美国相当，但汽车的保有量仅是美国的 1/27，可见我国汽车的行车安全性与西方国家水平相差甚远。汽车安全性涉及的范围很广，本文简述我国汽车被动安全技术现状、发展趋势及被动安全标准。着重介绍了汽车被动安全系统组成、原理。现代汽车车速愈来愈高，汽车行驶安全性日益受到人们的重视，随着我国道路条件的改善，汽车的行驶速度的提高，强制推行汽车座椅安全带，推广安全气囊，改进汽车车身结构和转向盘和转向柱、汽车座椅系统等举措对减少事故后人民生命财产损失具有十分重要的意义。希望通过论述，对国内汽车安全性起到
2、一定帮助作用。关键词：汽车被动安全,安全带和安全气囊,转向盘和转向柱,汽车座椅系统，安全车身结构 。0前 言据资料统计，目前全世界每年死于行车交通事故的人数达35万至50万，受伤人数约1000万至1500万，汽车交通事故早已引起西方国家和主要汽车厂家的注意。自本世纪中叶以来，各国制订了一系列的汽车安全标准和法规用于指导汽车安全性设计，主要汽车厂家成立了相应的安全性研究机构用于提高安全性设计水平。世界范围的安全性研究取得了巨大成果，随着一些新型保安件不断装车和整车结构完善，当今汽车的安全性较50年代的车型大为改造。近二十年来尽管汽车保有量逐渐增加，但是每年交通伤亡人数没有随之迅猛增长。发达国家汽
3、车保有量在逐年增加，而交通事故死亡人数却逐年减少，万车死亡率很低(大约在1.53.5之间)。与发达国家相比，我国交通事故死亡人数在同步增加，尽管我国交通事故万车死亡率在逐年下降，但万车死亡率仍然很高(6570)，是发达国家的几十倍。因此，对车辆被动安全性进行研究在我国意义更加重大。1955年，福特公司首先把二点式座椅安全带作为选装件安装在轿车上。到1959年，由瑞典沃尔沃公司开发了三点式座椅安全带，相继为各国汽车制造企业所采用。现在，世界上许多汽车制造厂及专业生产厂都在设计和生产安全气囊，其中最大的是德国的波许公司。如今的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中(包括侧向碰撞)起保护乘员头部、躯干
4、和膝部的作用。目前，世界很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。这些都意味着汽车被动安全性越来越受到人们的关注。随着我国汽车安全意识的提高，我国相应成立了 C-NCAP 汽车碰撞试验项目，大批专业人士开始参与其中，诸多学术论文诞生。国内知名大学都开设了相关专业的教学与研究，如上海交通大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、长安大学、武汉理工大学。本文参考了校图书馆内有关的中外资料，并借鉴校图书网站内已有资源，汲取精华抛弃糟粕融会贯通，利用辨证手段整理后运用到论文中去的。本文综述我国在汽车安全技术研究方向的现状、安全技术发展趋势；简述被动安全性国内外标准；汽车被动安全措施，着重介绍了汽车被动安全系统组成、
5、原理。通过分层次论述，以尊重已有权威资料和数据为原则，将已有资源汇聚整合，举一反三适当拓展。由于内容有限，本文只限研究汽车被动安全技术相关内容，并只着重介绍汽车安全带和安全气囊、转向盘和转向柱及安全车身结构等对汽车被动安全性能有重要影响的内容。由于作者能力有限，论文中的纰漏失误在所难免，研究深度不如人意。但希望借此论文能引起相关机构的重视，增加汽车被动安全性研究的资金、人力投入，加大我国自主品牌的安全性能的保障力度，并期盼我国在此研究中能走向国际先进行列，做大做强自主品牌。11 综述我国汽车安全技术相关内容1.1 综述我国汽车安全技术现状1.1.1 概述汽车被动安全性汽车的安全性分为主动安全和
6、被动安全两种。汽车被动安全性指发生汽车事故后，汽车本身减轻人员受伤和货物受损的性能。分为外部被动安全性(指减轻对事故所涉及的其它人员和车辆的损害)和内部被动安全性(指减轻车内乘员受伤和货物受损)。汽车被动安全系统的核心是乘员保护系统。因为吸能的车体结构主要是缓冲“一次碰撞” ，而吸收乘员动能、防止或减缓与车内物体“二次碰撞”主要依靠乘员保护系统。该系统由座椅、安全带、安全气囊等组成。表1.1就2003年某地区事故中身体受伤部位进行了统计，可以看出各个安全措施的出现也是与实际事故相联系的。表1.1 事故中身体受伤部位统计表 Fig.1.1 Parts of the body injured in
7、 the accident tables1.1.2 我国汽车安全技术现状随着汽车保有量的增长，道路交通事故己成为世界性的社会问题。全世界每年死于道路交通事故的人数估计超过50万人，伤1000万人，而我国则是世界上交通事战最严重的国家。严峻的现实使人们不得不正视汽车安全性问题。与国外发达国家相比，我国的汽车行业整体技术水平落后，在被动安全性方面的研究起步较晚。但随着汽车安全法规的制定和执行，汽车的被动安全性研究也被予以高度关注。其中，清华大学于1991年建成了台车试验台，开展了此方面的试验研究；汽车技术中心于1995年建成身体部位 受伤统计 频次头部 2033 33.4颈部 132 2.2胸部
8、875 14.4上肢 825 13.5腹部 199 3.3骨盆 243 4.0下肢 1777 29.1不详 7 0.12了室内台车碰撞模拟试验台，可进行座椅强度、安全带性能的试验验证。另外，有关单位已经进行安全保护装置的具体开发研制工作，如北京赫达汽车安全技术公司、徐州徐港电子企业有限公司等正在进行安全气囊的研制工作。由于我国轿车工业产品的自主开发能力较薄弱，对于轿车车型设计、有关技术分析以及技术指标的量化工作还较困难。从总体上看，我国现在仅仅初步具备了汽车被动安全性研究的起步条件，与国外汽车工业发达的国家相比差距很大。1.2 被动安全技术发展历史及趋势1.2.1 被动安全技术发展历史回顾汽车
9、安全问题几乎是与汽车诞生同时开始的。在汽车发展的早期，主要着眼于改善汽车性能，尽管早已采用了保险杠、前大灯、液压制动等安全部件，但人们仍认为安全问题主要与操作有关，并未涉及占比例大、造成人员伤亡严重的碰撞事故中的安全问题。今天我们谈起被动安全性，就是指汽车的碰撞安全性。世界上最早关注、也最为重视汽车碰撞安全性的是美国。本世纪30年代，通用汽车公司开始进行翻车和固定壁碰撞试验。到50年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验。这些试验表明，对乘员的伤害主要来自乘员与汽车内部构件的“二次碰撞” 。针对这一问题，60年代初欧洲开始在轿车上采用飞机乘员用的安全腰带。不久，美国、日本等国也开始采用。到60
10、年代中期，公路交通事故增多，造成的死亡人数上升， 当时汽车曾被称为“行驶的棺材” 。汽车的安全性，尤其是被动安全性成为人们日益瞩目的问题。1966年美国成立了国家公路交通安全局(NHTSA)，负责汽车安全性的管理工作。1967年美国制定了“联邦汽车安全标准” ，其中规定采用汽车安全带。但这种本来是很有效的乘员保护装置，在美国的使用率却很低，以致达不到保护乘员减轻伤亡的预期效果。因此，到70年代提出要采用被动式乘员保护装置，即不需乘员动作，该装置即能在碰撞事故中提供保护。据此，1974年后，通用汽车公司在部分车型中装备了安全气囊。但由于成本增加、用户难以接受，装备了安全气囊的车只售出约1万辆就中
11、止了。与此同时，大众汽车公司在高级轿车上采用了被动式安全带。而更多的欧洲国家则依靠制定强制使用安全带的罚款规定来提高主动安全带的使用率。汽车行业、安全带生产企业也在不断改进安全带的可靠性、舒适性和方便性。到80年代后期，人们的安全意识不断提高，乘员保护系统技术更趋成熟。1986年奔驰汽车公司把驾驶员侧安全气囊作为标准装备提供市场，福特、克莱斯勒以及日本的汽车公司也随之效仿。90年代以来，被动安全技术的发展与政府的法规要求和用户的需要更加趋向一致。近几年不仅正面碰撞保护气囊的装车率逐年增加，而且侧面碰撞保护气囊、后部保护气囊及各种更加完善的安全带都在开发研制。汽车被动安全技术正在向更高水平发展。
12、31.3 简述被动安全性的标准与法规1.3.1 回顾汽车被动安全性标准与法规的发展从1963年开始相应法规也相继制定出来。美国汽车安全标准 FMVSS 209、日本工业标准 HSD4604、欧洲标准 ECE RI6、澳大利亚 ADR4D 以及我国 GB11661993等标准，均对汽车安全带性能及检测方法作了规定。安全带的锁紧装置只要拉伸速度超过设计速度就可以把安全带紧固。腰部固定点承载能力不低于227KN，肩部固定点承载能力高于22.9KN。在正常行驶时，安全带可以任意伸长而不妨碍驾驶员的操作相乘员的基本活动。GB14166-1993中的实验方法，在卷收器紧急锁止实验装置上安装安全带，将卷收器
13、固定在锁止实验台的小滑车上，小滑车被施加0.78g 的加速度，卷收器感应加速度锁止后，测量从卷收器中拉出的织带长度，这段织带长度便是锁止距离。美国 FMVSS208汽车乘员碰撞保护标准中，要求汽车必须配备不需要乘员做任何动作就可对乘员进行保护的被动式乘员保护系统，安全气囊就是得到广泛采用的这种乘员保护系统之一。汽车安全气囊的设计依据是道路交通事故的调查分析和安全法规所规定的汽车碰撞试验标准，主要标准是美国的 FMVSS208和 FMVSS214，以及欧洲的 ECE R94和 ECE R95，我国的是 GB11551。1.3.2 现行汽车被动安全性标准与法规目前最具代表性法规有美国的联邦机动车安
14、全法规（FMVSS，Federal Motor Vehicle Safety Standards）和欧洲法规（联合国欧洲经济委员会 ECE，Economic Commission for Europe 和欧洲经济共同体 EEC， European Economic Community） 。详细内容将会在具体的各个措施中提及。1.4 国内外的汽车被动安全性研究1.4.1 国外的汽车被动安全性研究在汽车工业发达的国家、汽车安全性研究作为国家支柱产业发展战略的组成部分，已经制定了近期、中期、长期发展规划，在国家法规的指导下，正在进行产学研结合，分步实施。早在70年代初期，美国、英国、法国、德国和日本
15、等国的各大汽车公司，在政府的支持下，开展了 ESV(安全实验车)的研制，并就此项工作进行了国际性协调。进人90年代，日本制定了 ASV 计划。其中，ASV 一期(1991一1995)计划已经完成，涉及到被动安全性研究的有碰撞安全技术和防止撞车后灾害扩大技术两大领域，共计7个技术项目。碰撞安全技术：(1)撞车时冲击能量的吸收系统；4(2)乘员保护系统；(3)减轻对行人伤害的安全系统；防止灾害扩大技术；(1)紧急时车门锁解除系统；(2)撞车时二次冲击减轻系统；(3)灭火系统；(4)事故发生后自动通报系统；以上7项被动安全性技术已全部应用。目前，国外的被动安全性研究已经向电子化、智能化方向发展。如图
16、1.1是被动安全试验车机构示意图：图1.1 被动安全试验车机构示意图Tab.1.1 Schematic diagram of passive safety test vehicle body1.4.2 国内的汽车被动安全性研究与国外发达国家相比，我国的汽车行业整体技术水平落后，在被动安全性方面的研究起步较晚。但随着汽车安全法规的制定和执行，汽车的被动安全性研究也被予以高度关注。其中，清华大学于1991年建成了台车试验台，开展了此方面的试验研究，汽车技术中心于1995年建成了室内台车碰撞模拟试验台，可进行座椅强度、安全带性能的试验验证。另外，有关单位已经进行安全保护装置的具体开发研制工作。52
17、汽车乘员保护措施2.1 汽车乘员保护系统和安全车身机构轿车与碰撞物之间的碰撞称为一次碰撞，乘员与内饰组件之间的碰撞称为二次碰撞。在交通事故中，二次碰撞是造成乘员伤害的直接原因。为探究人体的伤害机理，美国有关部门在人体生物力学方面进行了试验研究。结果表明，欲保障碰撞事故中乘员的安全，须满足下列条件:a.头部重心的合成加速度应使下式：(2.1)()(1125.22tdtatt值不超过1000。a合成加速度，表示 g(重力加速度 )的 a 倍；t1，t2碰撞过程中的任意两个时刻b.胸部合成加速度不大于588 ，2/smc.但加速度持续时间小于3ms 时除外；沿轴向传到两条大腿的压力不超过 10002
18、N。在 FMVSS208(乘员碰撞保护)中的伤害标准部分，已采用以上研究结果。汽车被动安全的对策主要涉及车身结构、座椅、车顶和车门强度、安全玻璃、转向盘和转向柱、内饰件、安全带和安全气囊等，归纳起来可分为安全车身结构和乘员保护系统两大类。其中，安全车身结构主要为减少一次碰撞带来的危害，而乘员保护系统则是为了减少二次碰撞造成的乘员损伤或避免二次碰撞。汽车被动安全系统的核心是乘员保护系统。因为吸能的车体结构主要是缓冲“一次碰撞” ，而吸收乘员动能、防止或减缓与车内物体“二次碰撞”主要依靠乘员保护系统。该系统由座椅、安全带、安全气囊等组成。减少二次碰撞的可能性和对乘员的伤害的主要措施，还包括安装可折
19、叠的吸能转向盘、膝部缓冲垫、车内饰件软化、仪表板软化及避免风窗玻璃的侵害等，都是在二次碰撞发生时减少对乘员伤害的措施。轿车的内饰，不仅要起到提高乘坐舒适性的作用，还要能够对乘员的车内碰撞进行保护。因此，轿车内饰件的软化、仪表盘的软化就非常必要。为了减少碰撞时由于玻璃表面引起的伤害，保证驾驶员视区车窗有足够的透明度，并减少由于碰撞引起的车内人员从车窗被扔出的可能性，对玻璃材料必须有严格的要求，并力求使玻璃的安装固定牢靠。大量试验表明，良好的汽车乘员保护系统可以大幅减轻乘员受伤害的程度，降低死亡率。本文将重点讨论在减轻二次碰撞伤害方面有重大作用的安全带、安全气囊和安全转向装置等乘员保护系统，并对安
20、全车身结构一些重要内容进行探讨。62.2 汽车安全带2.2.1 回顾安全带的发展1955年，福特公司首先把二点式座椅安全带作为选装件安装在轿车上。到1959年，由瑞典沃尔沃公司开发了三点式座椅安全带，相继为各国汽车制造企业所采用。1962年日本 TAKATA 株式会社首先在汽车上安装安全带，并在相关机构配合下进行了实车的碰撞试验，验证了安全带的保护效果，后来就逐渐扩大了安全带的适用范围，装配的安全带形式也从二点式发展到三点式。以后，又经过多次改进，逐渐发展到现在的形式。统计数据表明，佩戴安全带使碰撞造成的乘员伤亡率减少了15%30%。2.2.2 汽车安全带的组成、原理 研究表明，汽车事故中人体
21、内伤和脑损伤与减速度直接有关，骨折与作用力有关，组织损伤与剪切应力有关。所以，提高汽车内部安全性就是要降低人体的减速度。如果汽车和乘员以等速 Vo 作直线运动，在时间 to 时发生前部撞车，驾驶室按直线减速到零，如果乘员没有安全限位装置，则乘员将以 Vo 继续运动，到 t 时撞到车内坚硬障碍物(如仪表板)上，而后减速，由于变形行程很小，因此产生很大的减速度，乘员将承受可能致命的载荷。在设置了限位装置后，乘员在 t 之前以 Vo 在车内运动，在 t1时，限位装置生效，乘员减速。滞后时间 T 越长，则乘员减速度延续时间越长。所以要求撞车后，限位装置迅速生效。降低事故中人体的减速度的有效措施是限制乘
22、员的位移。最简单有效的是座椅安全带。安全带的基本机构均有织带、卷收器、带扣和长度调整机构组成。为了进一步降低碰撞时乘员“潜水”造成腹部伤害，提高安全带保护效果，还采用了预紧器和锁紧装置等。(1)织带为了在汽车发生碰撞时限制乘员的移动量，要求安全带在规定伸长率以内有效地束缚住乘员，并尽量减轻乘员所受的冲击力，以避免造成人员伤亡。为此，要求安全带有高的强度，一定的延伸量，良好的能量吸收性。另外，为提高织物的耐久性，带织物应具有良好的耐磨性、耐气候性。(2)卷收器卷收器用于收卷、储存部分或全部织带，并在增加某些机构后起到指定作用的装置。卷收器具有两种功能：其一是在正常情况下，将织带放长或收短，以适应
23、使用者身材的大小肥瘦，一旦使用者将安全带扣好后，卷收器可以将过长的织带收回，让织带以适应的卷收力将使用者拉住；其二是当汽车发生事故时，卷收器可以在瞬间将织带锁起来而不让它伸展，从而可以有效约束乘员。此外，在使用时还具有调整织带长度的功能。紧急锁止式卷收器是一种目前应用最广泛的卷收器。在汽车正常行驶时允许织带7自由伸缩，但当汽车速度紧急变化时，其锁止机构并保持安全带束紧力约束乘员。这种卷收器中装有惯性敏感元件和棘轮棘爪机构或中心锁止机构，织带缠绕在卷轴上。当汽车正常行驶时，卷收器借助卷簧的作用既能使织带随使用者的身体的移动而自由伸缩，又不会使织带松弛。但当紧急制动、碰撞或车辆行驶状态急剧变化时，
24、卷收器内的敏感元件将驱动锁止机构锁止卷轴，使织带固定在某一位置上，并承受使用者身体加给织带的载荷。尽管卷收器的锁止机构各不相同，但其基本工作原理相同。(3)带扣无论带扣或安全带其他的塑料件，均应采用变形小、耐磨性能高、强度高、性能稳定的材料。在设计带扣按钮时，应考虑到避免乘员肘部误碰撞而使带扣开启，因为在碰撞发生时，乘员肘部很可能产生接触到带扣的动作。(4)长度调整装置2.2.3 汽车安全带相关标准美国联邦机动车安全标准 FMVSS209(座椅安全带总成)及 FMVSS210(座椅安全带总成固定点)分别规定了对安全带性能的要求和对安全带固定点的要求。我国的 GB14166-93(汽车安全带性能
25、要求和试验方法)、GB14167-93(汽车安全带安装固定点)也作了类似的规定。由于并非所有的乘员都主动使用安全带，加之安全带对人体胸部以上(尤其是头颈部)的保护功能有限，所以用于碰撞中隔开头胸部与驾驶室前部结构的安全气囊便得到了研制和应用。GB14166-1993中的实验方法，在卷收器紧急锁止实验装置上安装安全带，将卷收器固定在锁止实验台的小滑车上，小滑车被施加0.78g 的加速度，卷收器感应加速度锁止后，测量从卷收器中拉出的织带长度，这段织带长度便是锁止距离。美国 FMVSS208汽车乘员碰撞保护标准中，要求汽车必须配备不需要乘员做任何动作就可对乘员进行保护的被动式乘员保护系统，安全气囊就
26、是得到广泛采用的这种乘员保护系统之一。汽车安全气囊的设计依据是道路交通事故的调查分析和安全法规所规定的汽车碰撞试验标准，主要标准是美国的 FMVSS208和 FMVSS214，以及欧洲的 ECE R94和 ECE R95，我国的是 GB11551。2.2.4 强制推行安全带的必要性安全带是主要的乘员保护装置，它能约束前碰和翻滚过程中人体相对于车体的运动，以避免或减轻二次碰撞对于乘员的伤害。由于车速的提高，在高速公路和一级公路上几辆乃至十几辆汽车撞在一起的恶性事故时有发生，为了减轻事故中国家和人民生命财产的损失。美国全美高速公路行车安全管理局规定，从1967年初，所有轿车必须安装安全带。我国公安
27、部已决定强制执行在汽车前排乘员使用安全带的法规，这不8仅是及时的，而且是必要的。随着我国高速公路的出现，高等级的公路的增加，汽车车速提高了很多。在前排乘员强制使用安全带，可以有效地减轻事故中乘员的伤害。因此，汽车驾驶员和乘坐汽车前排的乘客都应自觉执行使用安全带的法规，减轻自身在万一发生汽车事故后的受伤程度。我国要求20座以下的客车，从1993年7月1日起，全部安装座椅安全带。2.2.5 简述安全带的发展趋势汽车座椅安全带的发展方向是：更好的初始约束特性；更好的吸能特性；舒适性和方便性。目前涉及汽车座椅安全带的技术主要集中在以下方面。(1)预拉紧器安全带的预拉紧器在低强度碰撞时而安全气囊未打开的
28、情况下，保护乘员头部；同时由于它能很好地消除在碰撞开始时织带与乘员之间的松弛量，故能使乘员与车体之间的相对运动减少，从而对乘员的胸腹部起到很好的保护作用。(2)限荷器限荷器可以改善安全带的能量吸收特性，对乘员施加比较均匀的约束力，从而降低使用安全带的不适感。一种不需乘员动作，完全自动佩带在乘员身体上的被动安全带也已装车使用，但尚未普及。对安全带的改进，一个是解决织带对人体的伤害问题，有的在胸部的织带上装一个小气囊，有的在设法提高织带吸能性。2.3 汽车安全气囊2.3.1 汽车安全气囊的历史发展使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952年美国汽车生产者联合会在理论中阐述了这样一种汽
29、车安全系统的必要性。几乎同时，这种系统的原理图也绘制了出来。1953年，第一个气囊的专利就诞生了。但是，由于当时技术水平的限制，还不能把这种想法或专利付诸实践。到了1980年，德国默谢台斯公司开始实现这种设想，它在自己生产的部分汽车上安装了安全气囊。而从1985年起，在全部供应美国市场的汽车上都有安装了这种安全系统。随后，又出现了第一个保护驾驶员旁前排座乘员头部的气囊。2.3.2 汽车安全气囊系统组成、原理安全气囊系统主要由碰撞传感器、安全气囊电脑、SRS 指示灯和气囊组件四部分组成。其中气囊组件由充气元件和气囊组成，均安装在方向盘内或工具箱上端，不可分解。充气元件由电爆管、点火药粉及气体发生
30、剂组成。充气元件的功用是给气囊充气。气囊由尼龙布制成，材料厚度为045mm，为了保证气囊的气密性，在其内表面涂复薄9薄一层介成橡胶或硅橡胶。在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。这点十分重要。否则，人就会被气囊推向后面或被一个气囊或几个气囊挤住而受伤。车辆发生碰撞时，碰撞冲击力使碰撞传感器和触发传感器接通，将信号输送到中央电子控制器(ECU)，ECU 检测到冲击力(减速度)超过设定值，经判断后确认是严重碰撞，SRS 电脑接通引爆电路，使电流流过电爆管，使其发热将电爆管内的点火介质引燃，火焰随即扩散到点火药粉和
31、气体发生剂。产生大量气体，气体经滤网冷却后进入气囊内，气囊急剧膨胀，冲破方向盘，在003秒钟的时间内即将气囊充气。气体的阻力作用吸收了碰撞的能量，缓解了气囊对乘员头部和脸部的压力。乘员陷入较柔软的气囊中，使得乘员得到保护，6100ms 后气袋排气孔打开，气囊泄气并收缩。充气元件与气囊安装在方向盘上，与方向盘一起转动，电爆管与 SRS 电脑之间的导线联接是靠螺旋导线(游丝)来联接的。安全气囊根据安装的位置及保护对象不同，主要分为：对驾驶员进行保护的气囊，装备方向盘内，防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻璃发生碰撞；对前排乘员进行保护的气囊，装在仪表板内，防止乘员与仪表板、前挡风玻璃发生碰撞；对后
32、排乘员进行保护的气囊，一般安装在前排座椅的靠背上后部或头枕内部，防止乘员与前排座椅发生碰撞。由于后排乘员受到的伤害程度较轻，后座椅安全气囊一般只在高级轿车上使用。2.3.3 汽车安全气囊相关标准和法规国外一般都从两个方面来对气囊提出性能要求：一是气囊本身的要求，另一个是从汽车本身出发对气囊提出匹配性能要求。目前世界世界上还没有一个关于气囊的标准法规，但 ECE 标准草案安全气囊的保护作用 、ISO/TC22/SC12/WG8ISO/DP12097道路车辆的气囊系统的测试标准草案气囊组件的测试及环境要求 、ISO/TC22/SC12/WG8ISO/DP12097III 道路车辆的气囊系统的测试标
33、准草案充气系统的测试及环境模拟 III等则对气囊系统及其充气系统提出了性能要求。这些标准草案标准对气囊主要提出了两个方面性能要求：一个是环境试验性能的要求；另一个是机械试验性能的要求。2.3.4 安全气囊在使用过程中存在的缺陷及改进(1)安全气囊使用过程中存在的缺陷目前世界各国都投入大量的人力物力致力于安全气囊的开发，使得安全气囊系统得到大力发展。一些实际的碰撞事故证明安全气囊确实具有降低乘员伤亡的功效。但也发现了其存在的一些问题。安全气囊在紧急情况下迅速膨胀释放出气体，里面有一些类似火药雷管的危险物质，像气囊零件的运输都要多加小心，不能强烈砸或撞击气囊处，尤其是气囊的敏感部位，因为这可能造成
34、内部电路回路，发生危险。安全气囊10在使用中存在的问题有：气囊可能在很低的车速时打开。汽车在很低速行驶而发生碰撞事故时，乘员和驾驶员系上安全带即可，完全不需要安全气囊展开起保护作用。如果这时展开气囊反而会造成不必要的浪费，甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害。气囊的启动会对乘员造成伤害。安全气囊系统启动时将冲开气囊盖板，并且在瞬间展开充气，很可能对乘员造成冲击，产生的灼热气体也会灼伤乘员和驾驶员。当乘客偏离座位或座位上无人或儿童乘坐时，气囊系统的启动起不到应有的保护作用，还可能会对乘员造成一定的伤害。如果有身高不足140cm 的儿童在车里，一定不要让他们坐在副驾驶位置，因为安全气囊在喷出的时
35、候，可能正好撞击到他们的头部，应该给他们选装安全座椅，坐在后排相对安全些。如果有条件的车子，可以在儿童乘坐之前手动关闭此位置的安全气囊。(2)对现有安全气囊的改进思考从安全气囊在使用过程中存在的缺陷可知，现有安全气囊的基本设计目标是来对付严重交通事故的。但在一些不太严重的事故中，系统反应过度，反而会对驾乘人员施加作用过大，适得其反，造成不必要的伤害。针对实际使用中存在的问题，我们更希望在安全气囊展开之前，安全气囊系统能够精确感应汽车发生的碰撞，并按照程序来判断碰撞事故的严重程度，如果碰撞级别比较低的话，只需将安全带的预紧机构拉紧即可；如果碰撞级别比较高，需要启动安全气囊，则将点燃气囊的指令传递
36、给气囊系统。这也就是要求安全气囊系统能够准确地感应所发生的碰撞事故，并且能模仿人脑，根据实际的碰撞程度来判别安全气囊是否需要展开，有一定灵活性；并且能够针对不同体形的乘员适当的调整安全气囊。安全气囊作为被动乘员保护装置之一，在防止头部二次碰撞中。有安全带不可替代的作用。其最重要的部件是碰撞传感器，它与气体发生装置及气袋组成完整的气囊系统。碰撞传感器的作用是探测接受碰撞信号，经判别确需使用气囊后， 向引爆系统发出点火信号，引爆气体发生装置内的气体发生剂产生气体，使气袋充气膨胀。从发生碰撞事故前到气袋充满仅50ms 左右，气囊能否在需要时适时打开，在正常行驶遇到颠簸、制动时不发生误动作，完全取决于
37、碰撞传感器的判别。为此而开发了数种点火/不点火判别算法，为速度变化法、比功率法等。2.3.5 汽车安全气囊的发展趋势在发达的西方国家，气袋已在轿车上普及使用，但在我国尚是发展中阶段。我国的微型轿车，如果不安装安全气袋是很难达到法规的要求。所以安全气袋在国产轿车的达标上是一条重要措施，而且根据发展趋势，也必然使用安全气袋。气囊的改进主要是开发新的气体发生装置和更合理的点火不点火判别算法。目前在气体发生装置内的气体发生剂多为固态叠氮化钠，其引爆后产生的气体必须经过滤才能充入气袋，而且其残留物还需处理。代替的方法之一是用增大式充气装置，即用11少量固体燃料加热储存的气体；方法之二是采用有机气体发生剂
38、；方法之三是用可燃气体混合剂。侧面碰撞保护气囊系统已在开发，有的已装车，它要解决在更短时间(约为正碰撞气囊时间的1/3)内传感引爆和充气问题，以及安装、展开空间小，气袋近距离快速膨胀可能伤及乘员问题。要实现对乘员的最佳保护，必须了解人体结构和伤害机理，它需要汽车行业和医学界、保险业的合作，尽可能多地收集关于乘员体型、尺寸、碰撞伤害程度的数据，结合人体生物力学，制定科学的伤害评定标准，研制出更好的乘员保护装置。2.3.6 安全带与安全气囊联合使用效果明显安全带、安全气囊是配套使用的。当发生碰撞事故时，安全带将乘员“约束”在座椅，使乘员的身体不至于撞到方向盘、仪表板和风窗玻璃，避免乘员发生二次碰撞
39、，同时避免乘员在车辆发生翻滚等危险情况下被抛离座位。没有安全带，安全气囊的安全效果将要大打折扣。安全带在车祸时救人命能起到六成以上的作用，安全气囊只是在系上安全带基础上的一个辅助装置。尤其要纠正的是，很多车主想当然地认为有了安全气囊就万事大吉，就不用再系安全带了，但事实上一旦发生正面碰撞很容易发生安全气囊伤人的事件。据调查，单独使用安全气囊可使事故死亡率降低18左右，单独使用安全带可使事故死亡率下降42左右，而当安全气囊与安全带配合使用时可使事故死亡率降低47左右。由此可见，只有两者相互配合才能最大程度地降低事故的死亡率，安全气囊系统必然作为安全带的辅助系统出现。有了安全气囊，乘员生存的机会也
40、会提高。由图2.1,可见在仅使用安全带的情况下，乘员很容易与汽车转向盘相撞，而有了安全气囊的情况下可避免与转向盘直接相撞，安全气囊在紧急情况下起到缓冲动能的作用。12图 2.1Tab.2.12.4 汽车安全转向盘和转向柱 2.4.1 汽车安全转向盘和转向柱相关标准要求汽车在以48km/h 的速度正面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm；在台架试验中，用人体模型的躯干6.7m/s 的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的作用力不得超过11123N，见 GB11557-1998。FMVSS204，204提到实车动态碰撞时，在碰撞速度为48.3时，转向盘向后位移量
41、不超过127mm。2.4.2 汽车安全转向盘和转向柱组成、原理防止或减少碰撞能量对驾驶员造成伤害的转向柱，叫做能量吸收式转向柱。在汽车发生正碰时，碰撞能量使汽车前部发生塑性变形。布置在汽车前部的转向柱及转向盘在碰撞力的作用下要向后，即驾驶员胸部方向运动。这种运动的能量应该通过转向柱以机械方式予以吸收，防止或减少其直接作用于驾驶员身上而造成人身伤害。另一方面，在汽车发生正碰时，驾驶员受惯性的影响有冲向转向盘的运动。驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置加以吸收另一部分传给转向盘和转向柱系统。这部分能量要通过转向盘和转向柱予以吸收，以防止超出人体承受能力的碰撞力伤害驾驶员。吸能式转向盘，在撞车时，转
42、向盘骨架发生变形，以吸收能量，减轻对驾驶员的伤害。吸能式转向柱和转向轴，大体上可分为二类：(1)可分离式安全转向操纵机构 该机构的转向轴分为上下两段，当汽车发生撞车时，上下两段互相分离或互相移动，从而避免在第一次冲击时转向盘随车身后移对驾驶员造成伤害。(2)缓冲吸能式转向操纵机构 这种操纵机构从结构上能使转向轴和转向柱在受到冲击后，轴向收缩并吸收冲击能量，从而有效缓和转向盘对驾驶员的冲击。其中有以下几种常见的形式：网格状转向管柱：转向管柱的部分管壁制成网格状，当撞车时而受到压缩时很容易受到轴向变形，吸收能量。波纹管变形吸能装置：其转向管柱和转向轴也都能分上、下两段，在转向轴上套有波纹管。当发生
43、撞车时，上下转向轴和转向柱错开缩短，压缩波纹管吸收冲击能量。钢球滚压变形吸能装置：其转向轴和转向柱也都能分上下两段。上、下两段转13向轴用安全销相联。上下转向管柱中间压入带有塑料隔套的钢球。当发生撞车时，安全销被破坏，上下转向轴轴向收缩，上下转向管柱也开始轴向收缩，其内的钢球边转动边在上下转向管柱的壁上挤压出沟槽，使之变形并消耗冲击能量。2.5 汽车座椅系统安全性2.5.1 汽车座椅系统安全性概述汽车座椅安全性研究始于20世纪50年代。以往人们的研究主要集中在汽车尾部碰撞的乘员保护以及头枕和座椅靠背后部的冲击能量吸收等方面8并逐渐形成了两种主流设计概念柔性设计及刚性设计。按照上述方法设计的各种
44、结构形式的座椅在安全性试验中虽然取得了比较令人满意的结果，但是由于碰撞模型试验的条件具有相当的局限性，某些条件如乘员坐姿、加速度作用方向、约束系统的配带及使用状态、各种约束系统的相互影响等，在实发事故中千变万化，是实验室中不可能全面模拟的。近年来我国在轿车被动安全性的法规、试验和研究方面已取得了一定的进展。相对于轿车，客车的乘员更多，因此人们对客车乘员的保护和碰撞安全性的研究更为集中。我国在2000年正式实施了关于正面碰撞乘员保护的设计规则 ，这不仅对汽车正面碰撞控制结构设计理论和方法的研究更具有现实意义，还极大地带动了我国微型客车的安全性设计研究与发展。国内几家大型的微型客车厂纷纷着手对现有
45、车型进行不同程度的改进以适应法规的要求。汽车后部碰撞安全性法规也有望在2003年问世，这必将进一步推动汽车安全性尤其是座椅系统安全性研究工作的深入开展。2.5.2 座椅系统的安全性功能汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要内饰部件。它直接影响到整车的舒适性和安全性。所谓座椅的安全性是指汽车座椅能有效地防止汽车事故的发生，并在事故发生时能最大限度地减轻对驾驶员及乘员造成伤害的能力。汽车座椅不仅要减轻驾驶员及乘员的疲劳来满足主动安全性要求，还要与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，使乘员的损伤指标达到最小。座椅作为安全部件是在被动保护中起决定性作用的组成部分。首先，在事故中它
46、要保证使乘员处在自身的生存空间之内，并防止其他车载体（如其他乘员、货物）进入到这个空间。其次，要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，以使其他的约束系统能充分发挥其保护效能。除具有防止事故发生的功能外，座椅还应具有在乘员与其发生碰撞时，使乘员的伤害减轻到最低的性能，即能够吸收乘员与之碰撞时产生的能量。座椅安全功能失效时可引起各种形式的乘员伤害：如在正面碰撞中，座椅与车身连接强度不够时，座椅会脱离车体，导致乘员逸出其生存空间；如果后排乘员未受到约束，前排座椅靠背强度不足，则后排乘员的惯性力将击溃前排座椅，使前排乘员受到伤害；反之，若前排座椅强度太高，又会对后排乘员在与之相撞时造成伤害。另外，座椅
47、外廓设计不当，在正14面碰撞时会使乘员沿座椅靠背下滑，使腰部安全带移到胸部以上（即所谓的“潜水”现象） ，这是极为不利的约束姿态。在后部碰撞中，如果头枕设计过低或与靠背的相对位置设计不当时都会引起胸部与头部的加速度差值，作用在颈部上的这个差值超过一定程度后就会对乘员造成致命的伤害。前排座椅靠背的强度不足，会在其本身质量及乘员质量的惯性力作用下向后发生较大的弹性变形以至塑性变形，失去对乘员的支撑作用，使前排乘员射向后排座椅或后窗，并伤及后排乘员。汽车座椅的安全性设计目标就是避免上述诸种不利情况的发生。2.5.3 座椅系统的安全性结构从座椅的安全性能考虑，其结构可分为靠背、头枕、坐垫、座椅总成与车
48、身相连接的固定部件。靠背的强度设计分柔性吸能式和刚性吸能式两种。根据不同的碰撞条件，两种靠背的保护效果是不同的。在高强度碰撞时，刚性靠背的设计概念对于正常坐姿、按标准状态使用约束系统的乘员来讲是合理的。但是，在发生低强度尾部碰撞时刚性靠背座椅会引起乘员身体沿靠背向上滑动、靠背对乘员产生回弹及乘员以非正常坐姿乘坐。坐垫一般不会对乘员造成直接的冲击伤害，但其结构可以影响到乘员的运动过程，以及约束力施加到乘员身体上的方式和外部载荷（加速度、力等）的绝对值大小。坐垫结构主要影响人体以下几个坐姿参数：颈椎倾角、胸部倾角、躯干基准线与轴间的夹角等。在国际标准中，有关座椅头枕的法规规定是独立于整个座椅系统的
49、，在我国国家标准中对座椅头枕也单独作了规定。这充分体现了在被动安全性研究中，头枕是一个相当重要的安全部件。但考虑到整个座椅系统结构的完整性，本文将头枕作为整个座椅系统的一个重要组成部件考虑其对被动安全性的影响。头枕的设计目的是在后部碰撞中防止由于头部相对胸部过度后仰而引起的头颈部内伤，这是后部碰撞中最常发生的一种伤害形式。另外，座椅头枕应能够自动实现水平、垂直位置的的调整，以适应乘员位置的变化。汽车座椅连接部件的强度设计在很大程度上影响座椅本身的安全性能，在发生碰撞时，如果连接部件先于座椅失效，很可能会造成座椅骨架的断裂、严重变形和调节机构失灵等，此时乘员的生命安全将受到极大的威胁。汽车座椅的首要任务是满足安全性的要求，其次是满足舒适性、低成本、质量轻及美观耐用的要求。2.5.4 座椅系统的安全性法规及标准撞车后因座椅的破坏和座椅固定部分的脱开很容易造成乘员二次受伤，对此可以通过试验来验证座椅及座椅固定部件的强度是否满足要求。试验方法也是针对座椅本身的结构强度和座椅固定部件的强度分别规定的。中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所依据国际上通用的座椅安全性法规提出了适合我国国情的座椅安全性能要求及试验方法，如国标 GB11550-1995对座椅头枕的性能要求及试验方法作了详细的规定；GB15083-1
