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第三章 汽车被动安全技术授课：廖抒华,汽车被动安全技术：,汽车安全防护装置 汽车结构安全性,3-1 汽车座椅及座椅安全带,汽车安全防护装置,汽车座椅及座椅安全带 安全气囊 安全转向器 安全玻璃,用途：保护车内乘员免遭伤害或减轻伤害的程度,一、汽车座椅,图3-1 汽车座椅总成图1-头枕总成；2、11-卡簧；3-导管；4-靠背骨架；5-靠背泡沫内芯；6-靠背袋架；7-靠背总成；8-靠背调节器饰板；9-靠背调节旋钮；10-靠背调节器饰板固定销；12-座椅滑动衬块；13-坐垫总成,座椅系统的功能安全性、舒适性、低成本、质量好，美观耐用,座椅系统的结构头枕、靠背、坐垫、座椅总成固定件,座椅的结构,座椅系统的组成,骨架 整体式、可翻折式,弹性元件褥垫（填料）蒙面调节机构,二、汽车座椅安全带,安全带使用效果,图3-2 汽车安全带效果1-无安全带乘员负伤率；2-有安全带乘员负伤率3-无安全带乘员死亡率；4-有安全带乘员死亡率,图3-3 驾驶员与车辆速度的关系v1 碰撞后汽车速度；v2-碰撞后乘员速度Dv-乘员与车厢内二次碰撞速度,驾驶员负伤率可降低43%52%副驾驶员负伤率可降低37%45%,定义：,安全带是主要的乘员约束系统，可限制车辆前方碰撞以及翻滚过程中人体相对于车体的运动，并可吸收部分冲击能量，达到保护乘员的目的,1.汽车座椅安全带的分类,2.安全带的组成及各部件的作用,两点式安全带（图a）斜挂式安全带（图b）三点式安全带（图c）全背带式安全带（图d）,组成:织带、带扣、卷收器、调节件,织带：化学纤维编织，宽50mm；厚1.11.2mm。带扣：既能把乘员约束在安全带内，又能快速解脱的连接装置。卷收器：在汽车正常行驶时允许止带自由伸缩，当汽车速度急剧变化时，锁止机构会保持安全带束紧力约束乘员。,图3-4 汽车安全带分类,图3-5 汽车安全带的组成1-外侧上部固定点；2-导向板；3-肩带；4-头枕；5-腰带；6-卷收器；7-外侧地板固定点；8-内侧地板固定点；9-锁扣；10-插板,卷收器的作用,卷收器的类型,在安全带长度不同时，收卷、储存织带 使用安全带时，乘员不必调节织带长度 乘员使用安全带时上半身的动作比较自如 为了提高撞车时安全带的约束性能，预先将织带收紧,调节件：用于调节织带使用长度的部件。,无锁止式卷收器 自动锁止式卷收器 紧急锁止式卷收器,织带敏感式 车体敏感式 复合敏感式,应用：紧急锁止式卷收器,图3-5 汽车安全带的组成1-外侧上部固定点；2-导向板；3-肩带；4-头枕；5-腰带；6-卷收器；7-外侧地板固定点；8-内侧地板固定点；9-锁扣；10-插板,3.安全带的使用注意事项,常检查 一人用,用后收 配座椅 中性洗,护儿童 使用好,3-2 安全气囊,一、安全气囊设计的基本思想,安全气囊最大容许时间：从汽车碰撞开始算起，气囊涨开所需的总时间100ms,其实际的展开时间大约是30ms，气囊涨开1s之后就会瘪掉，以防止驾驶人员被气囊窒息。,作用：当汽车受到撞击急剧减速时，气囊就迅速膨胀以防止驾驶员身体向前冲击转向盘和挡风玻璃。功效：有助于防止碰撞过程中头/面部和胸部的损害，尤其是在汽车正面碰撞和前侧碰撞时，保护作用尤为明显。,汽车安全气囊系统SRS(Supplemental Restraint System)/辅助乘员保护系统,二、安全气囊的作用,在汽车碰撞发生后,乘员与车内构件碰撞前,迅速在两者之间自动地打开充满气体气垫,使乘员“扑”在气垫上,以缓和冲击并吸收部分碰撞能量,从而达到减轻乘员伤害程度的目的,三、安全气囊的可靠性设置,电源：采用双电源工作：电源、气囊电子电路的储能元件，低电压小功率的备用电源。器件：高标准、高可靠性：抗干扰、抗老化，主要器件采取降额使用、并联冗余等措施，控制软件应具有自检功能。,四.驾驶员正面气囊引爆的条件,碰撞方位为正前方或斜前方30 碰撞时，减速度电脑设定的减速度阈值,汽车遭受侧面碰撞超过斜前方30时 汽车遭受横向碰撞时 汽车遭受后方碰撞时 汽车发生绕纵向轴线侧翻时 纵向减速度未达到设定的减速度阈值 汽车正常行驶，正常制动或在不平路面的道路上行驶时,五.安全气囊不能被引爆的条件,六.安全气囊的工作过程,图3-6 汽车安全气囊的动作过程,（车速度50km/h）,六、安全气囊系统的工作过程（续）,七、安全气囊的组成,前碰撞(相当于16km/h的速度与刚壁正碰)传感器探测信号气体发生器引爆装置引爆后快速生成气体气体充入气囊气囊涨开(0.05s)吸收乘员向前运动能量气囊涨开1s后排出气体瘪掉,材料：尼龙6、尼龙66容量：正驾侧50L80L，副驾侧120L160L,1.气袋,组成传感器系统、气囊总成、气体发生器、系统控制模块(ACM)及其他附件,图3-7 典型安全气囊系统的组成1-左碰撞传感器；2-右碰撞传感器；3-SRS警告灯；4-SRS电器（包括安全传感器）；5-气囊组件,2.气体发生器,火药式:由火箭燃料组成，体积小，气体转化率40%。爆炸反应后产生的气体温度较高，易产生灼伤，有异味。燃料有毒，易污染。,2.气体发生器（续）,3.碰撞传感器,混合式:以氩气作为压缩气体，点火爆炸后压缩气体从储气罐冲出，充满气袋。应用广，缺点是压缩气体膨胀时吸收大量热量，易造成结霜，气体温度降低，膨胀效果不不太理想。,安装设置：34只碰撞传感器,碰撞传感器类型：滚子式传感器、钢球式传感器、水银开关式传感器、电阻应变式传感器,功能检测、判断汽车发生事故后的撞击信号，以便及时启动安全气囊，并提供足够的电能或机械能来点燃气体发生器。,滚子式传感器,钢球式传感器,水银式传感器,偏心锤式传感器,第三类气体:气体转化率60%98%，对人体无毒，对环境无害，利于回收，体积小，易于布置。,八、安全气囊的分类,主要针对未系安全带的乘员设计，无需使用者设定就能处于工作状态，1820km/h发生碰撞引爆气囊。,安全带-气囊保护系统；30km/h发生碰撞时点火引爆气囊,分立元件型 集成电路型 微机控制型,其中电控式还可分为：集中控制式，分散控制式,九、安全气囊的结构原理,1.机械式正面碰撞气囊的结构原理,工作原理事故过程中人体与气囊相互作用过程如右图示意,图3-8 事故过程中人体与气囊作用过程示意图,组成：加速度传感器、气体发生器、气袋、转向盘盖、充气泵、气囊组件及固定件,图3-9 机械式正面碰撞气囊结构示意图,特点：结构简单、成本低，但是不易使气囊在最佳时刻点火，抗干扰能力差,工作过程,6个步骤：发生碰撞、传感器感知发生碰撞、传感器球体动作、点火、气体产生、气体膨胀,气囊加速度传感器,图3-10 机械式气囊传感器工作原理,图3-11 驾驶员气囊发生器展开图,组成：锁止弹簧、敏感球、球体导向柱、触发杠杆、点火针、点火弹簧、锁止杆、平衡针、锁止钩、平衡弹簧等,工作原理如左图示意,气体发生器如右图,组成：安装板总成、过滤器、混丝过滤器、推进剂、燃烧舱、过滤器挡板、壳体、密封器以及密封垫等,转向盘安全气囊图例,气体发生器点火器和充气泵等,图3-12 转向盘安全气囊总成1-安装架；2-充气器外壳；3-转向盘；4-气囊；5-引火药；6-电雷管；7-汽化剂；8-气囊保护罩；9-滤清器；10-气囊盒；11-经济速度开关；12-缠叠电缆,图3-14 点火器1-壳体；2-电桥道线；3-点火剂出口；4-点火剂固定器,图3-13 驾驶员席充气泵1-点火器；2-叠氮化钠；3-增压滤清器；4-到气囊的出口；5-充气泵壳体；6-点火剂气流中心,组成点火器、充气泵、气囊组件及固定件,2、气囊总成,气囊组件：气囊由轻尼龙或聚酯纤维布料制成，内层涂有聚氯丁二烯，用以密闭气体,图3-15 乘客席充气泵1-点火器；2-燃料；3-滤清器；4-盖；5-气囊；6-存储的气囊中心；7-气泵,图3-16 未展开的气囊,气囊总成组成：气囊、气囊容器、支撑架和底板、充气器和装饰盖,控制仪表板上的安全气囊检测灯 连续监测安全气囊系统的各个部件 控制安全气囊系统的诊断功能 在汽车碰撞期间，如蓄电池电压不足，则提供胀开气囊所需的电能 当收到来自传感器的相应信号时，负责给一个或几个气囊充气,典型的安全气囊系统控制组件(ACM)组件应具备的功能：,2、气囊总成(续),ACM组成：控制模块、信号处理电路、备用电源电路、保护电路和稳压电路等,控制模块：由A/D转换器、D/A转换器、I/O串口、只读存储器、随机存储器、EPROM和定时器组成,安全气囊检测灯 护膝板,其他电气附件：,信号处理电路：放大器和滤波器组成,备用电源电路,保护电路和稳压器,安全气囊系统的ECU,3.电子式正面碰撞气囊的结构原理,工作过程（与机械式气囊工作过程相同）,组成：加速度传感器、气体发生器、气袋、转向盘盖、充气泵、气囊组件及固定件，故障诊断系统、计算机控制系统、电力供给及储备系统等,气囊控制系统,4.侧面碰撞气囊,距离近：成员位置与汽车侧面很近时间短：碰撞后20ms30ms车门与乘员开始接触要求反应快：传感器感知碰撞时间仅几毫秒，气囊充气展开也仅有十几毫秒,侧面碰撞特点：,侧面气囊的分类：,安装在座椅上的侧面碰撞气囊 安装在车门上的侧面碰撞气囊 安装在车身立柱上的侧面碰撞气囊 安装在车身上的充气幕帘 安装在车身上的充气管状结构等,侧面气囊的类别：,头部、胸部、膝部、臀部侧碰气囊,图3-20典型的汽车转向柱系统,一、概述,图3-19汽车正面碰撞时转向柱驾驶员系统的碰撞关系,定义：,二、能量吸收式转向柱的结构原理与设计,汽车发生正面碰撞时，能够有效地吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向柱叫作吸能式转向柱,转向柱驾驶员碰撞关系：,首次碰撞:利用转向中间轴隔绝碰撞影响二次碰撞:利用能量吸收式转向柱吸收二次碰撞能量及部分惯性能量,3-3 能量吸收式转向柱,1.隔绝首次碰撞影响的对策,方法：,通过转向中间轴的防撞结构来隔绝碰撞影响,结构措施：,结构组成（右图）：,伸缩式转向中间轴,图3-21 伸缩式转向中间轴,图3-22波纹管式转向中间轴,波纹管式转向中间轴,可断开式式转向中间轴,1-转向器；2-下转向轴；3-上转向轴；4-转向盘；5-销钉,2.保护驾驶员免受二次碰撞伤害的吸能式转向柱,应具有以下性能：,在汽车正常行驶时，转向柱及其中的转向轴有足够的强度和刚度以保证正常的转向力矩传递及安装在其上的其他功能件（如变速杆、组合开关等）正常工作 当汽车发生正撞时，转向柱系统能够从车身结构中以机械的方式脱离 当汽车发生正撞时，转向柱及其中的转向轴可以被压缩，并且转向柱系统中应具有能量吸收原建议吸收碰撞能量,能量吸收原理,材料的弯曲 材料的变形 接触摩擦,3.吸能式转向柱设计中应注意的几个问题,剪断 折断 以上几种形式的组合,转向柱驾驶员系统的受力关系,转向柱安装角度对吸能效果的影响,转向柱最佳安装角度取值：21 22,压缩行程：150mm转向柱系统最小临界压缩力：1.1kN2.5kN转向柱断开联接盒的分离力：注塑销的破坏力500N/个吸能式转向柱除了能够保证规定的压缩变形力外，还要有足够的抗弯曲强度以提高轴向吸能效果吸能式转向柱压缩吸能部分的上、下端应分别连接在车身上强度和刚度有一定差异的部位，以保证压缩吸能力的传递,F2 较大时，会导致转向柱从车身上脱离 F2 增大会使驾驶员胸部所受的碰撞分力加大，是吸能缓冲效果下降,讨论:当F不变而q 变大时，吸能力F1略有下降，而F2 却大幅上升,能量吸收式转向柱的主要参数,3-4 汽车结构与被动安全性,汽车碰撞类型：,正面碰撞；侧面碰撞；追尾碰撞。,车身不同部位刚性对安全性的影响,一、汽车碰撞类型及不同部位刚性对其安全性的影响,图3-24 汽车碰撞事故的机率分布,图3-26 Sigma轿车车身1车身前部；2车身中部；3车身后部,图3-25 车身不同部位刚性对安全性的影响,二、车身结构的有限元分析,模型计算与实测值比较：,有限元模型：,图3-27 两门轿车左侧车体有限元模型a）车身形状；b）车身有限元划分,图3-28 挠度的计算值与试验值1、2对应前、后轴的位置；3、5分别指前后纵梁；4门槛；实线计算值；虚线试验值,图3-29 两种情况下边梁模拟变形情况,图3-30 两种情况下的载荷变化曲线,边梁模拟变形情况：,3、车身结构的有关安全措施,吸能式保险杠,吸能车架结构,车身侧面和顶部措施,车身结构安全性设计的主要内容,汽车结构安全性设计的主要原则,车身结构设计必须确保驾驶员的视野和视认性,措施：车身布置及结构设计应使车身各支柱，特别是前风窗支柱对驾驶员的视野性妨碍应最小，后视镜的设计要确保后方视野性的要求,三、车身结构安全性设计,汽车车身结构碰撞安全性设计,车身碰撞安全性定义：即是减小由于碰撞造成乘员伤害的程度或车身保护乘员的性能,车身结构安全性设计须具备的功能性要求,碰撞能量须能被指定结构部位分级吸收，确保乘员生存空间防止碰撞导致的乘员与室内部件的撞击，减小乘员的伤害碰撞后乘员易于逃生或进行车外救护，避免二次破坏或伤害,汽车被动安全技术：,汽车结构安全性 汽车安全防护装置,(一)碰撞安全的车身结构,利用车身前、后部构件的变形有效地吸收碰撞能量，而车身座舱坚固可靠，从而保证乘员的有效生存空间,2.车身变形区特性,1.车身结构碰撞安全的设计原则,车身前、后部结构要尽可能多地吸收碰撞能量，使碰撞过程中作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内 车身前、后部构件在碰撞中产生变形应根据碰撞强度逐级发生，控制受压各构件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入座舱，同时也有利于车身的修复车身座舱结构必须坚固可靠，事故中保证乘员安全,图3-31 安全座舱结构,图3-32车身前部碰撞变形的模拟,(二)车身前部结构的碰撞安全性,车身前部正面碰撞时的理想变形特性曲线,1.车辆正面碰撞特性,第变形区：既可保护行人，也可避免低速下车辆的破坏性第变形区：为相容区，保证两车相撞时，具有最佳的能量吸收特性和分布 第变形区：为自身保护区，用于撞击固定障碍（如墙壁）时对座舱完整性的保护,图3-33 车身前部理想变形特性曲线,结构安全措施：,车身前部压溃变形以吸收碰撞能量，缓解碰撞加速度,加固座舱前壁结构，确保座舱生存空间 利用安全带、安全气囊保护系统，避免二次碰撞造成的伤害,2.车身前部结构吸收碰撞能量的机理,讨论：车身前部的能量吸收能力与碰撞中前部变形部分的结构质量有关，变形部分质量越大，则所吸收的碰撞能量越强,图3-34(a)变形过程模拟比较（弯曲模式、压溃模式）,吸收碰撞能量的方式：弯曲变形、压溃变形,正面碰撞时，车身前部吸收的能量：,结构形式对吸收效果的影响,图3-34(b)能量吸收效果比较（载荷曲线）,图3-34(c)凸（凹）台的结构形式,图3-34(d)前纵梁的有限元模型及变形后的形状,2.吸能结构设计要点,在梁上设置易于轴向压溃的结构要素，如图3-35所示,3.加强座舱结构强度的措施,纵梁(车架)局部制成波纹管状 增加梁上弯曲部分的板厚，局部加强控制弯曲变形，设置轴向布置的加强筋,图3-35 车身梁构件上设计易于轴向压溃的结构要素,图3-36 碰撞载荷的纵向传递,提高座舱梁框架的承载能力合理传递碰撞载荷（图3-36叉型或三叉型布置结构）,图3-38 座舱的加强梁框架,图3-37 碰撞时发动机下移示意(奔驰A级车,1993年),4.防止车辆前部部件侵入座舱内,采取结构措施使刚性部件碰撞时下移，如图3-37所示,注意：燃油箱的保护,提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形，保证座舱的完整性及生存空间,(三)车身后部结构的碰撞安全性,(四)车身侧面结构的碰撞安全性,特点：车身侧面碰撞时允许的变形空间小,汽车侧面碰撞结构安全性设计的主要原则,保证侧面碰撞下座舱完整性的结构设计,合理设计座舱梁框架结构，将侧撞力传递到车身结构上具有承载能力的梁、柱、门槛、地板、车顶及其他构件上,图3-39 车门横向加强梁,保证侧面碰撞下座舱完整性的结构设计（续）,(五)车辆翻车时的结构安全性,增设车门横向加强梁,增加车身侧围框架的抗撞击强度及各梁构件之间的连接强度增加门槛强度,增大门槛梁的断面面积在封闭断面内设置加强板用发泡树脂填充门槛梁的空腔,加强地板中部的地板通道，提高车身抗弯强度 合理设计及布置门锁与铰链，加强铰链连接强度，保证将车门受到的撞击力有效地传递到立柱上,要点：保证侧翻后座舱的生存空间,加强车顶梁及立柱的强度在车顶设置横向支撑梁构件,措施：,3-5 其他乘员保护技术,一、安全玻璃,表3-1 光控制用窗玻璃的功能与内容,要求：车窗玻璃爆裂后不能伤害乘客和行人，强烈撞击时乘客不会发生被抛出车外的危险。,应用：聚氨酯胶合车窗。发展趋势:光控制用功能性玻璃,二、安全头枕,功用：在汽车发生碰撞事故（尤其是受迫追尾碰撞）时，可抑制乘员头部后倾，以防止或减轻对颈部的伤害。,头枕性能要求：（GB11550-95）,位置和尺寸要求：,沿平行于躯干基准线测量头枕的顶端到R点的长度，驾驶员座椅700mm，其他座椅650mm由头枕顶端沿平行于躯干基准线方向向下65mm处或者由R点沿平行于躯干基准线向上635mm处，头枕的外型宽度以座椅中心面为对称面，左右宽各 85mm,头枕按规定的实验方法实验时，头型移动量必须102mm，将载荷加至890N时，头枕及其安装部件在座椅及靠背等损坏前不能破损或脱落头枕按规定的实验方法实验时，加给摆锤(头型)的减速度，连续超过80g的时间必须3ms,强度和吸能性要求：,三、行人安全保护,四、吸能内饰和阻燃内饰,五、儿童安全保护锁,应用：车外行人气囊保护系统。,