汽车安全论文

汽车安全技术的现状晏斌11018228摘要：面对中国交通事故伤亡率高的现状，企业、学校、研究机构都加大了对汽车安全技术研究开发的投入，加快了安全技术研发能力的提升和产品化进程。自主品牌汽车C-NCAP五星高分的获得标志着中国被动安全技术的飞跃性发展。进一步开展对行人保护、后排乘员保护、防后碰鞭打保护以及骑自行车人保护等被动安全研究的同时，主动安全系统、预碰撞系统、智能化汽车网络系统的研究开发已经成为关注的热点，更高层次的乘员、车和环境等相关主被动安全技术的统合协调，将推动零碰撞零伤亡汽车安全理念的实现。国家级研究开发及产业化大课题的设立、法规标准的建立和完善将会成为汽车安全技术快速发展的动力。关键词：汽车安全；主动安全系统；被动安全系统；NCAPStatusofautomotivesafetytechnologyYanBin11018228Abstract:InvestmentsofautomotivesafetytechnologyhavesubstantiallybeenincreasedduetoheavycasualtyintrafficaccidentinChina.IttherebyacceleratestheimprovementofR&Dcapabilityofsafetytechnologyandcommercializationprocess.Thefactthatthedomestic-brandvehicleshaveachievedC-NCAP5-starratingmarksagreatleapforwardintermsofpassivesafetytechnologyinChina.Theresearchofpassivesafetyisfurtherperformedwithregardtopedestrianprotection,rear-rowpassenger’sprotection,whiplashprotectionandcyclistprotection.Meanwhile,theresearchanddevelopmentofactivesafety,pre-crashsafetyandintelligentautomotivenetworksystemhavebecomethefocuses.Theperfectcombinationofhighlevelactiveandpassivesafetytechnologyregardingtopassenger,vehicleandenvironmentwillpromotetheaccomplishmentofsafetyphilosophyofzerocrashandzerocasualty.Thesubjectestablishmentofstate-leveldevelopmentandindustrialization,andregulationsconstitutionandperfectionthereofwillbecomethedrivingforceofrapidgrowthofautosafetytechnology.Keywords:automotivesafety;activesafety;passivesafety;NCAP板等硬物上。安全气囊面世以来，已经挽救了许多人的性命。研究表明，有气囊装置的轿车发生正面撞车，驾驶者的死亡率，大轿车降低了30%，中型轿车降低11%，小型轿车降低14%。安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，气囊容量约在(50-90)L。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤。安全气囊所用的气体多是氮气或一氧化碳。除了驾驶员侧有安全气囊外，有些轿车前排也安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊规格)，乘客用的与驾车者用的相似，只是气囊的体积要大些，所需的气体也多一些而已。另外，有些轿车还在座位侧面靠门一侧安装了侧面安全气囊。1.6、乘员头颈保护系统（WHIPS）WHIPS一般设置于前排座椅。当轿车受到后部的撞击时，头颈保护系统会迅速充气膨胀起来，其整个靠背都会随乘坐者一起后倾，乘坐者的整个背部和靠背安稳地贴近在一起，靠背则会后倾以最大限度地降低头部向前甩的力量，座椅的椅背和头枕会向后水平移动，使身体的上部和头部得到轻柔、均衡地支撑与保护，以减轻脊椎以及颈部所承受的冲击力，并防止头部向后甩所带来的伤害。1.7、车外人员保护技术欧洲早在1987年便成立专门负责行人安全保护研究的WG10工作组并于1998年提出了完备的行人保护实验方法，目前欧洲和日本的NCAP体系对行人保护评估已经日臻成熟。欧洲汽车生产商和汽车零部件供应商在行人保护上进行了大量的工作，欧洲车辆的前部造型经过长期优化可以有效减少行人碰撞时受到的伤害，奥托立夫也开发出了可以减少行人头部伤害的发动机罩气囊。中国虽然汽车保有量在2亿辆左右，但是作为发展中国家，基础设施相对薄弱，众多人口，以及混合交通为主的路面交通情况更加导致了人-车碰撞交通事故中极高的行人伤亡率，行人的死亡率占到事故总死亡率的26%，高于其他各类交通事故的人员死亡率[2]。中国近几年才开始开展行人保护方面的研究，2009-10-30国家发布了GB/T24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》的法规标准，体现了中国政府及汽车生产企业对行人安全的重视。目前中国汽车技术研究中心拥有完整的能够进行超过7个模块的冲击实验，包括头部模块（成人与儿童）对发动机罩冲击试验、腿部模块对保险杠冲击试验、大腿模块对发动机罩边缘冲击试验的行人保护实验室，其他汽车生产商的行人保护实验室正在积极建设中。自行车作为中国的主要交通工具，在复杂的道路环境下同样面临着受到机动车辆碰撞的危险，根据中国交通现状，相关高校针对驾驶自行车人与车辆碰撞时的碰撞速度、骑车人与汽车接触位置、骑车人运动规律、人体损伤力学等方面进行事故再现、事故模拟，建立以中国人体特征为参数的碰撞模型进行仿真研究，并寻求减少骑车人伤害的解决办法[3]。2、被动安全系统的发展趋势将来，主动与被动安全系统的集成是一股势不可挡的趋势。复杂的整合技术将近距离雷达、远程雷达、影像传感、转向及翻滚角度传感、稳定控制电子传感等诸多技术结合在一起，对驾驶环境实施全面监控，集中比较、分析多方面的数据，在必要时启动最适当的下一级系统，自动地或辅助驾驶者采取正确的防护措施。集成的主、被动系统能实现更强的安全性能，最大程度地保护车辆、乘员乃至行人的安全，其价值远远超过了各自独立、互不相干的防护系统。根据美国TRW汽车集团(TRWAutomotive)的技术蓝图，大部分主、被动汽车安全技术的集成指日可待。事实上，主、被动安全系统的技术整合和运用早已开始。以预警安全系统为例，在发生意外时，在刹车片上施加足够的压力能启动制动辅助（BrakeAssist）系统或车身稳定控制（VSC）系统。感知汽车严重打滑，预警安全系统则会自动激活电控的座椅安全带预张紧器（即TRW主动控制牵引器，ACR），随之把前座椅移至最佳的安全位置。在前座椅置于安全气囊保护的最佳距离的同时，ACR自动收紧座椅安全带以加强乘员保护。该阶段的技术整合所采用的制动辅助系统，在潜在碰撞发生前启动安全防护措施。TRW的ACR技术也具可逆转性，如果实际碰撞并未发生，ACR在几秒钟内会调整至初始状态。相比之下，其它碰撞驱动型座椅安全带预张紧器装置在启动后无法自动回复初始状态，必须重新安装。3、被动安全系统的展望3.1、预警驾驶辅助在集成化的第二阶段，安全技术发展到具有一定的先知先觉能力。这样的系统能无须驾驶员的操作自动运行，监控驾驶环境。预警技术一般建立在传感技术（如雷达、实时摄像）基础之上，传感装置随时监控相关驾驶环境。TRW一直努力研发一系列基于雷达技术的传感系统，如自适性巡航控制(AdaptiveCruiseControl)，该系统已被应用于德国大众的一部分欧洲和北美的车型上。这些通常也被称为驾驶辅助系统。早期，驾驶辅助主要提供驾驶便利，而在今后将逐步发展成为主动安全技术中不可或缺的部分。以车道引导(LaneGuide)系统为例，当系统感知车辆在车道上蜿蜒蛇行或偏离道路时，会为驾驶者提供相应的矫正辅助。包括ACR在内的各种保护装置相应启动，一是警示驾驶者；二是确保驾驶者处于安全气囊保护的最理想位置；同时电子转向系统提供触觉传感反馈，引导驾驶者回到正确的车道上。3.2、智能化反馈好的预警系统是“善解人意”的。它能为驾驶者提供适当类型及程度的反馈，既提高安全性又不分散注意力、妨碍驾驶。TRW设计的安全装置一般情况下是在不知不觉中为驾驶者提供保护的；而只有当比较严重的情况发生时，如车辆偏离车道或驶离道路时，音频、视频等明显的反馈装置才会发挥作用。将来，结合智能化传输系统，主动和被动安全系统都将与车辆外部环境保持更紧密的联系。全球定位系统（GlobalPositioningSystem）和智能化道路都属于智能化传输系统。以智能化道路为例，这种系统利用传感器和卫星数据追踪汽车位置，并在潜在意外发生前——如临近交叉路口时——及时提醒驾驶者注意路况。3.3、全方位保护高度集成的安全系统除了有效控制车辆、保护乘员，还兼顾车辆外部人员。在欧洲和日本，政府非常重视保护行人免受严重或致命伤害的立法。TRW行人保护系统能有效降低人车相撞的机率，或在碰撞在所难免时保护驾驶者和行人的安全。首先，基于雷达或摄像的感知系统能察觉道路上肉眼不易察觉的物体，比如突然出现的行人。在感知系统及时提醒驾驶者的同时，制动助力系统、电子液压制动等系统同时启动，自动降低车速，从而防止碰撞发生或降低碰撞严重性。如果人车相撞不幸发生，TRW研发的行人安全气囊会从发动机罩下瞬间充气展开，减小车辆碰撞人体的力度。兼备在传感器、驾驶辅助、制动、转向、防滑、乘员安全等各领域的技术专长，才真正有条件整合主、被动安全技术、全面提高未来汽车的舒适性和安全性。作为行业内最全面的安全产品研发者和供应商，像TRW等多个大型汽车集团正在以开发先进传感技术为基础，走向驱动汽车安全集成化的进程。4、主动安全技术主动安全技术，又称预防安全技术，是指在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的技术。主动安全技术主要包括底盘主动安全技术、安全预警技术和综合安全技术等，整个主动安全技术的发展伴随着信息技术及电子技术的发展。底盘主动安全技术主要以底盘控制技术为核心，最终采用底盘部件执行安全相关控制。其应用最早始于制动防抱死系统（anti-lockedbrakingsystem,ABS），特别是1995年随着电子稳定性控制系统（electronicstabilitycontrol,ESC）投入市场，底盘主动安全技术进入到快速发展的阶段，后续诸如自适应巡航控制系统(adaptivecruisecontrol,ACC)及碰撞缓解制动系统（collisionmitigationbrakesystem,CMBS）等主动安全系统先后研发成功，底盘主动安全技术已经由单纯制动控制技术向集成转向控制发展。安全预警技术通过对危险情况识别并对驾驶员进行预警提示。随着视觉技术应用的发展，以视觉传感器为代表安全预警系统被广泛应用，其中车道偏离预警系统(lanedeparturewarning,LDW）及盲点监测预警系统等已经大量应用于豪华汽车上。随着汽车电子技术及传感器技术的发展，特别是通信技术在汽车上的应用，使汽车主动安全技术正朝着多功能、集成化方向发展，而与被动安全技术3G通讯网络的结合后，集主被动于一体的综合安全技术成为未来汽车安全技术的发展方向。4.1、底盘主动控制技术汽车主动安全控制通常是通过底盘主动安全控制实现其执行功能。其中电子制动控制是底盘主动控制技术应用最广泛的技术之一。电子稳定性控制系统（ESC）在底盘主动安全控制技术中具有里程碑地位。如图2所示，电子稳定性控制系统通过传感器探测的数据比较驾驶员操作意图和汽车实际运行状态，并通过差速制动方式对车辆施加补偿横摆力矩，控制车辆的转向特性变化，提高侧向稳定性，进而减少交通事故数量。美国高速公路交通安全署(NationalHighwayTransportationSafetyAdministration,NHTSA)在分析美国7个州1997年到2004年的交通事故数据发现：电子稳定性控制系统可以减少34%乘用车单车事故以及59%的运动型多功能车(sportsutilityvehicle,SUV)单车事故[4]。在美国，2012年以后生产销售的乘用车要求必须装配电子稳定性控制系统。诸如电子稳定性控制系统（electronicstabilitycontrol，ESC）、电动助力转向技术（electricalpowersteering,EPS）及侧倾稳定性控制系统（rollstabilitycontrol,RSC）等底盘主动控制系统已经提高了车辆的安全性能，但是各个系统彼此孤立，并没有实现安全性能的最大化。而底盘一体化控制系统，通过融合制动、转向及悬架主动控制技术，通过各个系统的层级控制实现车辆安全控制的最优化。图2电子稳定性控制系统结构4.2、安全预警技术安全预警技术通过超声波、视觉及雷达等传感器探测道路环境信息，通过分析各类信息对驾驶员进行提醒及预警，进而减少事故的发生[5]。目前，在车内应用了大量的视觉传感器，通过内部视觉传感器可以探知驾驶员是否瞌睡，进而进行瞌睡预警提醒；通过外部超声波雷达和视觉传感器可以辅助驾驶员完成泊车操作；而毫米波雷达及视觉传感器可以探测车辆前方行人和车辆，对车辆的碰撞可能性进行预警。伴随视觉技术的发展，以单目视觉传感器为基础的安全预警系统将更广泛的应用于车辆上，而与其它传感器进行数据融合将进一步提高安全预警技术的鲁棒性和安全性。4.3、综合安全技术随着主动安全技术及被动安全技术的发展，汽车安全技术逐渐形成为以“碰撞事故”为核心，通过事故前主动安全技术避免、事故中被动安全技术有效缓解及事故后远程救援三个阶段的综合安全技术来实现最小事故伤亡的目标。根据碰撞的风险，各个阶段通过不同系统完成安全控制，通过综合各类安全控制系统功能，并融合各个系统优点，使交通事故伤亡最小化。为推动主动安全技术应用，国外一些政府或开发部门设立了多个合作组织及多项合作项目，例如欧洲的FOT（FieldOperationalTest）项目、PReVENT项目、德国的INVENT项目、美国的ACAS项目等。各大零部件供应商和主机厂通过参加各种组织和项目，完善了产品的技术要求和试验标准，推动了主动安全技术的产业化。以沃尔沃汽车CitySafety城市安全系统为例，该系统包括了自适应巡航（ACC）、车道偏离预警（LDW）、电子稳定性控制（ESC）及碰撞缓解制动（CMBS）等功能，该系统能够避免低速下车辆追尾风险，减少约60%由于追尾事故导致的的颈部软组织损伤事故。为满足市场需要，各零部件供应商也先后开发出集主被动安全技术于一体的安全产品，如博世公司的CAPS系统、大陆公司的Conti-Guard系统、TRW公司的认知型主动安全系统等。汽车主动安全技术产品已经呈现出功能集成化、系统化和综合化的发展趋势。国内主动安全技术的开发方面也取得了一定成果，清华大学开发的THMR-V智能车辆装备了电荷耦合器件摄像机（chargecoupleddevicecamera,CCD)及导航系统，实现智能驾驶功能[6]。吉利汽车提出了GTMS安全开发理念，以交通事故零伤亡为开发目标，结合电子稳定性控制系统、自适应巡航系统、前/后碰撞预警系统及G-Netlink系统于一体实现碰撞前、碰撞中和碰撞后对乘员的安全保护。5、NCAP对汽车安全技术的影响不同NCAP对车身结构提出了不同要求。USNCAP不仅要求车辆在碰撞过程中不能超过一定的减速度，而且要求击溃长度不少于一定值。而EuroNCAP要求影响乘员安全性的零件如前围板、制动踏板、方向管柱等对乘员的侵入量不能超出一定值。因此前舱的刚度不能太大或太小，否则无法满足各个NCAP的要求。为最大程度上保护车内乘员和行人的安全，汽车整车设计成前后部刚度较小、乘客舱刚度很大。而且将发动机舱设计成三段式，分别为低速行人保护区、相容吸能区和自身保护区。这样在低速时既能使行人的伤害减低到最小，同时又能在高速碰撞时通过前后舱结构的压溃来吸收碰撞中的大部分能量，有效保护乘客，见图3。汽车交通事故发生在前面的概率约为40%，因此前舱设计是汽车结构设计的重点，前舱设计实际上是能量传递路线的设计。从图3可见，通常将前端碰撞的能量传递路线设计成3条，一条是沿着水箱横梁传递给翼子板加强板，然后经A柱传递给驾驶舱上体；第二条路线由前纵梁传给翼子板加强板，经前围板传给驾驶舱上体，由前地板纵梁传给车身下体；第三条路线由前悬架延伸梁(在前端和纵梁采用一定的支架连接)，经副车架传给车身纵梁，从而传给车身下体。3条路线能避免能量的过度集中，有效提高整车的安全整体承受能力。为保证上述3段强度和3条能量传递路线，通常采用不同性能的材料进行组合以满足不同区域的要求，对于车身结构的加强件如纵梁、B柱加强板、门槛梁加强板、A柱下段加强板、车门防撞杆以及座椅支架等均采用高强度钢或超强度钢(TRIP)。这2种材料在汽车上的应用越来越多，所占的比重越来越大。以菲亚特产品为例，80年代超强度钢使用比例为0，高强度钢使用比例为6%，90年代高强度钢使用比例增加至10%。自NCAP规范使用后，高强度钢增加至22%，超强度钢增加至4%。到2005年底，高强度钢占到50%，超强度钢占到17%。低碳钢的比例也由80年代的94%降低至33%。这组数据从一定程度上反映了汽车工业上各种不同材料钢材在汽车上的应用趋势。纵梁总成在很大程度上决定了汽车纵向碰撞的安全性能，因此也成为研究重点。通常将纵梁前部设计成梯形结构钢梁、孔式结构、褶皱式造型、波纹管状结构来诱导纵梁的变形节奏和能量传递路径；通过优化纵梁的不同材料组合，既能降低纵梁重量20%，降低成本几十美金，而且能有效提高纵梁的碰撞、刚度和模态性能。此外，通过优化纵梁的截面形状(包括加强筋布置)、厚度、尺寸和结构形式等使结构的变形阻力保持在适当水平，并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计原则及能量吸收曲线图。为满足侧撞的要求，侧围通常设计成能将侧碰力有效传递到车身具有保护作用的梁、门立柱、地板、顶盖及其它部件，使撞击力被这些部件吸收，从而极大限度地把可能造成的伤害降低到最小程度。因此需要采用高强度钢增加车门的刚度；增大A、B、C立柱的截面形状，以及局部加强侧围与门加强件接触部位、立柱与门槛和车顶纵梁连接部位的强度；增加地板横梁，将座椅支架和门槛梁连接一体增加侧向防撞能力。图3前舱安全3段和能量传递图5.1、安全约束系统的改进安全约束系统的配备和性能的提升是增加NCAP星级的有效途径。目前通常采用预紧式安全带代替传统安全带系统。预紧式安全带的特点是当汽车发生碰撞事故的一瞬间，在乘员尚未向前移动时它会首先拉紧织带，立即将乘员紧紧绑在座椅上，然后锁止织带防止乘员身体前倾，有效保护乘员的安全。福特公司最近发明一种膨胀式的安全带，能像安全气囊一样在碰撞时配合安全带的收紧充气，有效保证乘员的内脏不受到严重挤压。同时，能自动给乘员佩带身上的安全带，以提高安全带的佩带率。安全气囊作为安全带的辅助安全设施在交通事故中也大大提高了乘员的安全性。通常一辆NCAP星级较高的车辆会配备驾驶员和副驾驶气囊、侧碰撞气囊及车窗侧气帘等多个气囊，在不同的碰撞中保护乘员不同方位的安全。目前，两段式安全气囊正在逐步替代普通安全气囊，因为它能根据汽车碰撞的加速度和安全带的状态，分2种不同的速度和强度展开，避免造成对乘客的不必要伤害。智能安全气囊作为发展方向，采用先进的传感器技术和信息处理系统，在事故发生的短暂时间内提供可靠的碰撞环境信息；通过优化气囊的充气速率、折叠方式和最佳点火时间，碰撞时转向柱、座椅及头枕、安全带等各自满足相关标准的最佳结构和力变形特性以及各部件碰撞特性的协调与互补问题,根据检测到的乘员身高、体重、坐姿等信息，自动将乘员保护系统调节到最佳保护状态,使乘员保护系统逐步智能化。对保护追尾碰撞的座椅头枕，目前多采用手动调节的方式，很多人一般不会太重视，但是头枕的位置如果调整不正确有可能造成对头颈的伤害。因此目前的新产品均能通过嵌装在头枕中的新型传感器，检测头枕与头部之间的距离，算出头枕应该移动的距离,自动将座椅调整至最佳状态，有效保护乘员头颈的安全。5.2、假人和传感器的改进假人作为代替真人参与各种NCAP试验的研究对象，在汽车安全性的研究方面具有很重要的地位。假人的生物保真程度将大大影响试验的精确性。因此需要按照不同年龄的生理特征研制不同规格的假人。假人模型大部分是由金属与塑料制作的,其胸腔是钢制的,肩胛骨是铝制的，盆骨是塑料的。假人的皮肤摸上去不仅要有弹性，还要跟真人一样有一定的承受力。一个假人由近400个部件、约60个传感器组成。通用汽车的HybridIII，衍生出了从新生婴儿到55岁成年人的各个不同年龄段、不同性别的模拟假人，已经可以实现95%的人体模拟保真度。今后的发展趋势是如何尽可能地使假人特性接近真人，以及假人身体内传感器的合理部位和个数及传感器本身的灵敏度和数据处理系统能力的提高。5.3、NCAP规范本身的改进自1996年秋季以来，经过一系列演变，EuroNCAP已经达到了第14个阶段。在这个演变过程中，试验与评价方法都经历了改变与改进，增加了减分项和加分项。每一次改变，厂商都会积极应对，改善车辆结构，使原来的非标准配置转变为标准配置。NCAP对安全性的推动效果是显而易见的。从1996年NCAP实施后的7年时间里，有165个车型接受了评价。众多的试验结果为NCAP更好地评估车辆的安全性能提供了丰富的素材。各国的NCAP也在不断的演变和改进。澳洲的ANCAP刚开始有一套自己的评价系统，随着EuroNCAP的出现和应用，ANCAP也在许多方面借用了EuroNCAP的方法。目前韩国的KNCAP只评价车辆前碰的安