第三章 汽車被動安全技術(shù) 授課：廖抒華,汽車被動安全技術(shù)：,汽車安全防護(hù)裝置 汽車結(jié)構(gòu)安全性,3-1 汽車座椅及座椅安全帶,汽車安全防護(hù)裝置,汽車座椅及座椅安全帶 安全氣囊 安全轉(zhuǎn)向器 安全玻璃,用途：保護(hù)車內(nèi)乘員免遭傷害或減輕傷害的程度,一、汽車座椅,圖3-1 汽車座椅總成圖 1-頭枕總成；2、11-卡簧；3-導(dǎo)管；4-靠背骨架；5-靠背泡沫內(nèi)芯；6-靠背袋架；7-靠背總成；8-靠背調(diào)節(jié)器飾板；9-靠背調(diào)節(jié)旋鈕；10-靠背調(diào)節(jié)器飾板固定銷；12-座椅滑動襯塊；13-坐墊總成,座椅系統(tǒng)的功能安全性、舒適性、低成本、質(zhì)量好，美觀耐用,座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)頭枕、靠背、坐墊、座椅總成固定件,座椅的結(jié)構(gòu),座椅系統(tǒng)的組成,骨架 整體式、可翻折式,彈性元件 褥墊（填料） 蒙面 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),二、汽車座椅安全帶,安全帶使用效果,圖3-2 汽車安全帶效果 1-無安全帶乘員負(fù)傷率； 2-有安全帶乘員負(fù)傷率 3-無安全帶乘員死亡率； 4-有安全帶乘員死亡率,圖3-3 駕駛員與車輛速度的關(guān)系 v1 碰撞后汽車速度； v2 -碰撞后乘員速度 Dv-乘員與車廂內(nèi)二次碰撞速度,駕駛員負(fù)傷率可降低43%52% 副駕駛員負(fù)傷率可降低37%45%,定義：,安全帶是主要的乘員約束系統(tǒng)，可限制車輛前方碰撞以及翻滾過程中人體相對于車體的運動，并可吸收部分沖擊能量，達(dá)到保護(hù)乘員的目的,1. 汽車座椅安全帶的分類,2. 安全帶的組成及各部件的作用,兩點式安全帶（圖a） 斜掛式安全帶（圖b） 三點式安全帶（圖c） 全背帶式安全帶（圖d）,組成: 織帶、帶扣、卷收器、調(diào)節(jié)件,織帶：化學(xué)纖維編織，寬50mm；厚1.11.2mm 。 帶扣：既能把乘員約束在安全帶內(nèi)，又能快速解脫的連接裝置。 卷收器：在汽車正常行駛時允許止帶自由伸縮，當(dāng)汽車速度急劇變化時，鎖止機(jī)構(gòu)會保持安全帶束緊力約束乘員。,圖3-4 汽車安全帶分類,圖3-5 汽車安全帶的組成 1-外側(cè)上部固定點； 2-導(dǎo)向板；3-肩帶； 4-頭枕；5-腰帶；6-卷收器；7-外側(cè)地板固定點；8-內(nèi)側(cè)地板固定點；9-鎖扣；10-插板,卷收器的作用,卷收器的類型,在安全帶長度不同時，收卷、儲存織帶 使用安全帶時，乘員不必調(diào)節(jié)織帶長度 乘員使用安全帶時上半身的動作比較自如 為了提高撞車時安全帶的約束性能，預(yù)先將織帶收緊,調(diào)節(jié)件：用于調(diào)節(jié)織帶使用長度的部件。,無鎖止式卷收器 自動鎖止式卷收器 緊急鎖止式卷收器,織帶敏感式 車體敏感式 復(fù)合敏感式,應(yīng)用：緊急鎖止式卷收器,圖3-5 汽車安全帶的組成 1-外側(cè)上部固定點； 2-導(dǎo)向板；3-肩帶； 4-頭枕；5-腰帶；6-卷收器；7-外側(cè)地板固定點；8-內(nèi)側(cè)地板固定點；9-鎖扣；10-插板,3. 安全帶的使用注意事項,常檢查 一人用,用后收 配座椅 中性洗,護(hù)兒童 使用好,3-2 安全氣囊,一、安全氣囊設(shè)計的基本思想,安全氣囊最大容許時間：從汽車碰撞開始算起，氣囊漲開所需的總時間100ms,其實際的展開時間大約是30ms，氣囊漲開1s之后就會癟掉，以防止駕駛?cè)藛T被氣囊窒息。,作用：當(dāng)汽車受到撞擊急劇減速時，氣囊就迅速膨脹以防止駕駛員身體向前沖擊轉(zhuǎn)向盤和擋風(fēng)玻璃。 功效：有助于防止碰撞過程中頭/面部和胸部的損害，尤其是在汽車正面碰撞和前側(cè)碰撞時，保護(hù)作用尤為明顯。,汽車安全氣囊系統(tǒng)SRS (Supplemental Restraint System) / 輔助乘員保護(hù)系統(tǒng),二、安全氣囊的作用,在汽車碰撞發(fā)生后, 乘員與車內(nèi)構(gòu)件碰撞前, 迅速在兩者之間自動地打開充滿氣體氣墊, 使乘員“撲”在氣墊上, 以緩和沖擊并吸收部分碰撞能量, 從而達(dá)到減輕乘員傷害程度的目的,三、安全氣囊的可靠性設(shè)置,電源：采用雙電源工作：電源、氣囊電子電路的儲能元件，低電壓小功率的備用電源。 器件：高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性：抗干擾、抗老化，主要器件采取降額使用、并聯(lián)冗余等措施，控制軟件應(yīng)具有自檢功能。,四.駕駛員正面氣囊引爆的條件,碰撞方位為正前方或斜前方30 碰撞時，減速度電腦設(shè)定的減速度閾值,汽車遭受側(cè)面碰撞超過斜前方30時 汽車遭受橫向碰撞時 汽車遭受后方碰撞時 汽車發(fā)生繞縱向軸線側(cè)翻時 縱向減速度未達(dá)到設(shè)定的減速度閾值 汽車正常行駛，正常制動或在不平路面的道路上行駛時,五. 安全氣囊不能被引爆的條件,六. 安全氣囊的工作過程,圖3-6 汽車安全氣囊的動作過程,（車速度50km/h）,六、安全氣囊系統(tǒng)的工作過程（續(xù)）,七、安全氣囊的組成,前碰撞(相當(dāng)于16km/h的速度與剛壁正碰)傳感器探測信號氣體發(fā)生器引爆裝置引爆后快速生成氣體氣體充入氣囊氣囊漲開(0.05s) 吸收乘員向前運動能量氣囊漲開1s后排出氣體癟掉,材料：尼龍6、尼龍66 容量：正駕側(cè)50L80L， 副駕側(cè)120L160L,1. 氣袋,組成傳感器系統(tǒng)、氣囊總成、氣體發(fā)生器、系統(tǒng)控制模塊(ACM)及其他附件,圖3-7 典型安全氣囊系統(tǒng)的組成 1-左碰撞傳感器；2-右碰撞傳感器； 3-SRS警告燈；4-SRS電器（包括安全傳感器）；5-氣囊組件,2. 氣體發(fā)生器,火藥式:由火箭燃料組成，體積小，氣體轉(zhuǎn)化率40%。爆炸反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體溫度較高，易產(chǎn)生灼傷，有異味。燃料有毒，易污染。,2. 氣體發(fā)生器（續(xù)）,3.碰撞傳感器,混合式:以氬氣作為壓縮氣體，點火爆炸后壓縮氣體從儲氣罐沖出，充滿氣袋。應(yīng)用廣，缺點是壓縮氣體膨脹時吸收大量熱量，易造成結(jié)霜，氣體溫度降低，膨脹效果不不太理想。,安裝設(shè)置： 34只碰撞傳感器,碰撞傳感器類型： 滾子式傳感器、鋼球式傳感器、水銀開關(guān)式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器,功能檢測、判斷汽車發(fā)生事故后的撞擊信號，以便及時啟動安全氣囊，并提供足夠的電能或機(jī)械能來點燃?xì)怏w發(fā)生器。,滾子式傳感器,鋼球式傳感器,水銀式傳感器,偏心錘式傳感器,第三類氣體:氣體轉(zhuǎn)化率60%98%，對人體無毒，對環(huán)境無害，利于回收，體積小，易于布置。,八、安全氣囊的分類,主要針對未系安全帶的乘員設(shè)計，無需使用者設(shè)定就能處于工作狀態(tài)，1820km/h發(fā)生碰撞引爆氣囊。,安全帶-氣囊保護(hù)系統(tǒng)；30km/h發(fā)生碰撞時點火引爆氣囊,分立元件型 集成電路型 微機(jī)控制型,其中電控式還可分為：集中控制式，分散控制式,九、安全氣囊的結(jié)構(gòu)原理,1. 機(jī)械式正面碰撞氣囊的結(jié)構(gòu)原理,工作原理事故過程中人體與氣囊相互作用過程如右圖示意,圖3-8 事故過程中人體與氣囊作用過程示意圖,組成：加速度傳感器、氣體發(fā)生器、氣袋、轉(zhuǎn)向盤蓋、充氣泵、氣囊組件及固定件,圖3-9 機(jī)械式正面碰撞氣囊結(jié)構(gòu)示意圖,特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是不易使氣囊在最佳時刻點火，抗干擾能力差,工作過程,6個步驟：發(fā)生碰撞、傳感器感知發(fā)生碰撞、傳感器球體動作、點火、氣體產(chǎn)生、氣體膨脹,氣囊加速度傳感器,圖3-10 機(jī)械式氣囊傳感器工作原理,圖3-11 駕駛員氣囊發(fā)生器展開圖,組成：鎖止彈簧、敏感球、球體導(dǎo)向柱、觸發(fā)杠桿、點火針、點火彈簧、鎖止桿、平衡針、鎖止鉤、平衡彈簧等,工作原理如左圖示意,氣體發(fā)生器如右圖,組成：安裝板總成、過濾器、混絲過濾器、推進(jìn)劑、燃燒艙、過濾器擋板、殼體、密封器以及密封墊等,轉(zhuǎn)向盤安全氣囊圖例,氣體發(fā)生器點火器和充氣泵等,圖3-12 轉(zhuǎn)向盤安全氣囊總成 1-安裝架；2-充氣器外殼；3-轉(zhuǎn)向盤；4-氣囊；5-引火藥；6-電雷管；7-汽化劑；8-氣囊保護(hù)罩；9-濾清器；10-氣囊盒；11-經(jīng)濟(jì)速度開關(guān)；12-纏疊電纜,圖3-14 點火器 1-殼體； 2-電橋道線；3-點火劑出口；4-點火劑固定器,圖3-13 駕駛員席充氣泵 1-點火器；2-疊氮化鈉；3-增壓濾清器；4-到氣囊的出口；5-充氣泵殼體；6-點火劑氣流中心,組成點火器、充氣泵、氣囊組件及固定件,2、氣囊總成,氣囊組件： 氣囊由輕尼龍或聚酯纖維布料制成，內(nèi)層涂有聚氯丁二烯，用以密閉氣體,圖3-15 乘客席充氣泵 1-點火器；2-燃料；3-濾清器；4-蓋；5-氣囊；6-存儲的氣囊中心；7-氣泵,圖3-16 未展開的氣囊,氣囊總成組成： 氣囊、氣囊容器、支撐架和底板、充氣器和裝飾蓋,控制儀表板上的安全氣囊檢測燈 連續(xù)監(jiān)測安全氣囊系統(tǒng)的各個部件 控制安全氣囊系統(tǒng)的診斷功能 在汽車碰撞期間，如蓄電池電壓不足，則提供脹開氣囊所需的電能 當(dāng)收到來自傳感器的相應(yīng)信號時，負(fù)責(zé)給一個或幾個氣囊充氣,典型的安全氣囊系統(tǒng)控制組件(ACM)組件應(yīng)具備的功能：,2、氣囊總成(續(xù)),ACM組成：控制模塊、信號處理電路、備用電源電路、保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路等,控制模塊： 由A/D轉(zhuǎn)換器、 D/A轉(zhuǎn)換器、 I/O串口、只讀存儲器、隨機(jī)存儲器、EPROM和定時器組成,安全氣囊檢測燈 護(hù)膝板,其他電氣附件：,信號處理電路： 放大器和濾波器組成,備用電源電路,保護(hù)電路和穩(wěn)壓器,安全氣囊系統(tǒng)的ECU,3. 電子式正面碰撞氣囊的結(jié)構(gòu)原理,工作過程（與機(jī)械式氣囊工作過程相同）,組成：加速度傳感器、氣體發(fā)生器、氣袋、轉(zhuǎn)向盤蓋、充氣泵、氣囊組件及固定件，故障診斷系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、電力供給及儲備系統(tǒng)等,氣囊控制系統(tǒng),4. 側(cè)面碰撞氣囊,距離近：成員位置與汽車側(cè)面很近 時間短：碰撞后20ms30ms車門與乘員開始接觸 要求反應(yīng)快：傳感器感知碰撞時間僅幾毫秒，氣囊充氣展開也僅有十幾毫秒,側(cè)面碰撞特點：,側(cè)面氣囊的分類：,安裝在座椅上的側(cè)面碰撞氣囊 安裝在車門上的側(cè)面碰撞氣囊 安裝在車身立柱上的側(cè)面碰撞氣囊 安裝在車身上的充氣幕簾 安裝在車身上的充氣管狀結(jié)構(gòu)等,側(cè)面氣囊的類別：,頭部、胸部、膝部、臀部側(cè)碰氣囊,圖3-20典型的汽車轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng),一、概述,圖3-19汽車正面碰撞時轉(zhuǎn)向柱駕駛員系統(tǒng)的碰撞關(guān)系,定義：,二、能量吸收式轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計,汽車發(fā)生正面碰撞時，能夠有效地吸收碰撞能量，防止或減少碰撞能量傷害駕駛員的轉(zhuǎn)向柱叫作吸能式轉(zhuǎn)向柱,轉(zhuǎn)向柱駕駛員碰撞關(guān)系：,首次碰撞:利用轉(zhuǎn)向中間軸隔絕碰撞影響 二次碰撞:利用能量吸收式轉(zhuǎn)向柱吸收二次碰撞能量及部分慣性能量,3-3 能量吸收式轉(zhuǎn)向柱,1. 隔絕首次碰撞影響的對策,方法：,通過轉(zhuǎn)向中間軸的防撞結(jié)構(gòu)來隔絕碰撞影響,結(jié)構(gòu)措施：,結(jié)構(gòu)組成（右圖）：,伸縮式轉(zhuǎn)向中間軸,圖3-21 伸縮式轉(zhuǎn)向中間軸,圖3-22波紋管式轉(zhuǎn)向中間軸,波紋管式轉(zhuǎn)向中間軸,可斷開式式轉(zhuǎn)向中間軸,1-轉(zhuǎn)向器；2-下轉(zhuǎn)向軸；3-上轉(zhuǎn)向軸；4-轉(zhuǎn)向盤；5-銷釘,2. 保護(hù)駕駛員免受二次碰撞傷害的吸能式轉(zhuǎn)向柱,應(yīng)具有以下性能：,在汽車正常行駛時，轉(zhuǎn)向柱及其中的轉(zhuǎn)向軸有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證正常的轉(zhuǎn)向力矩傳遞及安裝在其上的其他功能件（如變速桿、組合開關(guān)等）正常工作 當(dāng)汽車發(fā)生正撞時，轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)能夠從車身結(jié)構(gòu)中以機(jī)械的方式脫離 當(dāng)汽車發(fā)生正撞時，轉(zhuǎn)向柱及其中的轉(zhuǎn)向軸可以被壓縮，并且轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)中應(yīng)具有能量吸收原建議吸收碰撞能量,能量吸收原理,材料的彎曲 材料的變形 接觸摩擦,3.吸能式轉(zhuǎn)向柱設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題,剪斷 折斷 以上幾種形式的組合,轉(zhuǎn)向柱駕駛員系統(tǒng)的受力關(guān)系,轉(zhuǎn)向柱安裝角度對吸能效果的影響,轉(zhuǎn)向柱最佳安裝角度取值：21 22,壓縮行程：150mm 轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)最小臨界壓縮力：1.1kN2.5kN 轉(zhuǎn)向柱斷開聯(lián)接盒的分離力：注塑銷的破壞力500N/個 吸能式轉(zhuǎn)向柱除了能夠保證規(guī)定的壓縮變形力外，還要有足夠的抗彎曲強(qiáng)度以提高軸向吸能效果 吸能式轉(zhuǎn)向柱壓縮吸能部分的上、下端應(yīng)分別連接在車身上強(qiáng)度和剛度有一定差異的部位，以保證壓縮吸能力的傳遞,F2 較大時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向柱從車身上脫離 F2 增大會使駕駛員胸部所受的碰撞分力加大，是吸能緩沖效果下降,討論:當(dāng)F不變而q 變大時，吸能力F1略有下降，而F2 卻大幅上升,能量吸收式轉(zhuǎn)向柱的主要參數(shù),3-4 汽車結(jié)構(gòu)與被動安全性,汽車碰撞類型：,正面碰撞； 側(cè)面碰撞； 追尾碰撞。,車身不同部位剛性對安全性的影響,一、汽車碰撞類型及不同部位剛性對其安全性的影響,圖3-24 汽車碰撞事故的機(jī)率分布,圖3-26 Sigma轎車車身 1車身前部；2車身中部；3車身后部,圖3-25 車身不同部位剛性對安全性的影響,二、車身結(jié)構(gòu)的有限元分析,模型計算與實測值比較：,有限元模型：,圖3-27 兩門轎車左側(cè)車體有限元模型 a）車身形狀；b）車身有限元劃分,圖3-28 撓度的計算值與試驗值 1、2對應(yīng)前、后軸的位置；3、5分別指前后縱梁；4門檻； 實線計算值；虛線試驗值,圖3-29 兩種情況下邊梁模擬變形情況,圖3-30 兩種情況下的載荷變化曲線,邊梁模擬變形情況：,3、車身結(jié)構(gòu)的有關(guān)安全措施,吸能式保險杠,吸能車架結(jié)構(gòu),車身側(cè)面和頂部措施,車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計的主要內(nèi)容,汽車結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計的主要原則,車身結(jié)構(gòu)設(shè)計必須確保駕駛員的視野和視認(rèn)性,措施：車身布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使車身各支柱，特別是前風(fēng)窗支柱對駕駛員的視野性妨礙應(yīng)最小，后視鏡的設(shè)計要確保后方視野性的要求,三、車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計,汽車車身結(jié)構(gòu)碰撞安全性設(shè)計,車身碰撞安全性定義：即是減小由于碰撞造成乘員傷害的程度或車身保護(hù)乘員的性能,車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計須具備的功能性要求,碰撞能量須能被指定結(jié)構(gòu)部位分級吸收，確保乘員生存空間 防止碰撞導(dǎo)致的乘員與室內(nèi)部件的撞擊，減小乘員的傷害 碰撞后乘員易于逃生或進(jìn)行車外救護(hù)，避免二次破壞或傷害,汽車被動安全技術(shù)：,汽車結(jié)構(gòu)安全性 汽車安全防護(hù)裝置,(一) 碰撞安全的車身結(jié)構(gòu),利用車身前、后部構(gòu)件的變形有效地吸收碰撞能量，而車身座艙堅固可靠，從而保證乘員的有效生存空間,2. 車身變形區(qū)特性,1. 車身結(jié)構(gòu)碰撞安全的設(shè)計原則,車身前、后部結(jié)構(gòu)要盡可能多地吸收碰撞能量，使碰撞過程中作用于乘員上的力和加速度降到規(guī)定的范圍內(nèi) 車身前、后部構(gòu)件在碰撞中產(chǎn)生變形應(yīng)根據(jù)碰撞強(qiáng)度逐級發(fā)生，控制受壓各構(gòu)件的變形形式，防止車輪、發(fā)動機(jī)、變速箱等剛性部件侵入座艙，同時也有利于車身的修復(fù) 車身座艙結(jié)構(gòu)必須堅固可靠，事故中保證乘員安全,圖3- 31 安全座艙結(jié)構(gòu),圖3-32車身前部碰撞變形的模擬,(二) 車身前部結(jié)構(gòu)的碰撞安全性,車身前部正面碰撞時的理想變形特性曲線,1. 車輛正面碰撞特性,第變形區(qū)：既可保護(hù)行人，也可避免低速下車輛的破壞性 第變形區(qū)：為相容區(qū)，保證兩車相撞時，具有最佳的能量吸收特性和分布 第變形區(qū)：為自身保護(hù)區(qū)，用于撞擊固定障礙（如墻壁）時對座艙完整性的保護(hù),圖3- 33 車身前部理想變形特性曲線,結(jié)構(gòu)安全措施：,車身前部壓潰變形以吸收碰撞能量，緩解碰撞加速度,加固座艙前壁結(jié)構(gòu)，確保座艙生存空間 利用安全帶、安全氣囊保護(hù)系統(tǒng)，避免二次碰撞造成的傷害,2. 車身前部結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量的機(jī)理,討論：車身前部的能量吸收能力與碰撞中前部變形部分的結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)，變形部分質(zhì)量越大，則所吸收的碰撞能量越強(qiáng),圖3- 34(a) 變形過程模擬比較（彎曲模式、壓潰模式）,吸收碰撞能量的方式： 彎曲變形、壓潰變形,正面碰撞時，車身前部吸收的能量：,結(jié)構(gòu)形式對吸收效果的影響,圖3- 34(b) 能量吸收效果比較（載荷曲線）,圖3- 34(c) 凸（凹）臺的結(jié)構(gòu)形式,圖3- 34(d) 前縱梁的有限元模型及變形后的形狀,2. 吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計要點,在梁上設(shè)置易于軸向壓潰的結(jié)構(gòu)要素，如圖3-35所示,3. 加強(qiáng)座艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的措施,縱梁(車架)局部制成波紋管狀 增加梁上彎曲部分的板厚，局部加強(qiáng)控制彎曲變形，設(shè)置軸向布置的加強(qiáng)筋,圖3- 35 車身梁構(gòu)件上設(shè)計易于軸向壓潰的結(jié)構(gòu)要素,圖3- 36 碰撞載荷的縱向傳遞,提高座艙梁框架的承載能力 合理傳遞碰撞載荷（圖3-36叉型或三叉型布置結(jié)構(gòu)）,圖3-38 座艙的加強(qiáng)梁框架,圖3- 37 碰撞時發(fā)動機(jī)下移示意(奔馳A級車, 1993年),4. 防止車輛前部部件侵入座艙內(nèi),采取結(jié)構(gòu)措施使剛性部件碰撞時下移，如圖3-37所示,注意：燃油箱的保護(hù),提高側(cè)面結(jié)構(gòu)的抗撞擊強(qiáng)度，減小碰撞凹陷變形，保證座艙的完整性及生存空間,(三) 車身后部結(jié)構(gòu)的碰撞安全性,(四) 車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的碰撞安全性,特點：車身側(cè)面碰撞時允許的變形空間小,汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計的主要原則,保證側(cè)面碰撞下座艙完整性的結(jié)構(gòu)設(shè)計,合理設(shè)計座艙梁框架結(jié)構(gòu)，將側(cè)撞力傳遞到車身結(jié)構(gòu)上