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1、第4章 汽车被动安全性,4.1 概述4.2 车身结构4.3 安全带4.4 安全气囊4.5 座椅4.6 转向系,2023/11/3,1,4.1 概述,被动安全性指事故发生时保护乘员和步行者，使直接损失降至最低的能力。分为车外被动安全性和车内被动安全性一次碰撞（汽车与障碍碰撞）和二次碰撞（驾驶员与车内物体碰撞）被动安全系统 安全车身结构 外部安全 乘员保护系统 内部安全,2023/11/3,2,4.2 安全车身结构,功能尽可能缓冲和吸收车辆及乘员运动能量确何乘员有效生存空间，且易于逃脱和车外救护,2023/11/3,3,4.2.1 车身变形特性碰撞形式,前碰撞侧面碰撞追尾碰撞翻滚,2023/11/
2、3,4,4.2.1车身变形特性正面碰撞,2023/11/3,5,4.2.1车身变形特性正面碰撞,2023/11/3,6,4.2.1车身变形特性正面碰撞,2023/11/3,7,测试车辆以5556km/h的速度撞向刚性壁障，车前部发生了吸能溃缩形变.,2023/11/3,8,4.2.1 车身变形特性侧面碰撞,侧面碰撞时载荷传递路径,2023/11/3,9,4.2.1 车身变形特性 侧面碰撞,2023/11/3,10,4.2.1车身变形特性侧面碰撞,2023/11/3,11,4.2.1 车身变形特性侧面碰撞,2023/11/3,12,4.2.1 车身变形特性侧面碰撞,2023/11/3,13,4.
3、2.1 车身变形特性追尾,汽车防撞钢梁（视频）一辆车应该有前后两根防撞U型钢梁（3mm厚)。前面一根，在正面碰撞时候起作用，后面一根，在被追尾时候起作用。,2023/11/3,14,4.2.2 车身结构安全设计,理想的安全汽车结构变形P85,图4-4,2023/11/3,15,4.2.2 车身结构安全设计,1.前保险杠（图4-6）作用：吸能，避免重要部件损坏分类：阻尼型，弹性型等2.后保险杠3.侧围保险杠4.吸能车架（图4-7）5.翻车安全对策,2023/11/3,16,本田雅阁被动安全,本田雅阁车身被动安全技术,2023/11/3,19,本田雅阁车身被动安全技术,7.翻车安全对策,4.2.3
4、 车身碰撞过程的数据分析,1.车身碰撞有限元分析过程P89,图4-9,图4-102.车身碰撞过程的计算机仿真 1)多刚体动力学方法 采用 MVMA2D,MADYM02D等软件 2)动态大变形非线性有限元法 3)多刚体动力学和动态大变形非线性有限元混合法,4.2.3 车身碰撞过程的数据分析,基于Hyperworks的车身碰撞有限元分析 A cars colliding with wall based on Hyperworks finite element software 长安大学 袁显举 本文利用Hyperworks有限元软件的高精度计算能力来分析车身的刚性碰撞，同时对碰撞过程中乘员的姿态变
5、化以及所受冲击进行简单模拟。最终通过分析结果对车身的设计参数提出修改意见。,赛车车身空气动力学计算机仿真,维特C6R GT2赛车的CAD三视图和透视图,这幅CFD（计算流体力学）仿真图展示了C6R GT2赛车行驶时，气流流过赛车表面的概况。,展示了C6R GT2赛车行驶时车身表面各部分受到的下压力情况：红色表示大数值的下压力；蓝色表示小数值的下压力。,赛车刹车时散热气流的流线：前轮刹车盘的散热气流从前轮流出，沿着车身侧面流向车身后方；发动机散热气流流过车顶，并经过尾翼下方流向车身后方。,赛车行驶时气流旋涡：气流流过车轮处紊乱并形成旋涡(蓝色)；气流流过车顶时保持良好秩序，经过尾翼下方时迅速紊乱
6、并形成巨大的旋涡(阻力的最大源泉)。,4.3 汽车座椅安全带,4.3.1 安全带分类4.3.2 安全带组成4.3.3 安全带改进,2023/11/3,29,4.3.1 安全带分类,安全带的发明者Nils Bohlin沃尔沃公司1959年三点式安全带,2023/11/3,30,4.3.1 安全带分类,1.安全带的作用与原理将乘员约束在座椅上，减小二次碰撞危险2.安全带分类主动型人工锁扣、解扣被动型-车门关闭、开启后自动锁扣、解扣两点式-腰带、肩带三点式-连续、分离，兼有腰带、肩带功能全背式-马甲式 见图4-14,2023/11/3,31,4.3.1 安全带分类,4.3.1 安全带分类,2023/
7、11/3,33,4.3.2 安全带组成,2023/11/3,34,卷收器,插板,织带,锁扣,调节件,4.3.2 安全带的组成,组成织带：高强度，能量吸收性，耐磨，延伸性 GB规定抗拉强度达到 22260 N以上带扣（插板）、带扣锁（锁扣）：快速约束、解脱卷收器：无锁止卷收器、自锁式卷收器、紧急锁止式卷收器调节件：调节织带长度预张器：发生撞车事故时，预先张紧并锁住安全带，弥补了紧急锁止卷收器的不足。,2023/11/3,35,4.3.2 安全带的组成,卷收器分为自锁式卷收器和紧急锁止式卷收器。自锁式卷收器可自由地将织带拉出，一旦将织带拉到所需长度之后即自动锁紧。如果在拉出过程即使尚未达到所需长度
8、而中途停顿，也会被自动锁紧，只能使其缩回重拉。紧急锁止卷收器在汽车正常行状态下，织带随乘员需要自由伸缩，但当汽车速度急骤变化时，其锁止机构锁止并保持束紧力。传感方式有三种：感受织带拉出加速度的、感受汽车加速度的和复合式。,2023/11/3,37,5.紧急锁止卷收器,4.3.3 提高安全带性能的方法,织带预拉紧器（预张器）限荷器:移动卷收器放松织带，减小拉力 图4-19,销轴挤压支架梯形长槽,槽变形使卷收器沿支架的长槽向上滑动,限制最大拉力。高度调节器自动紧急锁止安全带自动佩带装置,2023/11/3,38,4.3.3 安全带优化,预拉紧式安全带是指在发生撞击的一瞬间10ms，卷收器会自动将安
9、全带往回拉一段距离约40mm，以消除安全带与身体之间的间隙，减小乘员的位移。（雅力士、POLO、迈腾、新君威）锁机式：P95,图4-17 烟火式（爆燃式安全带）P96,图4-18,2023/11/3,39,预拉紧式安全带原理,4.4 安全气囊,安全气囊(Supplemental Restraint System，SRS)，也称辅助乘员保护系统。在1953年，第一个气囊专利诞生，但是由于当时的技术水平限制，还不能把这种想法或专利付诸实现，1980年，在部分汽车上安装了安全气囊,2023/11/3,41,4.4 安全气囊,2023/11/3,42,4.4 安全气囊,2023/11/3,43,安全气
10、囊工作原理,2023/11/3,44,叠氮化纳,4.4.1 安全气囊组成,1.控制装置传感器机械式传感器(P99,图4-24,图4-25)机电式传感器电子式传感器2.气体发生器烟气式、压缩式、混合式3.气袋,2023/11/3,45,1.控制装置-ECU,1.控制装置-ECU,2023/11/3,47,1.控制装置-传感器(机电式),1.控制装置-传感器(机电式),固定触点,转动触点,1.控制装置-传感器(电子式),2.气体发生器 叠氮化钠,2023/11/3,51,3.气袋,（1）气袋材料:尼龙66（2）气袋:涂层（3）气袋:漏气特性（4）气袋:排气机构排气方向不得与气袋膨胀方向一致,4.4
11、.2 安全气囊分类,1.按传感器类型1)机械式安全气囊(P102,图4-28，一体式)2)机电式3)电子式（采用多个传感器，ECU控制，判断准确）2.按安装位置1)驾驶员侧气囊(方向盘气囊)2)前排乘员安全气囊(仪表板气囊),2023/11/3,53,4.4.2 安全气囊分类,3)侧撞安全气囊a)胸部侧撞安全气囊(安装于车门侧)b)头部侧撞安全气囊(安装于车顶门框,管状、帘 式)4)后座椅安全气囊(安装于靠背上部)3.其它类型气囊 充气膝部软垫，充气地毯,2023/11/3,54,4.4.3 安全气囊相关法规,美国 FMVSS 208乘员碰撞保护 美国 FMVSS 214侧面碰撞防护欧洲 EC
12、E R94 正面碰撞乘员保护法规 欧洲 ECE R95 侧面碰撞保护法规国标 GB 11551,2023/11/3,55,4.4.3 安全气囊相关法规,在美国，因为安全气囊系统是按驾驶员不配戴座椅安全带来设计的，气囊体积大、充气时间长。所以，安全气囊系统在较低的减速度阈值时，即汽车在较低的车速(20km/h左右)行驶而发生碰撞时，就引爆点火剂，使充气剂(叠氮化钠)受热分解给气囊充气。,4.4.3 安全气囊相关法规,在日本和欧洲，由于安全气囊系统是按驾驶员配戴座椅安全带来设计的，气囊体积小、充气时间短，所以设定的减速度阈值较高，汽车在较高车速(30km/h左右)行驶而发生碰撞时，安全气囊系统才能
13、引爆点火剂使充气剂受热分解给气囊充气。,4.4.5 安全气囊新技术,轻小型气囊（新型尼龙、薄层、无涂层气袋）气袋展开模式（先展开后膨胀）智能型气囊（两次动作SRS，多级气体发生器）传感器新技术（传感与诊断、侧碰传感、乘员位置、座椅位置、临界体重传感）,2023/11/3,58,卡罗拉：安全气囊未打开,周先生在杭州的八下里一汽丰田4S店购买了一款价值19万元的卡罗拉轿车，今年3月的一次撞击中车头受损严重，并且他本人也在撞击中受伤，在前脸损毁的情况下，这辆车的安全气囊居然没有打开。,59,2023/11/3,花冠：车已经把树撞飞了，但是安全气囊未打开,2023/11/3,60,打开后的安全气囊,2
14、023/11/3,61,安全气囊开启条件,(1)如果正面碰撞的严重程度超出设计的临界值，相当于以约25km/h(公里/小时)的车速径直撞在固定或不能变形的障碍物上，则SRS前空气囊应张开。(2)在某些碰撞中，车辆前向减速度非常接近设计的临界值，但SRS前空气囊和座椅安全带预张紧器可能不会一起激活。,2023/11/3,62,安全气囊开启条件,以下状况可能不会导致正面安全气囊打开：主要包括三种情况(1)侧面碰撞(2)追尾(3)翻车,2023/11/3,63,安全气囊开启条件,其中编号9就是前空气囊传感器，从图中我们可以发现传感器位置在和前车轮平行的位置，而周先生的车辆前部明显还没有溃缩到这个位置
15、。,2023/11/3,64,专家鉴定结论,由于车辆并没有正面碰撞，实际碰撞位置是车辆的右侧前大灯位置，两车相撞后，被撞车辆由于惯性继续行驶导致卡罗拉前脸被拉扯变形，而且对于周先生称80公里的速度相撞表示怀疑，因为当车辆已80公里时速相撞的时候车辆前部会发生严重的形变，而实际上车辆在进一步检测中发现并没很明显的溃缩现象，也就是说车辆碰撞的强度确实没有达到激发安全气囊的程度，所以安全气囊未弹起。,2023/11/3,65,4.5 座椅,4.5.1 座椅系统概述4.5.2 座椅系统安全结构4.5.3 座椅系统安全性能要求,2023/11/3,66,4.5.1 座椅系统概述,1.座椅系统的作用及要求
16、主要作用定位驾驶员（驾驶、视野）；支撑人体、保持平稳；减振；保护乘员。,2023/11/3,67,4.5.1 座椅系统概述,主要要求良好的静态特性足够的强度和刚度良好的振动特性满足整车布置的要求（距离、空间、视野）良好的造型,2023/11/3,68,4.5.1 座椅系统概述,2.座椅系统的安全性研究内容:汽车尾部碰撞的乘员保护（沃尔沃）头枕与座椅背后冲击能量吸收设计理念柔性设计及刚性设计刚柔并进，软硬兼施,2023/11/3,69,4.5.1 座椅系统概述,2.座椅系统的安全性座椅系统作为被动安全的功能:保证乘员的生存空间;保持乘员姿态;吸收能量。如：座椅脱离车体，靠背不牢，乘员下滑（潜水）
17、，头枕过低。,2023/11/3,70,4.5.2 座椅系统的安全结构,1.座椅分类2.座椅安全结构骨架座垫调节装置靠背连接部件头枕,2023/11/3,71,4.5.2 座椅系统安全结构,头枕 被追尾时，防止颈部受伤固定式 可拆式（P112，表4-2，表4-3）可调节型 不可调节型（GB11550-1995）位置和尺寸要求强度和吸能性要求（静载、冲击试验）,2023/11/3,72,2023/11/3,73,4.5.2 座椅系统安全结构,沃尔沃头颈保护系统（视频）,2023/11/3,74,4.5.3 座椅系统安全性能要求,1.体压分布要求（图 4-42）坐垫部分/靠背部分左右对称无明显异常
18、值坐骨附近压力最高，向四周减小第四五节腰椎骨处压力最大座椅设计时结构要求（P114，7条）,2023/11/3,75,4.5.3 座椅系统安全性能要求,2.振动特性要求弹性特性RN杰恩威上下振动容许极限图（图4-44）3.强度刚度要求静强度刚度要求（P116,4条）冲击和交变载荷要求,2023/11/3,76,4.6 转向系防伤机构 P116,2023/11/3,77,4.6 转向系防伤机构,2023/11/3,78,4.6 转向系防伤机构,4.6.1 转向管柱与驾驶员正面碰撞关系4.6.2 转向系防伤机构结构原理4.6.3 能量吸收式转向柱管,2023/11/3,79,4.6.1 转向管柱与
19、驾驶系统正面碰撞关系,一次碰撞:汽车前部变形，转向中间轴后移，隔绝碰撞。,2023/11/3,80,4.6.1 转向管柱与驾驶系统正面碰撞关系,二次碰撞:碰撞继续发生，管柱后移，驾驶员前倾。吸能式转向柱的作用是：吸收二次碰撞能量和驾驶员的部分惯性能量,2023/11/3,81,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,1.隔绝一次碰撞的防伤机构：1）伸缩式转向中间轴（图4-46e),2023/11/3,82,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,2）波纹管或网格式转向中间轴（图4-46b、c),2023/11/3,83,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,3）可断开式转向中间轴（图4-46d),202
20、3/11/3,84,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,4）装有钢球双层管式转向中间轴（图4-46e)5）两段式弹性联轴节转向轴（图4-46a)以上结构主要通过转向中间轴结构的伸长、压缩、弯曲、断裂，防止转向器后移。,2023/11/3,85,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,2.二次碰撞防伤机构吸能转向盘吸能式转向柱,2023/11/3,86,4.6.2 转向系防伤机构结构原理,2.二次碰撞防伤机构1）吸能转向盘（图4-47）轮缘表面包柔性材料；轮辐下倾20柔软镶面；可塑变的轮毂。用于无气囊车。2）吸能式转向柱波纹管柱、网格式、两段式,2023/11/3,87,4.6.3 能量吸收式转向柱管设计,1.吸能转向柱性能要求2.吸能转向柱吸能原理材料弯曲、变形、接触摩擦、剪断、折断。通过改变材料厚度、截面形状、几何尺寸、摩擦系数及强度来得到吸能能力。3.吸能转向柱主要参数及布置1)主要参数,2023/11/3,88,4.6.3 能量吸收式转向柱管设计,a)转向管柱压缩行程150mmb)转向管柱最小临界压缩力1.12.5kNc)转向管柱断开力:每个注塑销500Nd)转向管柱有足够的抗弯强度2)转向管柱的布置 图4-48,安装角度:2123,2023/11/3,89,本 章 结 束,
