单位文秘网 2021-07-24 08:13:45 点击: 次
【摘要】行人碰撞保护是目前汽车安全性研究的最新领域,它已成为未来交通安全技术的重要内容。本文介绍了行人与车辆发生碰撞时主要的伤害模式和伤害数据,以及行人保护的研究方法,并对行人保护最新技术及世界各国在这一领域研究的最新进展作出了简要的介绍。
【关键词】行人保护;碰撞;安全性;汽车
随着推荐性国标《汽车对行人的碰撞保护》(GB/T24550-2009)的实施,中国的行人碰撞保护研究进入了一个新阶段。车辆的行人保护设计越来越受到汽车制造商及消费者的重视和认可,市场上也出现了融入了行人保护设计理念的自主品牌车型,如荣威550、350和帝豪EC7等,车辆的行人保护技术已成为汽车安全领域新的研究热点和未来的发展趋势。
一、行人伤害事故
在机动车辆造成的人员伤亡事故中,行人伤亡的人数仅次于车内乘员伤亡人数而位居第2位。在汽车工业发达的国家,这个问题显得尤为突出。通过对事故数据的研究表明,大部分的行人碰撞事故是行人与车身前部发生碰撞。大多数的严重伤害是因为行人与车辆的发动机罩、风挡以及车顶发生碰撞而造成的,而行人的头部、骨盆以及腿部则是受到严重伤害最常见的部位。表1是各个国家或地区行人在碰撞事故中受伤害部位的分布情况。
从表1中可以看出,头部和下肢是行人受伤害最频繁的部位。下肢膝盖的伤害通常被认为是最严重的伤害,因为它可能导致人员长期的残疾,而头部的伤害则有可能造成被撞人员的死亡。车身前部区域碰撞导致行人的伤害中有15.6%是风挡及其框架导致的,13.3%由发动机罩造成,而发动机罩斜边(Leading Edge)与保险杠造成的伤害则分别占到了6.9%和15.3%,剩下的31.9%则是由于行人在碰撞后被抛至路面而造成的伤害。而对行人身体各部位伤害原因的研究表明,36.4%的行人头部伤害是因其与车身风挡碰撞所导致的,17.3% 是其与发动机罩碰撞导致的,行人臀部的伤害中有40.1%是因其与发动机罩斜边碰撞造成的,44.2% 的腿部伤害则是由于腿部与保险杠发生碰撞而导致的。因此,如果合理地设计车身前部区域的结构,则有可能大大地降低行人与车辆发生碰撞所造成的伤害。出于上 述原因,欧洲试验车辆委员会(EEVC)早在20世纪80 年代就在其"工作组10"(WG10)中开展了关于车辆"行人保护"的研究。通过广泛的事故调查,"工作组10"在1994年作出的最终报告中提到了实行车辆行人保护碰撞试验的建议。EEVC则于1997年成立了"行人保护工作组17"(EEVC WG17),专门致力于车辆关于行人碰撞保护方面的研究。
表1行人伤害部位的分布
二、行人保护的研究方法
行人碰撞保护方面的研究是目前汽车安全性研究的最新领域,其主要的研究方法分为试验和计算机模拟两大方面。
(一)试验模拟
由于目前并没有专门的行人碰撞试验假人,EEVC提出了基于子系统试验或称为部件试验的试验程序,即采用称之为冲击器的单独试验部件对车身前部的典型部位进行碰撞试验。冲击器代表了行人身体最容易受到伤害以及伤害最严重的部位,并具有与行人相应身体部位类似的力学特性,共分为3类4种冲击器:头部冲击器,包括成人头部冲击器和儿童头部冲击器;大腿冲击器;腿部冲击器。上述4种冲击器分别代表了成人的头部、儿童的头部、成人的大腿或臀部以及成人的腿部。试验的目的是研究在车辆与行人碰撞的过程中影响行人运动的车身前部的结构性能。试验条件相当于行人与40 km/h 时速行驶的车辆相碰撞时的事故情况,如图1所示:
表2行人碰撞保护试验方法及评价指标
图1行人碰撞保护试验示意图
具体的试验方法和评价指标参见表2。
最近的研究结果表明,行人保护部件试验的方法由于是单独进行的,因而不可避免地存在着一定的局限性,无法全面地了解行人与车辆发生碰撞后的运动情况以及与不同外形车身的具体接触部位。因此,各个研究机构正在积极地制订专门的行人碰撞试验假人,而采用行人试验假人进行全方位的行人碰撞试验规范也正在积极的讨论之中。图2即为讨论中的行人试验假人。
图2行人试验假人
(二)计算机模拟
对行人碰撞保护研究的另一个重要手段则是计算机模拟。随着计算机技术的发展,计算机模拟在工程辅助分析中越来越占有突出的地位。以适当的理论建立人体和车辆的计算模型,可以在计算机中虚拟地呈现行人与车辆碰撞的各种工况,从而全方位地把握行人在碰撞后的运动情况以及伤害情况。而且,通过计算机模拟可以快速地了解车辆外形、尺寸的变化对行人碰撞性能的影响,大大地节约了研究的时间和费用。
目前,关于行人碰撞保护模拟所采用的理论主要有多刚体动力学理论和有限元理论,其所对应的计算模型分别为行人多刚体模型(见图4)
图4行人多刚体计算模型
以及行人有限元模型(见图5)。
图5行人有限元计算模型
采用多刚体计算模型的优点是计算模型的建立较为方便,工作量小,计算时间快捷,可以高效率地了解行人的运动情况,但是对行人具体伤害情况的掌握却比较困难。有限元计算模型则可以精确地了解行人不同身体部位的伤害情况,从而更准确地评价车辆在行人保护方面的性能。但是人体有限元模型的建立十分复杂,涉及到生物力学和人机工程学等领域的复杂理论和试验数据,工作量很大,而且计算时间也相对较长。图6为采用有限元行人计算模型模拟的行人与车辆的正面碰撞过程。
图6计算机模拟行人碰撞过程
三、汽车行人保护最新技术
当行人与车辆发生交通事故时,最主要的死亡原因是来自于行人头部的伤害。而最主要的重伤部位是腿部。目前国际上用于车辆的行人安全保护装置可分为四大类:一是改进的保险杠;二是发动机盖弹升技术;三是行人安全气囊系统;四是车辆智能安全保障系统。几乎所有先进的技术都是以这四类技术为基础开发的。
(一)保险杠的改进
如图7所示,保险杠改进是对保险杠外形进行优化设计, 或在保险杠的适当地方放置高密度泡沫材料, 使碰撞的伤害减轻。在汽车撞上行人时,保险杠会对行人的小腿造成很大伤害。采用吸能较好的材料是减轻伤害的有效方法。除采用新材料外,改进保险杠的外形设计也可以提高行人的保护能力。如将保险杠的碰撞点抬高, 并尽可能不出现尖锐的突起,使整个前脸呈圆润的造型,从而降低碰撞时对行人的伤害。
新奥迪采用的"大嘴"式前脸设计, 将保险杠融入整个前中网, 这样不仅使外形看起来更加圆润,也有助于增加对行人的保护。 测试证明, 这种设计非常有利于降低对行人的伤害。
(二)发动机罩弹升技术
汽车与行人发生碰撞时,如果车速很快的话,行人就会被撞得飞起,然后头部撞向发动机罩或前挡风玻璃上。 发动机罩下面就是坚硬的发动机, 如果直接相撞的话, 会对行人造成非常严重的伤害。因此,要想保护好行人的头部,发动机罩与发动机之间就必须有足够的缓冲距离。 但是这个距离很高的话会增加发动机舱的高度,影响整车的风阻系数。日产汽车公司近来推出一种弹升式发动机罩技术(见图8),最先搭载于Skyline Coupe,也就是英菲尼迪G37之上。 其原理是在前保险杠内安装碰撞传感器, 如果检测到撞人,就会启动发动机罩弹升控制模块,接着爆炸式弹射装置便可瞬间将发动机罩提高, 以减小碰撞对行人造成的伤害。
(三)行人安全气囊系统
行人安全气囊系统以气囊为碰撞缓冲装置。为避免人体撞击汽车的前挡风玻璃,在发动机盖以及前挡风玻璃附近设置安全气囊,两者配合使用。 发动机盖气囊在保险杠上方紧靠保险杠处开始展开。充气后的安全气囊在两个前大灯之间的部位展开,由保险杠顶面向上伸展到发动机盖表面以上,保证了儿童头部和成人腿部的安全。 前挡风玻璃附近的气囊系统的作用则是提供二次碰撞保护, 防止行人被甩到发动机罩上,被前车窗底部碰伤。
福特汽车公司在2007年开发了采用外部行人安全气囊的概念车,以保护行人安全。丰田公司在该技术理论上进行延伸, 于2008年推出了360°气囊保护系统(见图9)。
除车内气囊外,丰田在车辆的保险杠上和发动机盖下中网处,安装了包裹全部车头的双层安全气囊,此外还在发动机盖与前风挡玻璃间,车侧翼子板和外后视镜处安装了外弹出气囊,使五个外置气囊将车头全部包裹,甚至减小了行人二次碰撞的伤害,其对行人的保护达到了非常理想的效果。
(四)车辆综合电子安全保障系统
车辆智能安全保障系统能对行人采取主动的保护,在事故发生以前就及时通知驾驶员,避免车祸的发生,将事故的损伤降到最小程度。车辆智能安全保障系统是先进的车辆控制系统的一部分,它包括安全系统、危险预警系统、防撞系统等,涉及传感器技术、通信技术、信息显示技术、驾驶状态监控技术等。这些车载设备包括安装在车身各个部位的传感器、激光雷达、红外线、超声波传感器、盲点探测器等,具有事故监测功能,能随时通过声音、图像等方式向驾驶员提供车辆周围及车辆本身的必要信息,并可以自动或半自动地进行车辆控制,从而有效地防止事故的发生。
四、结语
行人碰撞保护是汽车安全性研究的最新领域。目前,大多数车型在行人安全保护方面水平普遍偏低,而国内的车型在设计时,更是很少有考虑行人安全的。但随着国内关于行人保护意识的逐渐加强,车辆在行人保护方面的安全性能已明显引起了各大汽车制造厂商的关注。然而,据已有的试验数据表明,目前尚没有一种车型能够完全满足行人碰撞试验安全法规的要求,而且在这一领域研究所取得的经验以及成果也相对较少。车辆对行人碰撞保护性能的提高还有待于汽车工程师们在未来不懈的努力。相信未来我国在汽车行人安全保护技术方面将会有较大的进展。
参考文献
[1]GB/T24550-2009.汽车对行人的碰撞保护[S].
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