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汽车主被动安全性的改善方法研究
2020-11-10 22:03:43· 来源：时代汽车
摘要通过分析总结汽车事故发生的各个因素，从主动安全性和被动安全性两个方面提出改进措施，从主动安全性方面，通过对事故发生时间的分析，得出事故判别时间越早
摘要
通过分析总结汽车事故发生的各个因素，从主动安全性和被动安全性两个方面提出改进措施，从主动安全性方面，通过对事故发生时间的分析，得出事故判别时间越早，越容易减低事故的发生概率，由此提出优化制动系统和驾驶安全性的一系列方法；在被动安全性方面，通过分析事故发生部位和碰撞位置，提出优化汽车正面碰撞结构和缩短安全气囊响应时间的方法。
关键词：主动安全性 被动安全性 事故判别时间 优化方法 正面碰撞
作者：裘臻 包崇美
单位：中国汽车技术研究中心有限公司
来源：时代汽车
从 2000 年到 2020 年是中国汽车发展历史爆发期，汽车制造量和保有量都稳居世界第一 [1]，汽车厂商和消费者不仅在燃油经济性和汽车可靠性上提出了更高的要求，也对汽车的安全性提出了更严格的标准，本文通过从主动安全性和被动安全性两个方面分析汽车安全性的改进措施，在主动安全性方面， 从制动系统、驾驶安全性提出改进措施；在被动安全性方面，从碰撞保护装置。安全气囊等方面提出改进措施。
1、主动安全性改进措施
汽车事故原因分析
汽车的驾驶过程可以解释为从驾驶员、汽车、外界环境三者构成的闭环系统，而综合所有的汽车事故分析，80%-90% 的汽车事故是驾驶员失误操作造成的 [2]，在汽车中加入电子控制系统可以有效降低驾驶员失误产生的事故。
如图 1 所示是驾驶员判别时间和事故发生关系图，从图中我们可以看出，若驾驶员能提前 0.5s 判别事故发生并及时做出反应，则可以有效降低 60% 的追尾碰撞事故、50% 的横交碰撞事故以及 30% 的前头碰撞事故；若能够提前至 2S 则接近 98% 的汽车事故都可以避免，当驾驶员遇到紧急时刻无法做出及时措施时， 电子控制系统就可以协助汽车做出反应。
目前，加入到汽车中的电子控制系统主要是提升驾驶员驾驶舒适度和乘车娱乐性的，主要可以分为两类：
（1）协助汽车故障检测与诊断的车载自诊断系统 [3]（OBD）、用于汽车信息传递和通讯的CAN 总线 [4]，用于查看车况和娱乐的车前中控。
（2）应用于汽车安全性的电子系统，包括制动防抱死系统[5]（ABS）、气囊与安全带张紧系统、汽车牵引力控制系统[6]（TCS）、驱动防滑系统 [7]（ASR）等等。
综合上面的分析可以看出想要改善汽车的主动安全性，可以从制动系统、驾驶安全性两个方面进行改进。
自动刹车辅助系统（AEB）
在 2014 年欧盟出台相关安全性规定，要求在 2014 年之后生产的汽车都必须安装AEB 系统才能通过安全性测试，该系统主要由测距模块、数据处理模块、执行机构三个部分组成，测距模块是整个系统的核心元件由微波雷达、机器视觉处理元件、视频系统组成，AEB 的主要作用有两个，第一个作用是与前车距离达到安全预警距离时发出警报提醒驾驶员及时刹车；第二个作用是在驾驶员没有及时刹车时执行机构进行自动紧急刹车，AEB 需要根据不同的行车情况进行不同的参数设置，主要分为两类，城市道路行车、高速公路行车。在城市道路行车安全距离范围在 5-8m，安全行驶速度小于 20KM/h，在行车过程中微波雷达不间断地测量与前车的距离，当小于行车安全距离时，系统就会发出预警，在驾驶员未反应及时刹车时执行机构启动自动紧急刹车；在高速公路 AEB 只会在行车速度在 50- 80KM/h 时才会启动，并且安全距离设置一般在 150-200m 这个范围内。
车道保持辅助系统（LKA）/ 车道偏离预警系统（LDW）
这两个系统的内部结构完全不同但是都是用于修正车道偏离的，总体上来说驾驶控制性较差的汽车上在高速行驶时更容易出现车道偏离，LKA 由车道识别模块、数据处理模块、数据传递模块三部分组成，车道识别模块通过安装在车前的摄像头拍摄识别道路标示线，在直道行驶时标示线的位置不会发生太大程度地改变，数据处理模块会不断采集计算这些数据，当标示线出现较大程度地偏离时，LKA 会将数据传递给 ECU，ECU 通过控制 EPS 实现车轮转向，修正车道的偏离，LKA 只会在汽车直线行驶时才会启动， 在汽车转向时会进入休眠状态。LDW 由数据采集和处理模块和预警模块组成，其工作原理与 LKA 相似但是在车道偏离时只会发出警报提醒驾驶员不会主动进行修正。
自动泊车系统（APS）
在光照环境恶劣的地下停车场，对于驾驶能力不强的驾驶员在停车时可能会出现碰撞其它车辆的情况，这属于一类特殊的汽车事故， 汽车中采用APS 系统可以有效解决这类问题， APS 由泊车雷达、ECU、控制系统三个部分组成，在需要停车时将汽车停在前车旁边，汽车挡位切换为倒挡，驾驶员不用控制方向盘APS 的控制系统会接管方向盘和 EPS，方向盘调整为倒车方向，EPS 调整车辆转向角度，在汽车已经倒退到合适位置时，APS 会发出提示音告知驾驶员调整挡位为前进挡，APS 调整车轮，将汽车位置摆正完成泊车流程。
以上分析的四个系统在汽车上的应用对于汽车的主动安全性具有极大的提升，AEB 可以改善汽车在紧急状况下的制动安全性；LKA\LDM 可以改善汽车的行驶安全性；APS 可以改善汽车的泊车安全性。
2
被动安全性改进措施
被动安全性分析 [8]
在主动安全性设施完备以及驾驶员尽量努力的前提下，仍然会发生交通事故，这里就需要提高被动安全性用来降低交通事故的危险等级，被动安全性的目标首要的是保护驾驶员和乘客的人身安全；其次是保护车身安全；最后是保护环境不被污染。
发生交通事故的大部分碰撞位置都位于汽车前方，发生事故的车辆类型大多为普通轿车。在提升汽车被动安全性方面具有两方面的要求：对于内部被动安全性方面，需要使汽车内部具有较大的机械强度，在发生外部碰撞时，汽车内部依然能保持整体结构的稳定，并且通过安全带拉紧系统和安全气囊使驾驶员仍然保持原来的位置；对于外部被动安全性方面，主要是提升汽车前方的碰撞形变抵抗能力，在正向前方碰撞时尽量减少对汽车内部的影响，所以可以从碰撞保护装置安全气囊两方面提高汽车被动安全性。
碰撞安全保护装置
在中国新车评价规程（C-NCAP）测试中， 某款车型汽车在正面 40% 偏置碰撞试验中表现不是很好，A 柱有变形的情况，乘员胸部、腿部等部位受伤害严重，被动安全设计需要进一步改进。汽车正向碰撞的主要承载路径有三条：
（1）前端抗撞横梁- 纵梁- 纵梁延伸梁；
（2）上端纵梁-A 柱- 上端顶梁；
（3）车架- 纵梁地板延伸 - 中央通道。
本文主要分析第一条承载路径，该路径也是发生碰撞时主要的受力路径，吸能梁最先出现弯折形变，抗撞前梁基本能保持总体的结构特征，前纵梁后端发生形变十分严重，抗弯折能力需要提高，所以加强碰撞结构的总体机械强度的途径是加强前纵梁后端的抗形变能力，依照这个思路，将原有的前纵梁前端的支撑结构移动到后端。
安全气囊优化设计
安全气囊作为汽车碰撞过程中驾驶员的最终安全保护措施，必须要保证安全气囊充气时间短，瞬态响应效果良好，在驾驶员和方向盘之间构成柔性冲击等要求，安全气囊的工作原理是在汽车发生激烈碰撞时，方向盘内部的气囊袋在高温高压气体的作用下迅速胀起形成气垫，保护驾驶员的头部和胸部， 在驾驶员压向气囊袋后，气囊袋的排气孔通过惯性作用排气，使驾驶员承受的是柔性冲击，而不是直接撞击仪表盘或挡风玻璃。
影响安全气囊响应的参数有很多，本文选择从气囊直径、排气孔直径、气流率三个参数分析优化安全气囊设计，如表 4 所示是三个参数的初步设定值，通过排列组合的方式设置三个参数进行仿真实验，最终结果是 110% 的气囊直径、110% 的排气孔直径、110% 的气流率的安全气囊安全性最高。
3、结语
从主动安全性和被动安全性两个方面分析提高汽车安全性的方法，从主动安全性方面，分析总结出提高汽车的自动化控制程度可以有效提升事故发生反应时间，从制动系统、安全性驾驶两个方面提出自动化控制方法。从被动安全性方面，主要分析了汽车正面碰撞伤害降低的方法，从车前碰撞结构和安全气囊两个方面提出优化措施。
参考文献
[1] 赵佳，管志杰，肖邦国 . 中国汽车生产现状及钢材消费分析 [J]. 冶金经济与管理， 2019（01）：50-54.
[2] 戴金池，庞海龙，俞妍，卜建国，资新运 . 柴油车 DPF 系统的 OBD 故障诊断策略研究[J]. 车用发动机，2020（01）：80-85.
[3] 孙丽娜，王佳庆，黄永红 . 基于 PNN 的汽车 ABS 系统中压力调节器和轮速传感器的故障诊断 [J]. 计算机测量与控制，2020， 28（04）：16-21.
[4] 史国宝，宋天麟，金达锋 . 电机驱动的ABS/TCS 的建模仿真 [J]. 机械与电子， 2019，37（12）：33-37.
[5] 马薇，施继红 . 非线性模型预测直接转矩和 ASR/ABS 控制的电动汽车纵向稳定性[J]. 科学技术与工程，2019，19（20）：357-362.
[6] 姜云浩，张建峰，池群，曹为鹏 . 汽车转向系统控制策略研究的探索[J]. 时代汽车， 2020（09）：93-94.
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