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陈安平汽车被动安全技术论文
毕业论文
汽车被动安全技术分析
系部名称：
汽车工程系
专业班级：
汽车技术服务与营销1101班
学生姓名：
陈安平
指导教师：
徐磊
吉林科技职业技术学院
二○一三年十一月
摘要
汽车给人类创造效益的同时也带来了灾难性的损失，我国每年死于交通事故的人数与美国相当，但汽车的保有量仅是美国的1/27，可见我国汽车的行车安全性与西方国家水平相差甚远。
汽车安全性涉及的范围很广，本文简述我国汽车被动安全技术现状、发展趋势及被动安全标准。
着重介绍了汽车被动安全系统组成、原理。
现代汽车车速愈来愈高，汽车行驶安全性日益受到人们的重视，随着我国道路条件的改善，汽车的行驶速度的提高，强制推行汽车座椅安全带，推广安全气囊，改进汽车车身结构和转向盘和转向柱、汽车座椅系统等举措对减少事故后人民生命财产损失具有十分重要的意义。
希望通过论述，对国内汽车安全性起到一定帮助作用。
关键词：
汽车被动安全；安全带和安全气囊；转向盘和转向柱；汽车座椅系统；安全车身结构
目录
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论………………………………………………………………………………1
1.1概述………………………………………………………………………………1
1.1.1概述汽车被动安全性……………………………………………2
1.1.2被动安全技术发展历史及趋势……………………………………2
第2章简述被动安全性的法规与发展…………………………………………5
2.1回顾汽车被动安全性标准与法规…………………………………………5
2.2现行汽车被动安全性标准与法规…………………………………………………5
2.3国内外的汽车被动安全性研究…………………………………………………6
2.3.1国外的汽车被动安全性研究………………………………………………6
2.3.2国内的汽车被动安全性研究…………………………………………………7
2.4本章小结…………………………………………………………………………7
第3章汽车被动安全技术…………………………………………………………8
3.1汽车乘员保护措施…………………………………………………………………8
3.2汽车安全带………………………………………………………………………9
3.2.1回顾安全带的发展…………………………………………………………9
3.2.2汽车安全带的组成、原理…………………………………………………9
3.2.3汽车安全带相关标准………………………………………………………11
3.2.4强制推行安全带的必要性…………………………………………………12
3.2.5简述安全带的发展趋势…………………………………………………12
3.3汽车安全气囊………………………………………………………………………13
3.3.1汽车安全气囊的历史发展…………………………………………………13
3.3.2汽车安全气囊系统组成、原理……………………………………………13
3.3.3汽车安全气囊相关标准和法规……………………………………………14
3.3.4安全气囊在使用过程中存在的缺陷及改进……………………………15
3.3.5汽车安全气囊的发展趋势…………………………………………………16
3.3.6安全带与安全气囊联合使用效果明显……………………………………17
3.4汽车安全转向盘和转向柱………………………………………………………18
3.4.1汽车安全转向盘和转向柱相关标准………………………………………18
3.4.2汽车安全转向盘和转向柱组成、原理……………………………………18
3.5汽车座椅系统安全性………………………………………………………………19
3.5.1汽车座椅系统安全性概述…………………………………………………19
3.5.2座椅系统的安全性功能…………………………………………………20
3.5.3座椅系统的安全性结构…………………………………………………21
3.5.4座椅系统的安全性法规及标准…………………………………………22
3.6本章小结…………………………………………………………………………23
第4章安全车身结构…………………………………………………………24
4.1钢板厚度对乘员保护的影响……………………………………………………24
4.2安全车身结构相关标准和法规…………………………………………………25
4.3汽车安全车身结构组成…………………………………………………………25
4.4安全车身结构的发展趋势…………………………………………………………27
4.5本章小结……………………………………………………………………………27
结论………………………………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………………………29
致谢………………………………………………………………………………………30
附录………………………………………………………………………………………32
第1章绪论
1.1概述
据资料统计，目前全世界每年死于行车交通事故的人数达35万至50万，受伤人数约1000万至1500万，汽车交通事故早已引起西方国家和主要汽车厂家的注意。
自本世纪中叶以来，各国制订了一系列的汽车安全标准和法规用于指导汽车安全性设计，主要汽车厂家成立了相应的安全性研究机构用于提高安全性设计水平。
世界范围的安全性研究取得了巨大成果，随着一些新型保安件不断装车和整车结构完善，当今汽车的安全性较50年代的车型大为改造。
近二十年来尽管汽车保有量逐渐增加，但是每年交通伤亡人数没有随之迅猛增长。
发达国家汽车保有量在逐年增加，而交通事故死亡人数却逐年减少，万车死亡率很低（约在1.5～3.5之间）。
与发达国家相比，我国交通事故死亡人数在同步增加，尽管我国交通事故万车死亡率在逐年下降，但万车死亡率仍然很高（65～70），是发达国家的几十倍。
因此，对车辆被动安全性进行研究在我国意义更加重大。
1955年，福特公司首先把二点式座椅安全带作为选装件安装在轿车上。
到1959年，由瑞典沃尔沃公司开发了三点式座椅安全带，相继为各国汽车制造企业所采用。
现在，世界上许多汽车制造厂及专业生产厂都在设计和生产安全气囊，其中最大的是德国的波许公司。
如今的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中（包括侧向碰撞）起保护乘员头部、躯干和膝部的作用。
目前，世界很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。
这些都意味着汽车被动安全性越来越受到人们的关注。
随着我国汽车安全意识的提高，我国相应成立了
C-NCAP汽车碰撞试验项目，大批专业人士开始参与其中，诸多学术论文诞生。
国内知名大学都开设了相关专业的教学与研究，如上海交通大学、哈尔滨工业大学吉
林大学、长安大学、武汉理工大学。
本文参考了校图书馆内有关的中外资料，并鉴校图书网站内已有资源，汲取精华抛弃糟粕融会贯通，利用辨证手段整理后运用论文中去的。
本文综述我国在汽车安全技术研究方向的现状、安全技术发展趋势；简述被动安全性国内外标准；汽车被动安全措施，着重介绍了汽车被动安全系统组成、原理。
通过分层次论述，以尊重已有权威资料和数据为原则，将已有资源汇聚整合，举一反三适当拓展。
由于内容有限，本文只限研究汽车被动安全技术相关内容，并只着重介绍汽车安全带和安全气囊、
转向盘和转向柱及安全车身结构等对汽车被动安全性能有重要影响的内
容。
1.1.1概述汽车被动安全性
汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种。
汽车被动安全性指发生汽车事故后，汽车本身减轻人员受伤和货物受损的性能。
分为外部被动安全性（指减轻对事故所涉及的其它人员和车辆的损害）和部被动安全性（指减轻车内乘员受伤和货物受损）。
汽车被动安全系统的核心是乘员保护系统。
因为吸能的车体结构主要是缓冲“一次碰撞”，而吸收乘员动能、防止或减缓与车内物体“二次碰撞”主要依靠乘员保护系统。
该系统由座椅、安全带、安全气囊等组成。
1.1.2被动安全技术发展历史及趋势
汽车安全问题几乎是与汽车诞生同时开始的。
在汽车发展的早期，主要着眼于改善汽车性能，尽管早已采用了保险杠、前大灯、液压制动等安全部件，但人们仍认为安全问题主要与操作有关，并未涉及占比例大、造成人员伤亡严重的碰撞事故中的安全问题。
今天我们谈起被动安全性，就是指汽车的碰撞安全性。
世界上最早关注、也最为重视汽车碰撞安全性的是美国。
本世纪30年代，通用汽车公司开始进行翻车和固定壁碰撞试验。
到50年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验。
这些试验表明，对乘员的伤害主要来自乘员与汽车内部构件的“二次碰撞”。
针对这一问题，60年代初欧开始在轿车上采用飞机乘员用的安全腰带。
不久，美国、日本等国也开始采用。
到60年代中期，公路交通事故增多，造成的死亡人数上升，当时汽车曾被称为“行驶的棺材”。
汽车的安全性，尤其是被动安全性成为人们日益瞩目的问题。
1966年美国成立了国家公路交通安全局（NHTSA），负责汽车安全性的管理工作。
1967年美国制定了“联邦汽车安全标准”，中其规定采用汽车安全带。
但这种本来是很有效的乘员保护装置，在美国的使用率却很低，致达不到保护乘员减轻伤亡的预期效果。
因此，到70年代提出要采用被动式乘员保护
装置，即不需乘员动作，该装置即能在碰撞事故中提供保护。
据此，1974
年后，通用汽车公司在部分车型中装备了安全气囊。
但由于成本增加、用户难以受，装备了安全气囊的车只售出约1万辆就中止了。
与此同时，大众汽车公司在高级轿车上采用了被动式安全带。
而更多的欧洲国家则依靠制定强制使用安全带的罚款规定来提高主动安全带的使用率。
汽车行业、安全带生产企业也在不断改进安全带的可靠性、舒适性和方便性。
到80年代后期，人们的安全意识不断提高，乘员保护系统技术更趋成熟。
1986
年奔驰汽车公司把驾驶员侧安全气囊作为标准装备提供市场，福特、克莱斯勒以及日本的汽车公司也随之效仿。
90年代以来，被动安全技术的发展与政府的法规要求和用户的需要更加趋向一致。
近几年不仅正面碰撞保护气囊的装车率逐年增加，而且侧面碰撞保护气囊、后部保护气囊及各种更加完善的安全带都在开发研制。
汽车被动安全技术正在向更高水平发展。
第2章简述被动安全性的法规与发展
2.1回顾汽车被动安全性标准与法规
从1963年开始相应法规也相继制定出来。
美国汽车安全标准FMVSS209、日本工业标准HSD4604、欧洲标准ECERI6、澳大利亚ADR4D以及我国GB1166—1993等标准，均对汽车安全带性能及检测方法作了规定。
安全带的锁紧装置只要拉伸速度超过设计速度就可以把安全带紧固。
腰部固定点承载能力不低于22．7KN，肩部固定点承载能力高于22.9KN
。
在正常行驶时，安全带可以任意伸长而不妨碍驾驶员的操作相乘员的基本活动。
GB14166-1993中的实验方法，在卷收器紧急锁止实验装置上安装安全带，将卷收器固定在锁止实验台的小滑车上，小滑车被施加0.78g的加速度，卷收器感应加速度锁止后，测量从卷收器中拉出的织带长度，这段织带长度便是锁止距离。
美国FMVSS208《汽车乘员碰撞保护》标准中，要求汽车必须配备不需要乘员做任何动作就可对乘员进行保护的被动式乘员保护系统，安全气囊就是得到广泛采用的这种乘员保护系统之一。
汽车安全气囊的设计依据是道路交通事故的调查分析和安全法规所规定的汽车碰撞试验标准，主要标准是美国的FMVSS208和
FMVSS214，欧美ECER94和ECER95，我国的是GB11551。
2.2现行汽车被动安全性标准与法规
目前最具代表性法规有美国的联邦机动车安全法规（FMVSS，FederalMotorVehicleSafetyStandards）和欧洲法规（联合国欧洲经济委员会ECE，EconomicCommissionforEurope和欧洲经济共同体EEC，EuropeanEconomicCommunity）。
详细内容将会在具体的各个措施中提。
2.3国内外的汽车被动安全性研究
2.3.1国外的汽车被动安全性研究
在汽车工业发达的国家、汽车安全性研究作为国家支柱产业发展战略的组成部分，已经制定了近期、中期、长期发展规划，在国家法规的指导下，正在进行产学研结合，步实施。
早在70年代初期，美国、英国、法国、德国和日本等国的各大汽车公司，在政府的支持下，开展了ESV（安全实验车）的研制，并就此项工作进行了国际性协调。
进人90年代，日本制定了ASV计划。
其中，ASV一期（1991一1995）计划已经完成，涉及到被动安全性研究的有碰撞安全技术和防止撞车后灾害扩大技术两大领域，共计7个技术项目。
碰撞安全技术：
（1）撞车时冲击能量的吸收系统；
（2）乘员保护系统；
（3）减轻对行人伤害的安全系统；
防止灾害扩大技术；
（1）紧急时车门锁解除系统；
（2）撞车时二次冲击减轻系统；
（3）灭火系统；
（4）事故发生后自动通报系统；以上7项被动安全性技术已全部应用
2.3.2国内的汽车被动安全性研究
与国外发达国家相比，我国的汽车行业整体技术水平落后，在被动安全性方面的研究起步较晚。
但随着汽车安全法规的制定和执行，汽车的被动安全性研究也被予以高度关注。
其中，清华大学于1991年建成了台车试验台，开展了此方面的试验研究，汽车技术中心于1995年建成了室内台车碰撞模拟试验台，可进行座椅强度、安全带性能的试验验证。
另外，有关单位已经进行安全保护装置的具体开发研制工作。
2.2本章小结
本章内容主要针对汽车被动安全的标准与法规进行说明和研讨，回顾了汽车被动安全的发展历史与现在汽车被动安全的现状，并且就现在汽车被动安全的形势下，分别说明了国内国外的汽车被动安全的研究成果。
第3章汽车被动安全技术
3.1汽车乘员保护措施
汽车被动安全的对策主要涉及车身结构、座椅、车顶和车门强度、安全玻璃、转向盘和转向柱、内饰件、安全带和安全气囊等，归纳起来可分为安全车身结构和乘员保护系统两大类。
其中，安全车身结构主要为减少一次碰撞带来的危害，而乘员保护系统则是为了减少二次碰撞造成的乘员损伤或避免二次碰撞。
汽车被动安全系统的核心是乘员保护系统。
因为吸能的车体结构主要是缓冲“一次碰撞”，而吸收乘员动能、防止或减缓与车内物体“二次碰撞”主要依靠乘员保护系统。
该系统由座椅、安全带、安全气囊等组成。
减少二次碰撞的可能性和对乘员的伤害的主要措施，还包括安装可折叠的吸能转向盘、膝部缓冲垫、车内饰件软化、仪表板软化及避免风窗玻璃的侵害等，都是在二次碰撞发生时减少对乘员伤害的措施。
轿车的内饰，不仅要起到提高乘坐舒适性的作用，还要能够对乘员的车内碰撞进行保护。
因此，轿车内饰件的软化、仪表盘的软化就非常必要。
为了减少碰撞时由于玻璃表面引起的伤害，保证驾驶员视区车窗有足够的透明度，并减少由于碰撞引起的车内人员从车窗被扔出的可能性，对玻璃材料必须有严格的要求，并力求使玻璃的安装固定牢靠。
大量试验表明，良好的汽车乘员保护系统可以大幅
减轻乘员受伤害的程度，降低死亡率。
本文将重点讨论在减轻二次碰撞伤害方面有重大作用的安全带、安全气囊和安全转向装置等乘员保护系统，并对安全车身结构一些重要内容进行探讨。
3.2汽车安全带
3.2.1回顾安全带的发展
1955年，福特公司首先把二点式座椅安全带作为选装件安装在轿车上。
到1959年，由瑞典沃尔沃公司开发了三点式座椅安全带，相继为各国汽车制造企业所采用。
1962年日本TAKATA株式会社首先在汽车上安装安全带，并在相关机构配合下进行了实车的碰撞试验，验证了安全带的保护效果，后来就逐渐扩大了安全带的适用范围，装配的安全带形式也从二点式发展到三点式。
以后，又经过多次改进，逐渐发展到现在的形式。
统计数据表明，佩戴安全带使碰撞造成的乘员伤亡率减少了15%～30%。
3.2.2汽车安全带的组成、原理
研究表明，汽车事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接有关，骨折与作用力有关，组织损伤与剪切应力有关。
所以，提高汽车内部安全性就是要降低人体的减速度。
如果汽车和乘员以等速Vo作直线运动，在时间to时发生前部撞车，驾驶室按直线减速到零，如果乘员没有安全限位装置，则乘员将以Vo继续运动，到t时撞到车内坚硬障碍物（如仪表板）上，而后减速，由于变形行程很小，因此产生很大的减速度，乘员将承受可能致命的载荷。
在设置了限位装置后，乘员在t之前以Vo在车内运动，在t1时，限位装置生效，乘员减速。
滞后时间T越长，则乘员减速度延续时间越长。
所以要求撞车后，限位装置迅速生效。
降低事故中人体的减速度的有效措施是限制乘员的位移。
最简单有效的是座椅安全带。
安全带的基本机构均有织带、卷收器、带扣和长度调整机构组成。
为了进一步降低
碰撞时乘员“潜水”造成腹部伤害，提高安全带保护效果，还采用了预紧器和锁紧装置等。
（1）织带
为了在汽车发生碰撞时限制乘员的移动量，要求安全带在规定伸长率以内有效地束缚住乘员，并尽量减轻乘员所受的冲击力，以避免造成人员伤亡。
为此，要求安全带有高的强度，一定的延伸量，良好的能量吸收性。
另外，为提高织物的耐久性，带织物应有良好的耐磨性、耐气候性。
（2）卷收器
卷收器用于收卷、储存部分或全部织带，并在增加某些机构后起到指定作用的装置。
卷收器具有两种功能：
其一是在正常情况下，将织带放长或收短以适应使用者身材的大小肥瘦，一旦使用者将安全带扣好后，卷收器可以将过长的织带收回，让织带以适应的卷收力将使用者拉住；其二是当汽车发生事故时，卷收器可以在瞬间将织带锁起来而不让它伸展，从而可以有效约束乘员。
此外，在使用时还具有调整织带长度的功能。
紧急锁止式卷收器是一种目前应用最广泛的卷收器。
在汽车正常行驶时允许织带自由伸缩，但当汽车速度紧急变化时，其锁止机构并保持安全带束紧力约束乘员。
这种卷收器中装有惯性敏感元件和棘轮棘爪机构或中心锁止机构，织带缠绕在卷轴上。
当汽车
正常行驶时，卷收器借助卷簧的作用既能使织带随使用者的身体的移动而自由伸缩，又不会使织带松弛。
但当紧急制动、碰撞或车辆行驶状态急剧变化时，卷收器内的敏感元件将驱动锁止机构锁止卷轴，使织带固定在某一位置上，并承受使用者身体加给织带的载荷。
尽管卷收器的锁止机构各不相同，但其基本工作原理相同。
（3）带扣
无论带扣或安全带其他的塑料件，均应采用变形小、耐磨性能高、强度高、性能稳定的材料。
在设计带扣按钮时，应考虑到避免乘员肘部误碰撞而使带扣开启，因为在碰撞发生时，乘员肘部很可能产生接触到带扣的动作。
（4）长度调整装置
3.2.3汽车安全带相关标准
美国联邦机动车安全标准FMVSS209（座椅安全带总成）及FMVSS210（座椅安全带总成固定点）
分别规定了对安全带性能的要求和对安全带固定点的要求。
我国的GB14166-93（汽车安全带性能要求和试验方法）、GB14167-93（汽车安全带安装固定点）也作了类似的规定。
由于并非所有的乘员都主动使用安全带，加之安全带对人体胸部以上（尤其是头颈部）的保护功能有限，所以用于碰撞中隔开头胸部与驾驶室前部结构的安全气囊便得到了研制和应用。
GB14166-1993中的实验方法，在卷收器紧急锁止实验装置上安装安全带，将卷收器固定在锁止实验台的小滑车上，小滑车被施加0.78g的加速度，卷收器感应加速度锁止后，测量从卷收器中拉出的织带长度，这段织带长度便是锁止距
离。
美国FMVSS208《汽车乘员碰撞保护》标准中，要求汽车必须配备不需要乘员做任何动作就可对乘员进行保护的被动式乘员保护系统，安全气囊就是得到广泛采用的这种乘员保护系统之一。
汽车安全气囊的设计依据是道路交通事故的调查分析和安全法规所规定的汽车碰撞试验标准，主要标准是美国的FMVSS208和FMVSS214，以及欧洲ECER94和ECER95，我国的是GB11551。
3.2.4强制推行安全带的必要性
安全带是主要的乘员保护装置，它能约束前碰和翻滚过程中人体相对于车体的运动，以避免或减轻二次碰撞对于乘员的伤害。
由于车速的提高，在高速公路和一级公路上几辆乃至十几辆汽车撞在一起的恶性事故时有发生，为了减轻事故中国家和人民生命
财产的损失。
美国全美高速公路行车安全管理局规定，从1967年初，所有轿车必须安装安全带。
我国公安部已决定强制执行在汽车前排乘员使用安全带的法规，这不仅是及时的，而且是必要的。
随着我国高速公路的出现，高等级的公路的增加，汽车车速提高了很多。
在前排乘员强制使用安全带，可以有效地减轻事故中乘员的伤害。
因此，汽车驾驶员和乘坐汽车前排的乘客都应自觉执行使用安全带的法规，减轻自身在万一发生汽车事故后的受伤程度。
我国要求20座以下的客车，从1993年7月1日起，全部安装座椅安全带。
3.2.5简述安全带的发展趋势
汽车座椅安全带的发展方向是：
更好的初始约束特性；更好的吸能特性；舒适性和方便性。
目前涉及汽车座椅安全带的技术主要集中在以下方面。
（1）预拉紧器
安全带的预拉紧器在低强度碰撞时而安全气囊未打开的情况下，保护乘员头部；同时由于它能很好地消除在碰撞开始时织带与乘员之间的松弛量，故能使乘员与车体之间的相对运动减少，从而对乘员的胸腹部起到很好的保护作用。
（2）限荷器
限荷器可以改善安全带的能量吸收特性，对乘员施加比较均匀的约束力从而降低使用安全带的不适感。
一种不需乘员动作，完全自动佩带在乘员身体上的被动安全带也已装车使用，但尚未普及。
对安全带的改进，一个是解决织带对人体的伤害问题，有的在胸部的织带上装一个小气囊，有的在设法提高织带吸能性。
3.3汽车安全气囊
3.3.1汽车安全气囊的历史发展
使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。
1952年美国汽车生产者联合会在理论中阐述了这样一种汽车安全系统的必要性。
几乎同时，这种系统的原理图也绘制了出来。
1953年，第一个气囊的专利就诞生了。
但是，由于当时技术水平的限制，还不能把这种想法或专利付诸实践。
到了1980年，德国默谢台斯公司开始实现这种设想，它在自己生产的部分汽车上安装了安全气囊。
而从1985年起，在全部供应美国市场的汽车上都有安装了这种安全系统。
随后，又出现了第一个保护驾驶员旁前排座乘员头部的气囊。
3.3.2汽车安全气囊系统组成、原理
安全气囊系统主要由碰撞传感器、安全气囊电脑、SRS指示灯和气囊组件四部分组成。
其中气囊组件由充气元件和气囊组成，均安装在方向盘内或工具箱上端，不可分解。
充气元件由电爆管、点火药粉及气体发生剂组成。
充气元件的功用是给气囊充气。
气囊由尼龙布制成，材料厚度为0．45mm，为了保证气囊的气密性，在其内表面涂复薄薄一层介成橡胶或硅橡胶。
在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。
气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。
这点十分重要。
否则，人就会被气囊推向后面或被一个气囊或几个气囊挤住而受伤。
车辆发生碰撞时，碰撞冲击力使碰撞传感器和触发传感器接通，将信号输送中央电子控制器（ECU），ECU检测到冲击力（减速度）超过设定值，经判断后确认是严重碰撞，SRS电脑接通引爆电路，使电流流过电爆管，使其发热将电爆管内的点火介质引燃，火焰随即扩散到点火药粉和气体发生剂。
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