??????? 圖 1 汽車安全技術(shù)發(fā)展趨勢
??????? 從 20 世紀(jì) 50 年代開始，各個汽車企業(yè)已經(jīng)開始 汽車碰撞試驗的研究，在臺車碰撞試驗、模型模擬碰 撞試驗（比例模型和足尺模型模擬試驗）和實車碰撞試 驗方面不僅有先進(jìn)的測試設(shè)備和技術(shù)，而且已在大量的 試驗研究中積累了許多有用數(shù)據(jù)和豐富的經(jīng)驗。 與此同時， 各國政府也在汽車正面碰撞、 偏置碰撞、 側(cè)面碰撞、側(cè)面柱撞和追尾碰撞等方面制定了完備的 法規(guī)體系，由政府、保險公司、消費者組織等機(jī)構(gòu)制訂 的新車評價體系 （new car assessment program，NCAP） 對汽車被動安全性的提出了更高的要求?？蒲袡C(jī)構(gòu)和 汽車企業(yè)也具備了高精度的 CAE 建模分析能力，形成 了較為成熟的設(shè)計理論和設(shè)計流程。近年來，豐田等 公司在多年來研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于多種碰撞 工況的安全車身設(shè)計理念和設(shè)計方法。通用汽車等公 司大量采用高強(qiáng)度鋼、塑料材料、結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)等輕 量化手段和技術(shù)降低車身重量，給車身結(jié)構(gòu)的碰撞安 全性能設(shè)計帶來了新的理念 [6]。 2.1.2 先進(jìn)乘員約束系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù) 乘員約束系統(tǒng)在碰撞中與乘員發(fā)生作用，直接影 響乘員傷害，是提高車輛被動安全性的關(guān)鍵所在。乘?員約束系統(tǒng)的研究主要包括：安全帶、安全氣囊和安 全轉(zhuǎn)向盤，通過對其進(jìn)行機(jī)械特性分析，以獲得最優(yōu)的 約束性能； 以及在車身內(nèi)飾組件上采用新吸能襯墊材料， 如安全座椅，使得人體與車身內(nèi)飾品發(fā)生二次碰撞時， 所受到的傷害最小。 安全帶是美國人 Chaire L. Strath 于 1935 年發(fā)明的， 它已經(jīng)作為必裝件為汽車所采用。國外一直在進(jìn)行提 高安全帶約束性能的研究。人們采用了卷收器、自動鎖 止卷收器 ALR 和緊急自動鎖止卷收器 ELR 來提高安全 帶的約束性能。人們還開發(fā)了安全帶預(yù)緊器、充氣式安 全帶、兒童安全帶系統(tǒng)等 。 安全氣囊是輔助的乘員約束系統(tǒng)裝置，它與安全 帶一起作用來防止乘員受到汽車內(nèi)飾的傷害。目前關(guān)于 汽車安全氣囊的研究很多，安全氣囊研究的核心問題 是它在充泄氣過程中如何使乘員獲得最佳的保護(hù)。模 擬安全氣囊的關(guān)鍵在于建立一個接近實際的模型。它 的研究涉及到工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳感技術(shù)、人 工智能和材料科學(xué)等領(lǐng)域。 安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向盤和壓塌式轉(zhuǎn)向管柱。 當(dāng)汽車發(fā)生前撞時，駕駛員的頭部或胸部較易與轉(zhuǎn)向 盤發(fā)生碰撞，從而加大頭部和胸部的傷害指標(biāo)值。為 解決這一問題，可將轉(zhuǎn)向盤的剛度進(jìn)行優(yōu)化，使其在 滿足轉(zhuǎn)向剛性要求的前提下 ，盡量降低抵抗駕駛員的碰 撞剛度。同時使轉(zhuǎn)向盤的塑膠覆蓋層盡量軟化，以降 低其表面接觸剛度。壓塌式轉(zhuǎn)向管柱可有多種形式，其 主要功能要求是當(dāng)轉(zhuǎn)向盤受到的碰撞力達(dá)到一定值時， 轉(zhuǎn)向管柱能順利地產(chǎn)生位移 （被壓塌），從而將轉(zhuǎn)向盤 提供的碰撞阻力限制在一定的峰值以內(nèi)。 安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究， 可以有效地減輕 汽車碰撞中的二次碰撞造成的人體傷害。如人們設(shè)計了 安全座椅 （像仿生座椅，bionic chair） 、安全儀表板等， 還不斷尋求新的吸能式內(nèi)飾件襯墊材料、組合式安全 儀表板等。 為了提高碰撞中的乘員保護(hù)效果，乘員約束系統(tǒng) 方面的很多新技術(shù)開始逐漸在實車運行過程中得到推 廣應(yīng)用，如預(yù)緊式安全帶、側(cè)氣簾、雙級氣體發(fā)生器、 尾撞頸部保護(hù)座椅等。能夠根據(jù)不同的乘員位置和體 征、不同的碰撞形式和強(qiáng)度為乘員提供最優(yōu)保護(hù)的自 適應(yīng)式乘員約束系統(tǒng)也在積極發(fā)展之中 。 2.1.3 車身保護(hù)行人的安全裝置 行人交通事故導(dǎo)致大量的人員傷亡，帶來一系列 嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)問題，為此，發(fā)達(dá)國家紛紛開始了行人 安全研究。 “歐洲強(qiáng)化車輛安全性委員會” （European Enhanced Vehicle Safety Committee，EEVC） 先后發(fā)布了 WG10 標(biāo)準(zhǔn) （1994 年） WG17 標(biāo)準(zhǔn) 和 （1998 年） 。歐 盟于 2005 年開始實施行人碰撞保護(hù)強(qiáng)制性法規(guī)。這些 標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的醞釀和制定已經(jīng)促進(jìn)了歐洲行人事故傷 亡率的降低。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會世界車輛規(guī)章協(xié) 調(diào)論壇被動安全工作組 （UN/ECE/WP.29/GRSP） 也已 成立行人安全組，除致力于發(fā)展協(xié)調(diào)統(tǒng)一的 “行人安全 全 球 技 術(shù) 法 規(guī)” （GTR for Pedestrian Safety，GTR 為 Global Technical Regulation 的縮寫） 以外，還針對現(xiàn)歐 盟法規(guī)中行人下肢沖擊模塊剛度過大的問題提出下一代 更為貼近真實人體下肢碰撞響應(yīng)的模塊。 目前歐 洲、日本以及澳大 利亞等國已經(jīng)將汽車 的行人碰撞保護(hù)性能納入了新車評價 計劃 （New Car Assessment Program，NCAP） 。中國的汽車與行人碰撞 安全保護(hù)法規(guī)的推薦性標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)醞釀出臺。行人碰 撞安全研究表明，車輛在設(shè)計和制造方面經(jīng)過一系列 改進(jìn)，能夠大幅度減小行人傷亡比例，社會效益和經(jīng) 濟(jì)效益非常顯著。
??????? 2.2 主動安全技術(shù)發(fā)展趨勢
??????? 汽車的主動安全性技術(shù)是通過預(yù)先的防范，避免 事故發(fā)生的技術(shù)。由于主動安全技術(shù)可以避免人員及 車輛的損傷，尤其是可以避免事后由于交通堵塞引起的 間接經(jīng)濟(jì)損失，可以防患于未然。因此汽車主動安全 技術(shù)的研究尤為重要 [9]。 汽車主動安全技術(shù)主要包括以下 4 個不同層次： 1）基于汽車制動防抱死系統(tǒng) （anti-locked braking system，ABS） 牽 引 力 控 制 系 統(tǒng) 、 （traction control system，TCS） 、以及主動橫擺力偶矩控制技術(shù) （active yaw control，AYC）[10] 發(fā) 展 起 來 的 汽 車 動 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性控制技術(shù) （國 際 上 通 稱 為 ESP （electronic stability program，電子穩(wěn)定程序） 或者 ESC （electronic stability control，電子穩(wěn)定控制） （見圖 2） ； 2）將制動、懸架、轉(zhuǎn)向等底盤電子控制系統(tǒng)控 制控制的底盤一體化控制技術(shù) （global chassis control， GCC） ； 3）緊急事故中主動乘員保護(hù)和自動避撞的智能安 全輔助控制技術(shù) （adaptive cruise control，ACC） ； 4）基于人-車危險狀態(tài)監(jiān)控的汽車主動安全預(yù)警 與干預(yù)技術(shù)。 2.2.1 汽車動力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù) 汽車動力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù)是目前國際上汽車主 動安全電控技術(shù)中一項關(guān)鍵技術(shù)。其代表產(chǎn)品為電子 穩(wěn)定程序 （ESP） 以及汽車穩(wěn)定性控制 （vehicle stability control，VSC）[11]，這一技術(shù)集制動防抱死系統(tǒng) （anti-
??????? 102
??????? 汽車安全與節(jié)能學(xué)報
??????? 2010 年 第 1 卷 第 2 期
??????? braking，ECB） 電子 制 動力分 配 ， （electric brake-force
??????? [13] distribution， EBD） ，主動懸架技術(shù) （active suspension，
??????? AS） ，前輪主動轉(zhuǎn)向 （active front Steering，AFS）[14] 或 者四輪轉(zhuǎn)向 （four-wheel drive， 4WD） ，以及防側(cè)翻控制 技術(shù)等均可以在這一技術(shù)平臺上拓展和集成。 美國交通部 / 國家公路交通安全管理局 （National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA） 查 調(diào) 統(tǒng)計顯 示： ESP/ESC 能 夠 降 低 26% 的單 車 碰 撞事故 （對于越野車 （運動型多功能車，sports utility vehicle， SUV） 這一比例為 48%） 并且該 機(jī) 構(gòu) 認(rèn) 為 ESP 能 夠 ，
??????? 圖 2 汽車動力學(xué)穩(wěn)定性控制安全技術(shù)的發(fā)展
??????? 減 少 64% （對 于 SUV 為 85%） 側(cè) 翻 事 故。FMVSS 的 126 法 規(guī) （Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations， FMVSS， 美國聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)） 規(guī)定： 2011 年 9 月后在北美生產(chǎn)和銷售的 4.5 t 以下汽車均需 安裝 ESP/ESC 系統(tǒng)。美國交通部預(yù)測，安裝 ESP 后將 有可能每年減少交通事故中人員死亡數(shù)量近 1 萬 [15]。 歐盟委員會 2009 年提議，到 2012 年，歐盟成員國內(nèi) 所有新上市車型必須配備電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)等安全系 統(tǒng)，以減少車禍。同時 NCAP 對汽車碰撞安全等級測 試中引入了汽車主動安全控制技術(shù)評分準(zhǔn)則，只有安裝 有 ESP 等主動安全電子控制產(chǎn)品的汽車才可能獲得較 高的安全等級。 目前，ESP 這一主動安 全電控 技 術(shù) 基 本被 博世 （Bosch） 大 陸 公司（Conti） 德 爾 福（Delphi） 天河 、 、 、 （TRW） 、電裝 （Denso） 等技術(shù)實力雄厚的國際化零部 件企業(yè)壟斷 [16]。我國在汽車主動安全相關(guān)的設(shè)計與控 制技術(shù)還處于起步階段。 國內(nèi)包括清華大學(xué)、 武漢元豐、 浙江亞太、萬安等企業(yè)在內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合公 關(guān)，已經(jīng)掌握了自主的 ABS 產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，但目前自主 的 ABS 產(chǎn)品僅占國內(nèi)市場的 3% 左右； TCS、AYC 等 技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化研發(fā)階段； 開始了 ESP 小批量裝車 [17]。 2.2.2 汽車底盤一體化控制技術(shù) 汽車技術(shù)不斷發(fā)展，使得一輛汽車的底盤上往往 會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、傳動、驅(qū)動、制動等多個電控系統(tǒng)。而 汽車作為一個復(fù)雜的整體，在其行駛過程中，上訴各 個子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約。由于汽車的每個 子系統(tǒng)都是針對提高車輛某一項性能指標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計， 但是整車性能的提高卻依賴于各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。 因此，底盤一體化控制成為現(xiàn)代車輛動力學(xué)控制研究
??????? locked braking system，ABS） ，牽引力控制系統(tǒng) （TCS， 也稱驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)，Anti-Slip Regulation，ASR） 和 主動橫擺力偶矩控制系統(tǒng) （AYC） 于一體，通過合理分 配縱向和側(cè)向輪胎力精確控制極限附著情況下的汽車 動力學(xué)行為。使汽車在物理極限內(nèi)最大限度按照駕駛 員的意愿行駛，被公認(rèn)為汽車安全技術(shù)中繼安全帶、 安全氣囊、ABS 之后的又一項里程碑式的突破。 ESP 的 組 成 如 圖 3 所 示， 包 括 電 子 控 制 單 元 （electrical control unit， ECU） 和液壓執(zhí)行單元 （hydraulic control unit，HCU） ，輪速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、 橫擺角速度傳感器和側(cè)向加速度傳感器以及通過 CAN 總線協(xié)議和發(fā)動機(jī)進(jìn)行通訊。ECU 分析傳感器采集的 信號，判斷車輛的行駛狀態(tài)，通過制動、轉(zhuǎn)向或者懸 架系統(tǒng)的調(diào)控，改善汽車在進(jìn)入危險工況時制動穩(wěn)定 性、 轉(zhuǎn)向可控性以及車身防側(cè)翻的能力?；谶@一技術(shù)， 可以實現(xiàn)各種新型制動或者輔助制動，如輔助制動系 統(tǒng) （brake assist，BA） 電控制動 技 術(shù) ， （electric control
??????? 1--ESP 電控液壓單元和 ECU ； 2--主動式輪速傳感器； 3--方向盤轉(zhuǎn)角傳感器； 4--橫擺角速度傳感器和側(cè)向加速度傳感器； 5--通過 CAN 總線與發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)通訊。
??????? 的熱點。所謂底盤一體化電控技術(shù)是指通過底層傳感 器信息共用、車輛運動和動力學(xué)狀態(tài)共享，通過對整 車安全性控制、動力學(xué)控制等多層次目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化后， 對多個底盤電子控制系統(tǒng)的集成控制技術(shù)。 如圖 4所示， 為底盤一體化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖，
??????? 圖 3 電子穩(wěn)定程序 ESP 的組成
??????? 宋 健，等：汽車安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望
??????? 通過計算汽車在三維空間里的 6 種運動：縱向、側(cè)向、 垂向以及側(cè)傾、橫擺和俯仰，并對汽車的各個子系統(tǒng) 加以控制，從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性以及動 力性和制動性
??????? [18]
??????? 另外 一種 是汽 車 動力學(xué) 集 成 管 理 （vehicle dynamics integrated management，VDIM） 集成方案，將汽車穩(wěn) 定性控制系統(tǒng) （vehicle stability control，VSC） ，輔助制 動技術(shù) （brake assist，BA） 以及電子節(jié)氣門的傳感信息 加以融合，從中獲取整車動力學(xué)狀態(tài)以及實現(xiàn)整車穩(wěn) 定性最優(yōu)的控制方式。基于這一集成控制平臺，可以 進(jìn)一步將電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù) （electrical power steering， EPS） 和變傳動比轉(zhuǎn)向控制技術(shù) （VCRS） 集成到 VDIM 平臺中。