能量转换在汽车安全设计中的应用

颜竞一

（湖南省长沙市第一中学，湖南 长沙 410005）

1 安全带与负载限制器对汽车安全的作用

我们对小型汽车进行正面撞击测试， 以固定的参照物为坐标，知小型汽车初始速度是每秒18.7m，在前排的驾驶员和仪表盘的距离是0.55m。 分析可知，当小汽车的递减速率和乘客的变动速率一致时，乘客最为安全，如果汽车的减速负荷平均分配到乘客身上， 那么乘客是安全的。我们也可以分析安全带的作用。从图1 中可看到未系安全带的乘客胸部速度的变化情况。 乘客一直和小型轿车的速度保持一致，直到乘客的胸部和汽车相接触，乘客的速度才降至和汽车仪表盘速度相同， 这种撞击是十分危险的，不仅撞击力量强大而且空间分布不均。 对于系有安全带未装负载限制器的乘客， 可以看到系安全带可避免乘客与车体接触。

现在很多车辆都加装了负载限制器。 从系安全带且加装负载器的曲线可以看出， 一旦负载器感知到汽车突然减速就会主动收紧松弛的安全带， 让乘客在汽车减速前提前减速，预警器和安全气囊使用一个传感器[1]。 负载器使用触发装置让安全带收紧，观察负载限制器，它像一个夹子一样把可折叠的安全带控制住， 当外力达到6000牛的时候会突然打开， 这样可以避免因安全带过度收紧而导致乘客胸部受伤。 当外力大于负载限制器的负载时，安全带放松，限制安全带对乘客的压力，保护乘客安全。安全带的使用是汽车安全设计中最为有效的被动安全措施，当危险来临时，能保障乘客的安全。

图1 汽车正面碰撞后速度变化情况

下面我们来看看侧面撞击和正面撞击的不同， 侧面撞击后乘客会向侧方移动， 安全带也无法阻止这种侧向移动。 从图2 可以看出，小型汽车总的侧向加速度开始时候是10g，在撞击后对驾驶员的冲击力突然升高，加速度达1000g。 如果这样的撞击时间比较短，在几毫秒内，不会对乘客产生危害，但是若这个过程长达20 毫秒，将对乘客造成致命伤害。

图2 汽车侧面碰撞后速度变化情况

2 汽车重量与安全性的关系

在撞击测试中， 我们在汽车和乘客身上都放置了加速传感器， 加速传感器提供了在交通事故中难以获得的数据，这些数据在汇总后可以提供给汽车生产厂家，生产厂家根据数据模型研发出更加安全可靠的汽车。 从近期交通事故的伤亡调查中可以看出， 汽车箱体的挤压是致死率最高的原因，所以汽车设计过程中，车厢设计是最为重要的关键步骤。

值得我们关注的另一种情况是一辆车的碰撞测试是否和两辆车相互碰撞的结果一致。 在这种测试中必须要考虑到不同车辆的不同属性， 可以从相互吸能的角度考虑，在能量相互传递的过程中，汽车结构将较多的能量吸收，汽车箱体得以保持原有状态，保护乘客安全。 在这个测试中， 还可以得出这样的结论， 如果两个小型汽车以112 千米每小时的速度相撞， 理论上不管汽车的质量如何，都可以安全地消耗掉因为撞击而产生的动能。 这个是理想状态但实际情况是非常复杂的。 如果一辆汽车的车头强度远远大于另一辆汽车， 强度低的汽车不可能吸收很多能量，造成箱体变形，进而威胁乘客的安全。 还有就是如果汽车车头的材质不同，结构也不同，相撞的汽车不能同时吸收能量， 威胁乘客安全。 所以在制造汽车的时候， 要重视车头的吸能情况， 可以加装前保险杠防撞钢梁，使汽车更好地吸能。

根据能量守恒定律， 如果一辆汽车的总质量小于另一辆汽车的总质量， 总质量较轻的汽车会在碰撞中会遭受更大的伤害。 如果要保持乘客的安全，人体最大能够承受的加速度是30g，要在两辆相撞的汽车内保持双方的乘客安全， 就必须把两辆汽车的总质量比控制在1:6 之内，所以我们在设计和制造小型汽车时， 应将它的总质量控制在1 到1.6 吨之间。 如果一辆小型汽车和轻型卡车相撞，不能保证小型汽车的安全，因为他们的总质量之比已经远远超出了1:6 这个范围。

汽车的稳定性和安全性是成正比的， 汽车的总质量和稳定性也是成正比的， 那是不是说汽车的总质量越大它的安全性就越好呢？ 总质量较大的汽车通常车体的体积也是比较大的，因为有更多的溃缩空间，可以保障乘客的安全。

图3 小型汽车遭不同类型正面撞击后死亡人数统计

上图所示是一辆小型汽车司机遭受图中类型正面撞击后小型汽车驾驶员死亡人数， 可以发现随着主动撞击车辆总质量不断上升，小型车的死亡人数也不断上升。 对于小型轿车来说，皮卡的撞击是致命的，因为皮卡和SUV车型的车头的两道防撞钢梁的高度正对小型车驾驶员车厢侧方， 对小型车驾驶员有致命的伤害。 所以现在很多SUV 车型上加装了底盘自动升降， 当在越野路面行驶时提升底盘，当在普通路面行驶时降低底盘，这种设计不仅可以降低油耗，提高稳定性，而且使被撞车辆的死亡率降低了11%。

3 车体结构与稳定性的关系

在汽车事故中翻车事故死亡率居高不下， 尽管现在越来越多的汽车加装了电子稳定系统， 但是还是要对汽车结构和稳定性进行讨论。

在怎么样的情况下汽车会发生侧翻呢？ 在公路上，当汽车转弯时会有离心力出现， 相对汽车中心的纵向轴作用在汽车左前轮的力会产生一个顺时针的翻滚的力矩mha（h 是汽车重心的高度、t 是轴距、g 是重力加速度、a 是汽车的速度），汽车自重也会产生一个反方向的力矩mgt/2，当加速度超过稳定系数t/2h 时，汽车就会发生侧翻现象。 为了更好地进行研究分析，把汽车看作一个刚体，这个刚体的质量是m，当汽车转动前轮时，它会产生一个侧向的力F，它的加速度是a=f/m。这个加速度与汽车本身的速度和转弯半径相关，在一般直路上，如果发生了翻车事故，一定是内测的轮胎与地面分离，用数学公式可以表示为a/g=t/2h，所以我们把t/2h 称为汽车的稳定系数。 可以看到稳定系数和车的重心高度息息相关， 小型汽车的稳定系数可以达到1.2 以上，SUV 和皮卡的稳定系数在1.0到1.2 之间。 当然汽车的侧翻和路面的摩擦系数、车身重力、支持悬挂都有紧密联系。 设计汽车时，想加大汽车的稳定性，可以加大t 值，减小h 值，即降低底盘高度和增加车身总质量。

［1］林喆.谈谈汽车产品的人性化设计［J］.美术教育研究，2014（15）：15-17.