汽车转向机构对驾驶员伤害的研究

陈泰吉 李赛 郑忠辉

摘 要：随着汽车越来越多，交通事故不可避免，在汽车发生碰撞时，转向机构是导致驾驶员受伤的主要部件。为研究汽车转向机构对驾驶员的伤害，本文以国家标准GB 11557-2011为依据，详述了试验方法及注意事项，并通过多次碰撞试验，研究了撞击位置、安全气囊、转向机构的角度等因素对驾驶员所受伤害的影响，最后给出了减少伤害的建议。

关键词：碰撞;转向机构;驾驶员;伤害

1 概述

随着经济的发展，汽车越来越多，交通事故的发生也不可避免。有研究表明：汽车发生碰撞时，转向机构是导致驾驶员受伤的主要部件，造成的伤害占比近乎50%。因此，分析研究汽车转向机构对驾驶员的伤害十分必要，关乎着驾驶员的生命安全。在驾驶员与转向机构的碰撞过程中，决定驾驶员受伤害程度的主要因素是转向机构的吸能特性，而转向机构的吸能方式主要有：方向盘的变形、安全气囊吸能、轉向管柱的溃缩吸能等，因此，影响汽车转向机构对驾驶员伤害的因素有：撞击位置、安全气囊、转向管柱的结构、转向机构的角度等。

关于汽车转向机构对驾驶员的伤害，国家标准GB 11557中有明确规定：人体上身模块以24.1～25.3km/h的速度撞击转向机构时，受到的最大水平力不超过11123N;人体头型以24.1～25.3km/h的速度撞击转向机构时，最大减速度不超过120g，累积3ms的减速度不超过80g。本文中以标准GB 11557-2011为依据，开展人体上身模块撞击试验和人体头型撞击试验，以人体上身模块受到的最大水平力以及人体头型的最大减速度作为评价驾驶员受伤害大小的指标，通过对比不同条件下的试验结果来分析撞击位置、安全气囊、转向机构的角度等对驾驶员受伤害的影响。对比试验采用某种型号的3幅式方向盘，这种结构方向盘在家用车型市场上应用较为广泛，具有一定的代表性，该型号方向盘示意图见图1。根据3幅式方向盘的结构特点，一般称‘P1点为软点，‘P3点为硬点（下文直接称为软点和硬点）。

2 试验方法

依据国标GB 11557-2011中的规定进行人体上身模块撞击试验和人体头型撞击试验，主要要求见表2-1。

2.1 转向机构安装

根据标准规定，转向机构可以安装在模拟转向机构安装的构架上进行试验，但是与实际的“前半截车身/转向机构”总成相比，该“构架/转向机构”总成应满足两点要求：一是有相同的几何外形、结构，二是刚度更大。实际试验均采用此种方式，转向机构的安装步骤如下：

（1）借助对准激光完成模拟构架的位置对中，然后固定;

（2）放置转向管柱到模拟构架上，借助对准激光完成位置对中，然后固定;

（3）借助角度尺，用模拟构架上的角度调整机构将管柱角度调整到规定值;

（4）安装转向盘和气囊;

（5）在撞击位置贴标识。

2.2 设备的调整

2.2.1 人体上身模块撞击试验

由表2-1可知，该项试验的撞击方式为自由飞行、水平撞击，因此将人体上身模块直接安装到发射推杆上即可，无需导向装置。人体上身模块的运动过程为：由推杆推动加速到设定值-与推杆脱离后进入自由飞行-与转向机构发生碰撞，因此在发射前，人体上身模块与转向盘下边缘外侧的距离为S=X+P，其中X为自由飞行的距离，P为加速的距离，详见图2。

为了模拟实车中的碰撞情形，试验要求当人体上身模块接触到转向机构的瞬间，通过假人H点的水平面应该与通过座椅R点的水平面相重合，也就是撞击接触的瞬间人体上身模块是位于实车中驾驶员正常乘坐的位置上，且撞击点应位于转向盘的中心平面。由于人体上身模块在自由飞行过程中受重力作用而产生下降，为了保证上述重合要求，发射前人体上身模块H点的位置必须高于R点，高出的距离为Δh=gt2，其中t为自由飞行的时间，可由公式t=求出，V为设定的飞行速度值。

对于装有安全气囊的转向机构，如果引爆气囊，还需考虑气囊的膨胀距离和引爆时刻，撞击时人体上身模块与气囊的接触点应该为气囊的最大膨胀点，过早或过晚接触气囊都不能发挥气囊最佳的保护作用，甚至会由于气囊的爆炸力对人体产生二次伤害。

为了得到人体上身模块受到的水平力值，在模块后背靠近质心的位置贴了加速度传感器，在得到加速度值后，根据F=ma求得力值。此外，还可通过对加速度值的积分来得到人体上身模块与转向机构接触时的速度值。

2.2.2 人体头型撞击试验

由表2-1可知，该项试验的撞击方式为全程直线导向、垂直撞击，因此需要安装导向装置。人体头型在碰撞过程不会因外力产生偏离现象，只需发射前确认头型中心点与目标点对准即可，撞击示意图如图3所示。

现在的转向机构中大多采用可溃缩的转向管柱，当转向机构受到撞击后，管柱有可能产生溃缩，并且转向盘可能会产生变形，因此试验时必须考虑溃缩变形段的距离L。不引爆气囊的情况下，人体头型在导向装置中的运动距离为加速距离、飞行距离、转向机构溃缩变形段距离L之和，当设定加速距离和飞行距离时，必须保证人体头型在导向装置中的运动距离不能超过其可以运动的极限值，否则会因人体头型与导向装置发生刚性接触导致减速度瞬间升高，这不仅影响测量结果还有可能损坏设备。一般L段根据经验设置在50mm～100mm之间，若设备导向距离足够长可以更大些。同样，对于装有安全气囊的转向机构，如果引爆气囊，还需考虑气囊的膨胀距离和引爆时刻。

3 汽车转向机构对驾驶员伤害的影响因素分析

除转向机构的结构造成的影响外，撞击位置、安全气囊、转向机构的角度都会带来不同程度的影响。

3.1 人体上身模块撞击试验中影响因素分析

3.1.1 撞击位置的影响

在实际碰撞发生时，由于紧张、恐慌等因素，驾驶员可能出现急打方向的情况，因此驾驶员与转向机构的撞击位置是不确定的。本次试验选择撞击硬点和软点两个特殊的位置，为排除其它因素的影响，采用相同型号同一批次的样件，其余参数均相同，详见表3-1。

试验后得到的加速度曲线及计算的力值曲线（加速度g取9.8m/s2）如图4，撞击硬点时的最大水平力为6929N，撞击软点时的最大水平力为4298N，可知软点处的力值更小一些。

3.1.2 气囊的影响

本次试验选择相同型号同一批次的样件，试验参数见表3-2。

试验后得到的加速度曲线及计算的力值曲线（加速度g取9.8 m/s2）如图5，气囊引爆时的最大水平力为6689N，气囊未引爆时的最大水平力为10702N，增加了約60%。由此可见，气囊能对驾驶员起到很好的保护作用，然而在一些低端车型中并未安装气囊，还有一些车在碰撞时出现了气囊未弹出的情况，这都对驾驶员的安全造成了不利影响。值得指出的是，如果人体接触气囊时其正处于加压膨胀阶段，则由于气囊膨胀力的作用会带来更大伤害;如果人体接触气囊时其已处于减压放气阶段，则对人的缓冲保护作用将大大减小;所以理想状态是人体与气囊接触时正好是气囊膨胀到最大时，这样才能发挥气囊的最佳保护作用，这也是整车整个约束系统的匹配中必须做到的一点。

3.1.3 转向机构角度的影响

本次试验选择相同型号同一批次的样件，试验参数见表3-3。

试验后得到的加速度曲线及计算的力值曲线（加速度g取9.8m/s2）如图6，转向机构角度为28°时的最大水平力为6414N，角度为22°时的最大水平力为7820N，增加了1406N。

综上，碰撞时对人体上身模块的水平力影响最大的为气囊，因此给车辆安装安全气囊并保证气囊在膨胀到最大时与人体接触是保护驾驶员的最有效措施。

3.2 人体头型撞击试验中影响因素分析

3.2.1 撞击位置的影响

本次试验选择相同型号同一批次的样件，试验参数见表3-4。

试验后得到的加速度曲线如图7，撞击点为硬点时的最大加速度为38.5g，撞击点为软点时的最大加速度为30.5g，撞击点为中心点时的最大加速度为22.6g。可以看出，撞击中心点位置时的加速度最小，这主要是因为中心点位置的气囊比其余地方厚，可以起到更好的缓冲作用。

3.2.2 气囊的影响

本次试验选择相同型号同一批次的样件，试验参数见表3-5。

试验后得到的加速度曲线如图8，引爆气囊时的最大加速度为25.5g，未引爆气囊时的最大加速度为60g。可以看出，引爆气囊时的最大加速度明显小于未引爆气囊时，这是因为气囊起到了很好的缓冲作用。另外，不引爆气囊时人体头型会撞到方向盘中心部位的车标，而车标一般都比较硬，这会导致人体头型的最大加速度明显增大。

综上，碰撞时对人体头型的加速度影响最大的为气囊。

4 结论

通过对比试验可知，撞击位置、安全气囊和转向机构的角度等因素都会对驾驶员所受伤害带来不同程度的影响。相对而言，安全气囊的影响最大，因此建议汽车厂家在出厂时尽可能保证所有车型都配备有安全气囊，并且做好质量管控，不仅要保证气囊能在碰撞时弹出，还要保证人体与气囊接触时正好是气囊膨胀到最大时，以发挥最佳保护作用。另外，如果碰撞时转向机构产生了尖角，这有可能对驾驶员造成更深的伤害，这是需要在设计阶段就避免的问题。安全问题是人类永恒关注的主题之一，希望汽车在给我们带来便捷的同时，也能保证住真正安全。

参考文献：

[1]周雪巍.转向管柱碰撞吸能性能优化分析[J].北京汽车研究工程总院，2013.

[2]刘海峰.汽车转向管柱与人体模块碰撞吸能研究.华南理工大学，2013.