??????? 圖 1 汽車(chē)安全技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
??????? 從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，各個(gè)汽車(chē)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始 汽車(chē)碰撞試驗(yàn)的研究，在臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)、模型模擬碰 撞試驗(yàn)（比例模型和足尺模型模擬試驗(yàn)）和實(shí)車(chē)碰撞試 驗(yàn)方面不僅有先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，而且已在大量的 試驗(yàn)研究中積累了許多有用數(shù)據(jù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。 與此同時(shí)， 各國(guó)政府也在汽車(chē)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(xiǎn)公司、消費(fèi)者組織等機(jī)構(gòu)制訂 的新車(chē)評(píng)價(jià)體系 （new car assessment program，NCAP） 對(duì)汽車(chē)被動(dòng)安全性的提出了更高的要求?？蒲袡C(jī)構(gòu)和 汽車(chē)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(jì)理論和設(shè)計(jì)流程。近年來(lái)，豐田等 公司在多年來(lái)研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于多種碰撞 工況的安全車(chē)身設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。通用汽車(chē)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(chē)身重量，給車(chē)身結(jié)構(gòu)的碰撞安 全性能設(shè)計(jì)帶來(lái)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(chē)輛被動(dòng)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(pán)，通過(guò)對(duì)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(chē)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(chē)身內(nèi)飾品發(fā)生二次碰撞時(shí)， 所受到的傷害最小。 安全帶是美國(guó)人 Chaire L. Strath 于 1935 年發(fā)明的， 它已經(jīng)作為必裝件為汽車(chē)所采用。國(guó)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(dòng)鎖 止卷收器 ALR 和緊急自動(dòng)鎖止卷收器 ELR 來(lái)提高安全 帶的約束性能。人們還開(kāi)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(lái)防止乘員受到汽車(chē)內(nèi)飾的傷害。目前關(guān)于 汽車(chē)安全氣囊的研究很多，安全氣囊研究的核心問(wèn)題 是它在充泄氣過(guò)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(gè)接近實(shí)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(pán)和壓塌式轉(zhuǎn)向管柱。 當(dāng)汽車(chē)發(fā)生前撞時(shí)，駕駛員的頭部或胸部較易與轉(zhuǎn)向 盤(pán)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(wèn)題，可將轉(zhuǎn)向盤(pán)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(shí)使轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)受到的碰撞力達(dá)到一定值時(shí)， 轉(zhuǎn)向管柱能順利地產(chǎn)生位移 （被壓塌），從而將轉(zhuǎn)向盤(pán) 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(kāi)發(fā)研究， 可以有效地減輕 汽車(chē)碰撞中的二次碰撞造成的人體傷害。如人們?cè)O(shè)計(jì)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(kāi)始逐漸在實(shí)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中得到推 廣應(yīng)用，如預(yù)緊式安全帶、側(cè)氣簾、雙級(jí)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(chē)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(lái)一系列 嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，為此，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)始了行人 安全研究。 “歐洲強(qiáng)化車(chē)輛安全性委員會(huì)” （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(kāi)始實(shí)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(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)世界車(chē)輛規(guī)章協(xié) 調(diào)論壇被動(dòng)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(xiě)） 以外，還針對(duì)現(xiàn)歐 盟法規(guī)中行人下肢沖擊模塊剛度過(guò)大的問(wèn)題提出下一代 更為貼近真實(shí)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(guó)已經(jīng)將汽車(chē) 的行人碰撞保護(hù)性能納入了新車(chē)評(píng)價(jià) 計(jì)劃 （New Car Assessment Program，NCAP） 。中國(guó)的汽車(chē)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(tái)。行人碰 撞安全研究表明，車(chē)輛在設(shè)計(jì)和制造方面經(jīng)過(guò)一系列 改進(jìn)，能夠大幅度減小行人傷亡比例，社會(huì)效益和經(jīng) 濟(jì)效益非常顯著。
??????? 2.2 主動(dòng)安全技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
??????? 汽車(chē)的主動(dòng)安全性技術(shù)是通過(guò)預(yù)先的防范，避免 事故發(fā)生的技術(shù)。由于主動(dòng)安全技術(shù)可以避免人員及 車(chē)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(chē)主動(dòng)安全 技術(shù)的研究尤為重要 [9]。 汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)主要包括以下 4 個(gè)不同層次： 1）基于汽車(chē)制動(dòng)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(dòng)橫擺力偶矩控制技術(shù) （active yaw control，AYC）[10] 發(fā) 展 起 來(lái) 的 汽 車(chē) 動(dòng) 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性控制技術(shù) （國(guó) 際 上 通 稱(chēng) 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(jiàn)圖 2） ； 2）將制動(dòng)、懸架、轉(zhuǎn)向等底盤(pán)電子控制系統(tǒng)控 制控制的底盤(pán)一體化控制技術(shù) （global chassis control， GCC） ； 3）緊急事故中主動(dòng)乘員保護(hù)和自動(dòng)避撞的智能安 全輔助控制技術(shù) （adaptive cruise control，ACC） ； 4）基于人-車(chē)危險(xiǎn)狀態(tài)監(jiān)控的汽車(chē)主動(dòng)安全預(yù)警 與干預(yù)技術(shù)。 2.2.1 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù) 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù)是目前國(guó)際上汽車(chē)主 動(dòng)安全電控技術(shù)中一項(xiàng)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(chē)穩(wěn)定性控制 （vehicle stability control，VSC）[11]，這一技術(shù)集制動(dòng)防抱死系統(tǒng) （anti-
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??????? 汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)
??????? 2010 年 第 1 卷 第 2 期
??????? braking，ECB） 電子 制 動(dòng)力分 配 ， （electric brake-force
??????? [13] distribution， EBD） ，主動(dòng)懸架技術(shù) （active suspension，
??????? AS） ，前輪主動(dòng)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(tái)上拓展和集成。 美國(guó)交通部 / 國(guó)家公路交通安全管理局 （National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA） 查 調(diào) 統(tǒng)計(jì)顯 示： ESP/ESC 能 夠 降 低 26% 的單 車(chē) 碰 撞事故 （對(duì)于越野車(chē) （運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)，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(chē)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制安全技術(shù)的發(fā)展
??????? 減 少 64% （對(duì) 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(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)） 規(guī)定： 2011 年 9 月后在北美生產(chǎn)和銷(xiāo)售的 4.5 t 以下汽車(chē)均需 安裝 ESP/ESC 系統(tǒng)。美國(guó)交通部預(yù)測(cè)，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(wàn) [15]。 歐盟委員會(huì) 2009 年提議，到 2012 年，歐盟成員國(guó)內(nèi) 所有新上市車(chē)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(chē)禍。同時(shí) NCAP 對(duì)汽車(chē)碰撞安全等級(jí)測(cè) 試中引入了汽車(chē)主動(dòng)安全控制技術(shù)評(píng)分準(zhǔn)則，只有安裝 有 ESP 等主動(dòng)安全電子控制產(chǎn)品的汽車(chē)才可能獲得較 高的安全等級(jí)。 目前，ESP 這一主動(dòng)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(shí)力雄厚的國(guó)際化零部 件企業(yè)壟斷 [16]。我國(guó)在汽車(chē)主動(dòng)安全相關(guān)的設(shè)計(jì)與控 制技術(shù)還處于起步階段。 國(guó)內(nèi)包括清華大學(xué)、 武漢元豐、 浙江亞太、萬(wàn)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)的 3% 左右； TCS、AYC 等 技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化研發(fā)階段； 開(kāi)始了 ESP 小批量裝車(chē) [17]。 2.2.2 汽車(chē)底盤(pán)一體化控制技術(shù) 汽車(chē)技術(shù)不斷發(fā)展，使得一輛汽車(chē)的底盤(pán)上往往 會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等多個(gè)電控系統(tǒng)。而 汽車(chē)作為一個(gè)復(fù)雜的整體，在其行駛過(guò)程中，上訴各 個(gè)子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約。由于汽車(chē)的每個(gè) 子系統(tǒng)都是針對(duì)提高車(chē)輛某一項(xiàng)性能指標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計(jì)， 但是整車(chē)性能的提高卻依賴于各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。 因此，底盤(pán)一體化控制成為現(xiàn)代車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制研究
??????? locked braking system，ABS） ，牽引力控制系統(tǒng) （TCS， 也稱(chēng)驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)，Anti-Slip Regulation，ASR） 和 主動(dòng)橫擺力偶矩控制系統(tǒng) （AYC） 于一體，通過(guò)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(chē) 動(dòng)力學(xué)行為。使汽車(chē)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(chē)安全技術(shù)中繼安全帶、 安全氣囊、ABS 之后的又一項(xiàng)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(pán)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(guò) CAN 總線協(xié)議和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通訊。ECU 分析傳感器采集的 信號(hào)，判斷車(chē)輛的行駛狀態(tài)，通過(guò)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向或者懸 架系統(tǒng)的調(diào)控，改善汽車(chē)在進(jìn)入危險(xiǎn)工況時(shí)制動(dòng)穩(wěn)定 性、 轉(zhuǎn)向可控性以及車(chē)身防側(cè)翻的能力?；谶@一技術(shù)， 可以實(shí)現(xiàn)各種新型制動(dòng)或者輔助制動(dòng)，如輔助制動(dòng)系 統(tǒng) （brake assist，BA） 電控制動(dòng) 技 術(shù) ， （electric control
??????? 1--ESP 電控液壓?jiǎn)卧?ECU ； 2--主動(dòng)式輪速傳感器； 3--方向盤(pán)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(guò) CAN 總線與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通訊。
??????? 的熱點(diǎn)。所謂底盤(pán)一體化電控技術(shù)是指通過(guò)底層傳感 器信息共用、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)共享，通過(guò)對(duì)整 車(chē)安全性控制、動(dòng)力學(xué)控制等多層次目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化后， 對(duì)多個(gè)底盤(pán)電子控制系統(tǒng)的集成控制技術(shù)。 如圖 4所示， 為底盤(pán)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(chē)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望
??????? 通過(guò)計(jì)算汽車(chē)在三維空間里的 6 種運(yùn)動(dòng)：縱向、側(cè)向、 垂向以及側(cè)傾、橫擺和俯仰，并對(duì)汽車(chē)的各個(gè)子系統(tǒng) 加以控制，從而改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、平順性以及動(dòng) 力性和制動(dòng)性
??????? [18]
??????? 另外 一種 是汽 車(chē) 動(dòng)力學(xué) 集 成 管 理 （vehicle dynamics integrated management，VDIM） 集成方案，將汽車(chē)穩(wěn) 定性控制系統(tǒng) （vehicle stability control，VSC） ，輔助制 動(dòng)技術(shù) （brake assist，BA） 以及電子節(jié)氣門(mén)的傳感信息 加以融合，從中獲取整車(chē)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)整車(chē)穩(wěn) 定性最優(yōu)的控制方式。基于這一集成控制平臺(tái)，可以 進(jìn)一步將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù) （electrical power steering， EPS） 和變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向控制技術(shù) （VCRS） 集成到 VDIM 平臺(tái)中。