当代汽车安全技术及其未来发展趋势

当代汽车安全技术■宋庆文自从1886年1月29日卡尔·本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近120年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。随着人类社会的不断发展与进步，汽车的普及和应用将更加普遍。随之带来的道路交通安全问题也已成为世界性的大问题。据联合国世界卫生组织最新一期的《世界灾难报告》报道：目前，全球每年有超过130万人死于因汽车引起的道路交通事故，伤残人数更是高达3000多万，即平均约每25S左右就有1人因道路交通事故而丧生，约每秒就有1人因道路交通事故而受伤或致残。道路交通事故仅位于心脑血管疾病、呼吸系统疾病和恶性肿瘤之后，已经成为威胁人类生命的第4大杀手。全球每年因道路交通事故造成的直接经济损失高达5800多亿美元，其中发展中国家损失超过l200亿美元，是发展中国家每年接受援助额的2倍多。因此，汽车的安伞性能对人类生命和财产安全的影响是不言而喻的。在世界汽车工业120年的发展史中，汽车安全技术始终是商家们优先及其未来发展趋势考虑的问题，他们一直在不懈努力，不断推陈出新，使汽车安全技术的研究和汽车安全新装备的应用随着汽车工业的发展发生了日新月异的变化，从最初的保险杠、减振系统、乘员系绊系统、安全气囊到汽车碰撞实验、车轮防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR)，再到无视差无盲点安全后视镜、儿童限动系统、行驶巡航系统等的研究，汽车的安全性能正日臻完善。特别是近几年，随着现代科学技术的迅猛发展和人类生活水平的快速提高，人民对当代汽车的安全性能、舒适性能提出了更高的要求，机电一体化技术、微电子技术、信息处理技术、自动化智能化技术等越来越多的先进技术、先进装备在汽车上得到广泛应用，使当代汽车安全技术和安全性能又有了飞跃性的发展，有些新技术和新装备更是令人耳目一新。主动安全技术根据“汽车理论”和“汽车设计”的概念，所谓主动安全技术就是在汽车的设计和制造时，对汽车的内、外部结构进行合理有效的设计，采用更先进的技术和装备，主动预防、避免或减少汽车在行驶过程中发生事故，以提高汽车的主动安全性能。俗话说防患于未然。通过提高汽车的主动安全技术和安伞性能，可以最有效地减少道路交通事故的发生，从而可以从根本上降低道路交通事故对人类生命及财产安全造成的危害，因此，汽车主动安全技术是当今汽车研发的重点研究领域。目前已广泛采用的汽车主动安全技术主要有防抱死制动系统(ABS)、电子制动力分配装置(EBD)、驱动防滑系统(ASR)和车距报警装置等。随着汽车工业的纵深发展，新的主动安全技术更加先进，涉及面更广，如提高驾驶者的安全视野、车辆行驶实时监控及信息处理与反馈、对行驶危险的提前预警和自动修正等，自动化、智能化程度越来越高。1．防抱死制动系统(ABS)防抱死制动系统的英文全称是Auti-LockBrakeSystem，缩写为ABS，是汽车主动安全技术最基本的也是最重要的装置之一。如果没有ABS，汽车在紧急制动时，车轮会被抱死。如果前轮先抱死，驾驶员将无法控制汽车的行驶方向，造成方向失控而发生危险；如果后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至完全调头等严重事故；如果4个车轮全部抱死，而由于惯性力的作用，汽车还会继续向前滑移。根据“汽车理论”的概念，这时汽车的侧向阻力基本为零，也就是说，这时只要有轻微的侧向作用力，如风力、斜坡路面、离心力或路面上有小石块2006年第2期商用汽车杂志圃带有ESP的载货车在行驶中等，汽车就会发生侧滑、甩尾甚至完全凋头或倾翻。特别是汽车存弯道上行驶时，由丁转向轮抱死，汽车将因车轮缺乏附着力丧失转向能力而沿着行驶惯性方向向前冲去。这是导致道路交通事故发生的重要原因之一，十分危险。ABS的功能是通过控制制动器(油或气)的收放，达到对车轮抱死状态的控制。当汽车制动时，安装在车轮上的传感器立即能感知车轮是否抱死，并将信号传输给控制单元，控制单元会马上降低抱死车轮的制动力，车轮又继续转动，转动到一定程度，控制单元又会增加制动力。这样不断重复，直到汽车降低车速或完全停止。通过抱死一松开一抱死一松开……的循环工作，使车辆始终处于临界抱死的问歇滚动状态，保证汽车制动时，车轮与地面之间有足够的附着力；所以，安装ABS后，汽车的制动性能显著改善，人大提高了汽车的制动稳定性，从而能有效地预防和减少制动时的侧翻、侧滑、甩尾和方向失控等类交通事故的发牛，保障行车安全。2．电子制动力分配装置(EBD)电子制动力分两己装置的英文全称是ElectricBrakeforceDistribution，缩写为EBD，德文全称是ElectricscheBFem sonkFaftVe rteill2 r，缩写囹2006年第2期为EBV。一般情况下，由于汽车的4个车轮附着地面的条件不同，附着力就不同，因此，在汽车制动时，很容易因轮胎与地面的摩擦力不同而产生打滑、甩尾、跑偏、倾斜和侧翻等现象。EBD的功能就是在汽车制动的瞬间，根据每个车轮不同的附着力情况，迅速准确地计算出每个车轮的摩擦力数值，然后通过自动调整制动装置，使每个车轮的制动力与摩擦力(牵引力)达到合理旺配，以保证车辆制动时的平稳与安全。EBD主要是对ABS起辅助作用，以提高ABS的功效。紧急制动时，EBD会在ABS起作用之前，依据每个车轮的质量分=fli和路面条件的不同，合理分配制动力，以使每个车轮得到更接近理想化的制动力分布；因此，ABS+EBD就是在ABS的基础上，半衡每个车轮的有效抓地力，改善制动力的不平衡，防止或减轻制动时出现的打滑、侧滑、甩尾、跑偏等现象，并能有效地缩短汽车的制动距离，使汽车的制动安全性能更胜一筹。3．驱动防滑系统(ASR)驱动防滑系统的英文全称是AcceclerationSlipRegulation，缩写为ASR，其德文全称是AutiebsSchlupfregelSystem，缩写为ASS。ASR的主要功能是当汽车在不良路面行驶时，特别是在冰雪、泥泞路面起步和行驶突然加速时以及车辆在湿滑路面高速转弯时，ASR可以最大限度地利用发动机的驱动力矩，防止或减少驱动轮出现打滑现象，以提高汽车的牵引力。同时，可避免因驱动轮打滑而造成的车辆侧滑、甩尾、跑偏等现象，从而保证车辆起步、转向和加速过程中行驶方向的稳定性，提高车辆的操控性能。此外，ASR因避免或减少了驱动轮的打滑，还能有效地减小轮胎的磨损，降低车辆的燃油消耗。4．制动辅助系统(BAS)制动辅助系统的英文全称是BrakeAssistSystem，缩写为BAS。有关资料屁示，约有90％的汽车驾驶员在紧急制动时，缺乏果断性，而BAS则能根据驾驶员踩下制动踏板的速度来探测车辆的行驶情况。在紧急情况下，当驾驶员迅速踩下制动踏板力度不足时，BAS便会启动，并在不足1S的时间内迅速把制动力增至最大，从而缩短紧急制动的制动距离。BAS也对ABS起辅助作用。当驾驶员采用点制动时，车轮往往不会抱死，这时ABS没有机会发牛作用，而BAS则让ABS具有一定的智能行为，当驾驶员迅速用力点刹制动踏板时，BAS也会判断车辆正在紧急制动，从而在迅速增人制动力的同时，启动ABS系统，以提高汽车在各种操纵情况下的制动性能。5．电子稳定程序(ESP)电子稳定程序的英文全称是ElectronicStabilityProgram，缩写为ESP。ESP是通过电子制动系统EBS(包括ABS、BAS、EBD)和驱动防滑系统(ASR)的相互作用来实现的，是以上系统功能的延伸。目前只在一些发达国家的高端车型上采用。ESP系统由控制单元及转向传感器(监测转向盘的转向角度)、车轮传感器(监测各个车轮的转动速度)、侧滑传感器(监测车体绕垂直轴线转动的状态)、横向加速度传感器(监测汽车转弯时的离心力和侧倾速率)等组成。在汽车行驶过程中，ESP系统可以通过不同的传感器实时监控车辆的转弯方向、行驶车速、油门开度、车轮附着力、制动力以及车身的倾斜角度和侧倾速度等，据此来判断汽车的正常安全行驶和驾驶者操控汽车的意图之间的差异。然后通过控制单元适时调整发动机的转速和调整每个车轮上的制动力分布，自动修正过度转向或转向不足。ESP在提高汽车行驶稳定性保障汽车行驶安全方面效果十分显著。ESP系统具有3大突出特点：(1)实时监控，ESP能够实时监控汽车行驶的运动状态、驾驶员的操控动作以及车辆对路面的反应状态，并不断地向发动机和制动系统发出正确指令，自动修正；(2)主动干预，ABS等安全技术主要是对驾驶员的动作起一定的干预作用，但不能调控发动机，而ESP则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个车轮上驱动力和制动力，来修正汽车行驶过程中的过度转向或转向不足；(3)事先提醒，当驾驶员操控不当或出现路面异常或车辆行驶异常时，ESP会用警告灯即时警示驾驶员。6．驱动力控制系统(TCS)驱动力控制系统的英文全称是TractionControlSystem，缩写为TCS。在日本等地也称之为TRC或TRAC。TCS也是在ABS基础上发展起来的新系统。ABS是控制所有车轮，而TCS只控制驱动轮。其工作原理与ABS系统如出一辙。TCS和ASR的作用是基本相同的，都是防止驱动轮打滑。不同的是TCS是通过控制动力传动系统来实现的，而ASR是通过控制发动机的驱动力矩来实现的。当汽车加速时，TCS会将驱动轮的滑动控制在一定的范围内，从而防止驱动轮的快速滑动。其功能在于提高汽车的牵引力，保持车辆的行驶稳定性。没有配备TCS的汽车在易滑路面上加速时，驱动轮极易打滑。其中，前驱动的车辆容易造成跑偏或方向失控，后驱动的车辆容易造成侧滑、甩尾，导致车辆向一侧偏移。配备了TCS后，便能减轻汽车在加速时的驱动轮打滑程度，保证车辆转向自如，行驶平顺稳定，同时可以有效地降低轮胎磨损，减少燃油消耗。7．电子制动辅助系统(EBA)电子制动辅助系统的英文全称是，ElectronicBrakeAssist，缩写为EBA。在一些非常紧急的情况下，驾驶员往往缺乏果断性，不能迅速踩下制动踏板。EBA就是为此设计的，它的功能与BAS相似。该系统利用传感器感知驾驶员对制动踏板踩踏的速度和力度大小，以此判断驾驶员此次制动的意图。如果属于非常紧急的制动，EBA就会指示制动系统产生更高的制动力，使ABS发挥作用，从而使制动力快速产生，减小制动距离；而对于正常情况的制动，EBA则会通过判断不予启动ABS。通常情况下，EBA的响应速度都会远远快于驾驶员，这对缩短制动距离增加行车安全性非常有利，因此，对于脚力较差的女性及高龄驾驶员避让紧急危险的制动是非常有帮助的。国外有关测试表明，同样一辆汽车，配有EBA后可使车速从200 km／h完全停止下来的制动距离缩短21 m。尤其是对于高速公路上行驶的车辆，EBA可以有效地防止或减少发生追尾事故。8。车辆动态控制系统(VDS)车辆动态控制系统也叫汽车横向摆动显示和控制系统，也可以称为车辆行驶稳定系统，其英文缩写为VDS。该系统可以在汽车行驶过程中将潜在的危险性预先告知驾驶员，在可能出现倾翻危险时自动降低车速，保障行车安全。该系统由2部分组成：横向摆动稳定性显示部分和横向摆动稳定性控制部分。2部分都是采用装在汽车防闭锁制动系统的传感器记录下汽车横向摆动速度和车轮转动速度，同时检测出倾翻的潜在危险。横向摆动稳定性显示系统可以告诉驾驶员所驾驶的汽车临近倾翻的危险，并将预警信号传输到安装在仪表盘上的显示器上。预警信号分3个阶段：第l阶段，仅仅在显示屏上显示检测出的横向摆动危险的目视信息；第2阶段，显示检测出的倾翻危险信息和在这种情况下的建议行驶车速，这些信息将保留在显示屏上，直到驾驶员按压相应按钮，确认已收到信息为止；第3阶段，显示检测出的高倾翻危险性和建议行驶车速，并同时接通声音报警信号，告诉驾驶员面Il缶较大的倾翻危险。横向摆动稳定性显示系统还具有类似飞机“黑匣子”的部分功能，它能够在车辆电子存储系统中存储有关信息，即汽车行驶状态数据和某些单项特性。横向摆动稳定性控制系统的功能是，当传感器检测数据表明车辆临近倾翻危险、可能发生倾翻的时刻，即横向摆动稳定性显示系统显示预警信号的第3阶段时，横向摆动稳定性控制系统即向发动机电子控制单元发出指令信号，发动机开始制动，以控制发动机的功率，随即减慢车辆的行驶速度。当汽车恢复稳定行驶后，发动机返回原先的工作状态。2006年第2期商用汽车杂志皿圄9．智能测距防碰撞系统智能测距防碰撞系统可以根据车辆的行驶状态(An车速、路况等)确定车辆周围的安全距离，当车辆进人危险区域时，自动巡航系统会自动启动并报警，以避免或减少发生碰撞类事故。该系统采用声纳技术，其主要工作原理是通过超声波发射器定期发射频率为40 kHz的超声波，接收器接收被反射回来的超声波，以此测定障碍物的距离并进行报警和控制。它分为前方声纳、示宽声纳和后部声纳(倒车雷达)。前方声纳主要用于确认车辆前方的情况，确定有无障碍物及相应距离，并通过蜂呜器和警示灯向驾驶员传递相应的道路交通信息。示宽声纳一般在车速低于10 km／h时才进入工作状态，主要用于确认车体两侧与障碍物之间的距离。一般情况下，当车体两侧接近障碍物20～50 cmtt寸，蜂呜器和警示灯’会周期性地向驾驶员报警，当距离4、于20 cm时，蜂鸣器和警示灯会连续报警。后部声纳也叫倒车雷达，它一般只在倒车时起作用，用于确认车辆尾部与障碍物之间的距离，小于一定的距离时，蜂鸣器和警示灯会连续报警，及时提醒驾驶员，从而可防止和减少发生各类碰撞事故。10．驾驶员分神与疲劳监视技术据统计，因驾驶员疲劳驾驶和驾驶分神而造成的道路交通事故占有相当大的比例，而驾驶员分神与疲劳监视技术能很好地解决这一问题。该系统的工作原理是：通过传感器连续不断地监视观察驾驶员的面部，包括耳朵、鼻子和下巴的方位，据此来计算判断出驾驶员眼睛所处的位置，并随时测定驾驶员的呼吸情况、眼睛睁的人小和眨眼的频率以及视线的变化情况，追踪其眼白和虹膜的状态，然后将这些情况与计算机模型对比，从而测定和判断驾驶员的警觉程度和疲劳程度。如果发现驾驶员疲劳驾驶或分神、精力不集中、警觉程度下降，汽车就会立即发出灯光和声响报警，提圜商用汽车杂志2006年第2期醒驾驶员以确保行车安全。11．人体工程学技术这里的人体工程学技术主要是采用逼真的虚拟现实仿真系统，研究出一套能够为不同身材驾驶员提供对路面和周围环境的无障碍视野和最佳视见度，同时提供尽可能舒适的人性化的驾驶环境，使无论男女老少、高矮胖瘦、各种身材的驾驶员都能够充分享受安全舒适的驾驶乐趣。该技术是通过眼部传感器测定驾驶员眼部的位置，再通过虚拟现实仿真系统确定和调节座椅的位置，使不同身材的驾驶员的眼睛都处于同样的相对位置。同时在虚拟一现实仿真系统的指令下，电机会自动调整转向盘、操纵踏板、中央控制台甚至地板的高度，以达到最佳的位置，从而减轻驾驶疲劳强度，保障行车安全。汽车主动安全技术是当今汽车安全技术的重点研究领域和主要发展方向。汽车主动安全技术除以上所述外，还有很多，如远红外线夜视系统、轮胎防爆安全气阀、防爆(扎)轮胎、高位制动灯、防滑差速锁、超声波清洗雨滴后视镜、驾驶员酒精浓度检测仪，等等。被动安全技术被动安全技术是指在车辆发生交通安全事故后，通过车内的保护系统(如吸震装置、联动锁紧装置及其他附属装置等)来有效地保护驾乘人员，尽量减少损伤的程度，包括对车上乘员和车下行人的保护。目前，使用最广泛的主要有乘员系绊系统(安全带)和碰撞吸震系统(各种安全气囊)。先进的乘员系绊系统和安全气囊技术，在车辆发生事故时对乘员的保护是至关重要的，能有效地避免或减轻事故对驾乘人员的损伤。另外，高强度防撞车身的研究以及新材料、新工艺、新技术的大帚应用，使汽车大批量使用轻_!量化材料更加可行。减轻质量不仅对提高安全性有重要意义，还具有潜在的环保效益。传统的被动安全技术只能对车内乘员起到一定的保护作用，而新兴的汽车将更加注重人、车与环境的融合，因此对行人的保护也成为当今汽车设计者研究的课题之一。1．安全带安全带是最典型的被动安全装置，它是对驾乘人员进行系绊约束和相对固定，可以有效地减轻交通事故发生时乘员与车身的碰撞，将乘员的损伤程度降至最低。从最初发明安全带，到经过多年的发展，汽车安全带逐步走向成熟。现在的安全带均由强度极大的合成纤维制成，带有自锁功能和卷收器，采用对驾乘人员的肩部和腰部同时实现约束的三点式设计，系上安全带后，卷收器自动将其拉紧，即预紧式三点安全带。其工作原理很简单，缓拉时无阻力，急拉是锁紧。即当车辆出现紧急制动、，正面碰撞或发生翻滚时，乘员会使安全带受到快速而猛烈的拉伸，此时卷收器的自锁功能可在瞬间卡住安全带，使乘员紧贴座椅，避免被甩出车外或遭受猛烈碰撞而受伤。2．安全气囊安全气囊也是被动安全技术最典型的装置之--，最早由瑞典VOLVO公司发明，由传感器、折叠的气囊，充气器、点火器、固态氮、警示灯等部分组成。其工作原理是当车辆发生碰撞时，碰撞传感器的控制模块对信号快速处理，确认发生碰撞的严重程度已超过安全带的保护能力(车辆的瞬间加速度达到一·定的绝对值)时，便立即自动引爆安全气囊包内的电热点火器。引爆之后，产生的火量氮气立即充涨气囊，并在强大的冲击力之下冲开外盖而完全展开。这样就在乘员前面形成一个“气垫”，使乘员的头部、胸部直接与较为柔软有弹性的气囊接触，避免由于惯性作用而与转向盘、仪表台等硬物的碰撞，从而避免或减轻对乘员的伤害。经过几十年的发展，安全气囊的种类逐渐完善，如侧边安全气囊(幕帘

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