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汽车工程师们是如何测试一款车的安全性的?

关键词:

汽车安全性能测试

|分类: 试驾评测|2017-05-19 20:26:15

<strong>关注我,请点击标题下方的“中汽技术信息”</strong><br/> 一款车的乘员碰撞保护性能如何,是通过整车的碰撞试验来测试和评价的,不同法规的测试方法和评价标准大同小异。除强制性法规标准以外,还有民间或官方的新车评价测试,即NCAP,其评价标准比强制性法规要高一些,但方法基本相同。<br/> 需要测试的工况包括正面碰撞保护、侧面碰撞保护等多个工况,在50至64千米每小时范围里,设置某个速度作为试验的碰撞初始速度。确定评价试验的速度,要考虑道路交通事故和伤害情况的统计数据、损失和伤害成本、汽车安全技术水平、汽车设计和制造成本等多方面的因素。<br/> <!--IMAGE_MARKER_0--> 正面或侧面碰撞试验的碰撞历程一般不超过十分之二秒(200毫秒),主要的乘员伤害一般也是在这段时间里造成的。碰撞试验视频是用高速摄像机拍摄的,我们通常看到的是这200毫秒时间历程的慢镜头播放,但如果用常规速度拍摄和播放,如同在试验现场看到的一样,场景就比较“震撼”了。<br/> <!--IMAGE_MARKER_1--> <strong>整车碰撞试验场地</strong><br/> 将试验车或移动壁障加速到指定的速度,汽车碰撞试验室需要有很长的加速轨道。如果要加速到50千米每小时,轨道的长度最好有70米以上,这个要求不是因为牵引电机的能力不够,而是不允许加速太快,如果太快,车辆里的碰撞假人就可能偏离预先设定的位置或姿态。所以,测试速度越高,轨道就得越长。<br/> <!--IMAGE_MARKER_2--> “碰撞广场”是发生碰撞的地方,即车辆与壁障发生接触碰撞的地方。不同试验要求的碰撞情形不同,要么是车辆碰撞静止的壁障,也可能是移动壁障碰撞静止的车辆,还可能是两个车都运动起来,在碰撞广场发生碰撞。碰撞广场要足够大,因为发生碰撞以后,车辆或者移动壁障会在比较大的范围内运动,最终靠地面的摩擦力才能停下来。<br/> <!--IMAGE_MARKER_3--> 整车碰撞试验室都有一个非常重的混凝土浇筑体,用于安放各类固定壁障,供被测试车辆撞上去。碰撞广场区域上方有可调整的灯光系统,给碰撞试验摄像提供照明。一般还有一个拍摄地坑,位于碰撞位置的下方,有承重玻璃板相隔,布置在地坑里的摄像机从下方朝上,拍摄汽车底部发生的碰撞变形情况。<br/> 碰撞试验的历程需要从多个角度和位置拍摄,包括被测试车的两侧,正前上方,底部和车辆内部。从外部拍摄的视频用于观察分析车辆各个方向的运动情况和各个位置的变形情况,从车内拍摄是为了观察车内假人的运动情况。<br/> <!--IMAGE_MARKER_4--> 拍摄碰撞试验的高速摄像机是数字化彩色摄像机,每秒钟可拍摄几千幅图片。如果我们截取一个150毫秒的碰撞试验视频,包含了300幅等时间间距的照片,该视频的采样频率就是每秒2000幅。如果我们还希望通过试验视频的差分来获得车辆速度或车辆变形快慢方面的信息,则采样频率最好再高一些。设置什么采样频率,取多大的拍摄场景,要受到摄像机性能的约束,包括其存储空间,清晰度等性能指标。<br/> <!--IMAGE_MARKER_5--> <strong>准备测试车辆及碰撞假人</strong><br/> 车辆和假人的准备必须在规定的温度和湿度下进行。但是,碰撞试验室很大,很难对整个试验室做到温度控制,所以,试验室一般会有一个小一点的试验准备间,或者一个封闭区域,能够实施环境温度的控制,在里面进行碰撞试验前的各项准备工作。<br/> 首先要对被测试的车辆进行准备,包括测量车辆的重量等参数,排出燃油并向油箱中注入没有危险性的配重液体替代燃油,也需将冷却液等液体排出,或者配置到试验规程指定的水平。在车辆的底部安装好牵引链,试验时拖动装置将通过这个牵引链来拖动车辆。<br/> <!--IMAGE_MARKER_6--> 为了方便在试验视频中观察车辆的运动和变形情况,需要在车辆的关键部位贴上各种标识,甚至可以将车身或者车身的一部分涂成明亮的颜色。<br/> <!--IMAGE_MARKER_7--> 准备碰撞试验时,在车辆内部,凡是与乘员运动响应有关的可调节装置,都应调整到试验规程规定的状态,比如座椅的位置和姿态,方向盘的姿态,天窗、车窗和门锁的状态等等。试验测试需要的传感器要一一安放在车身上,比如,用于测量碰撞加速度波形的加速度计一般是安放在汽车座椅下方的横梁上,或者汽车B柱与门槛梁的位置上,还需要将传感器连接到车载数据采集设备上。在车内安放好碰撞假人和相关仪器以后,将车辆配重到该试验要求的重量。<br/> <!--IMAGE_MARKER_8--> <!--IMAGE_MARKER_9--> 碰撞试验中主要测量的参数是碰撞假人的各个伤害参数。本课程专门有介绍碰撞假人的内容,包括假人的结构和功能等。按照车辆碰撞测试的要求,假人每经过若干次的碰撞试验以后,或者每隔一定的时间以后,要进行标定试验,以保证假人在碰撞试验中的响应能满足要求。每次碰撞试验之前,必须将假人在试验环境的温度和湿度下静置几个小时。这是因为,假人结构有很多橡胶类的非金属材料,其力学行为对环境温度比较敏感,而且,在每次经历碰撞之后,这些非金属材料需要一定的时间才能恢复到其初始状态。<br/> <!--IMAGE_MARKER_10--> 和被测试车辆一样,试验前需要在假人的关键部位贴上便于录像识别的标识。将假人安放在车辆的座椅上,是试验准备中最难把握的一个环节。假人的初始姿态对碰撞过程中假人的运动和伤害参数的影响很大,而不同车型的座椅及车内环境又很不相同,将比较重的假人正确安放在相对狭小的车内空间,不是一件容易的事。<br/> <!--IMAGE_MARKER_11--> 假人在座椅上的位置和坐姿通过所谓的“H点”来衡量和确定。调整好座椅的位置和姿态以后,先用一个标准的定位仪确定该座椅的“H点”,安放好假人以后,调整假人的位置和姿态,使假人髋部的“H点”与座椅的“H点”重合。此外,还要按规程调整好假人的头部、颈部、上肢和下肢的位置及姿态。最后,按规定调节座椅安全带滑环的位置,给假人系好安全带,并安装好安全带力传感器。将假人的各传感器与车载数据采集系统连接好。当然,也有一些新型假人是使用内置的数据采集系统,就没有连线的步骤了。最后要测量并检查假人的定位与试验规程是否相符。<br/> <!--IMAGE_MARKER_12--> <!--IMAGE_MARKER_13--> <!--IMAGE_MARKER_14--> 对于刚性壁障碰撞试验,要求在刚性墙上安装两厘米左右厚的层合板作为缓冲。对于可变形壁障碰撞试验,要在刚性墙上安装标准的蜂窝铝可变形壁障,其安装位置要保证车辆与壁障的接触区域满足试验的要求。可变形壁障的几何尺寸、材料及其碰撞响应特性由相关的法规要求给定,它的变形和破坏所提供的力学特性,代表了车辆前端的平均碰撞响应特性,用这样一个碰撞方式来模拟被测试车辆与另外一辆车的碰撞。<br/> <!--IMAGE_MARKER_15--> <!--IMAGE_MARKER_16--> 有的试验会在刚性墙上安装一个测力墙。测力墙是由很多三向力传感器组成的一个列阵,可测量碰撞过程中碰撞力的分布。测试车辆要么直接撞到这个力墙上,要么在力墙上再安装一个可变形壁障,作为车辆最先碰撞到的物体。<br/> <!--IMAGE_MARKER_17--> 整车碰撞试验开始前,要对仪器设备进行最后的检查、测试和准备,包括测量假人的温度,将被测试车在起点位置安放就位,将小滑车与牵引钢丝绳及车辆连接,车辆档位置空挡,松开手刹,数据采集开电,等等。然后启动牵引电机,将车辆加速到指定的速度。牵引电机为反馈式电机,可以在最后一段行程里调整牵引速度,使车辆的最终速度满足精度要求。<br/> 通过一个机械装置,在碰撞前将车辆与牵引钢丝绳脱开。车辆在碰撞前的最后一段行程里,是靠惯性自由行驶。在接触壁障之前,有一组光电测速装置测出车辆的实际碰撞速度。<br/> 除了各个角度和各个位置的高速摄像以外,还需采集车身上的碰撞减速度信号,碰撞减速度的时间历程,即所谓的碰撞波形,通过碰撞波形,可进一步得到车辆的碰撞速度等运动学响应历程。<br/> 碰撞假人可以有多个伤害参数的信号输出。主要有:头部质心三向加速度,颈部的力和弯矩,胸部加速度和胸部压缩量,髋部加速度,大腿碰撞力等。<br/> <!--IMAGE_MARKER_18--> 碰撞试验后,需要测量车辆的变形情况和乘员舱内部的侵入量,记录假人的姿态变化,假人各部位与气囊和膝部挡板的接触情况,约束系统情况,进行拍照记录,下载数据,拆卸假人,并清理试验现场。<br/> <!--IMAGE_MARKER_19--> 整车碰撞试验的操作过程复杂,要测量的数据和用到的仪器设备比较多,需要多名试验工程师协同操作,试验成本高。整车碰撞试验结果是车辆安全性能开发的重要参考,也是评价车辆碰撞安全性能的依据。因此,整车碰撞试验必须遵照标准的试验方法和流程进行,以保证试验结果的可靠性和可比性。<br/> 文中采用的素材,部分由上汽技术中心、C-NCAP中心和清华大学汽车碰撞试验室等单位提供,部分来自公开渠道,特此致谢!<br/> 参考文献:<br/> 周青. 汽车碰撞安全性评价方法. 《汽车碰撞安全基础》学堂在线公开课程,第4讲,2016.<br/> http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:TsinghuaX+80150193X+sp/about<br/> 本文转载自微信公众号:汽车安全与轻量化<br/> <strong>作者简介:</strong>周青,清华大学教授、博士生导师,中国汽车工程学会汽车安全技术分会主任委员;InternationalJournal of Impact Engineering副主编;美国机械工程师学会(ASME)会员;美国汽车工程师学会(SAE International)会员。主要研究领域:汽车结构碰撞安全与乘员及行人碰撞保护,汽车轻量化与结构和材料碰撞失效等。<br/> 延伸阅读:<br/> NCAP(New CarAssessment Program)<br/> 新车评价程序最早始于美国,在1978年USNCAP提出5星评价方法用于在正面碰撞中评价汽车保护车内乘员的性能。全球NCAP评价程序包括,ANCAP(澳大利亚)、EuroNCAP(欧洲)、USNCAP(美国)、IIHS(美国保险组织)、CNCAP(中国)、JNCAP(日本)、KNCAP(韩国)、LATINNCAP(拉丁美洲)、ASEANNCAP(东南亚)。在所有的NCAP机构中,EuroNCAP影响力较大。它创始于1997年,其核心成员单位包括ADAC(全德汽车俱乐部,国内某些厂商可能对它恨之入骨,但这个机构在欧洲可是深受消费者欢迎,并拥有广泛群众基础和非常高的公信力)、英国运输部、英国FIA基金会、德国运输部等等。<br/> NCAP对于促进汽车厂商提高车辆被动安全性功不可没。在90年代末进行的碰撞试验中,几乎没有车型能获得3星以上的成绩,一、两颗星的情况很普遍。但十年后的今天,即使微型车也有很多获得了5星以上的高分。<br/> 在世界上实施的NCAP评价程序主要有U.S.NCAP(美国)IIHS(美国保险协会)EuroNCAP(欧洲)C-NCAP(中国)ANCAP(澳大利亚)JNCAP(日本)KNCAP(韩国)LATINNCAP(拉丁美洲)ASEANNCAP(东南亚)<br/> C-NCAP是将在市场上购买的新车型按照比我国现有强制性标准更严格和更全面的要求进行碰撞安全性能测试,评价结果按星级划分并公开发布,旨在给予消费者系统、客观的车辆信息,促进企业按照更高的安全标准开发和生产,从而有效减少道路交通事故的伤害及损失。C-NCAP要求对一种车型进行车辆速度50km/h与刚性固定壁障100%重叠率的正面碰撞、车辆速度64km/h对可变形壁障40%重叠率的正面偏置碰撞、可变形移动壁障速度50km/h与车辆的侧面碰撞等三种碰撞试验,根据试验数据计算各项试验得分和总分,由总分多少确定星级。<br/> <strong>以往精彩文章回顾:</strong><br/> <strong>回复数字1 :</strong>一张图看懂整个汽车行业<br/> <strong>回复数字2 :</strong>1分钟认清各类汽车悬挂系统结构<br/> <strong>回复数字3 :</strong>图解汽车车身结构<br/> <strong>回复数字4 :</strong>MT、AT、AMT、DCT、CVT五大变速箱介绍<br/> <strong>回复数字5 :</strong>一张图看清全球涡轮增压市场格局<br/> <strong>回复数字6 :</strong>发动机分解图,超清晰!