图 1 汽车安全技术发展趋势
        从 20 世纪 50 年代开始，各个汽车企业已经开始 汽车碰撞试验的研究，在台车碰撞试验、模型模拟碰 撞试验（比例模型和足尺模型模拟试验）和实车碰撞试 验方面不仅有先进的测试设备和技术，而且已在大量的 试验研究中积累了许多有用数据和丰富的经验。 与此同时， 各国政府也在汽车正面碰撞、 偏置碰撞、 侧面碰撞、侧面柱撞和追尾碰撞等方面制定了完备的 法规体系，由政府、保险公司、消费者组织等机构制订 的新车评价体系 （new car assessment program，NCAP） 对汽车被动安全性的提出了更高的要求。科研机构和 汽车企业也具备了高精度的 CAE 建模分析能力，形成 了较为成熟的设计理论和设计流程。近年来，丰田等 公司在多年来研究的基础上，提出了适用于多种碰撞 工况的安全车身设计理念和设计方法。通用汽车等公 司大量采用高强度钢、塑料材料、结构粘接技术等轻 量化手段和技术降低车身重量，给车身结构的碰撞安 全性能设计带来了新的理念 [6]。 2.1.2 先进乘员约束系统 关键技术 乘员约束系统在碰撞中与乘员发生作用，直接影 响乘员伤害，是提高车辆被动安全性的关键所在。乘 员约束系统的研究主要包括：安全带、安全气囊和安 全转向盘，通过对其进行机械特性分析，以获得最优的 约束性能； 以及在车身内饰组件上采用新吸能衬垫材料， 如安全座椅，使得人体与车身内饰品发生二次碰撞时， 所受到的伤害最小。 安全带是美国人 Chaire L. Strath 于 1935 年发明的， 它已经作为必装件为汽车所采用。国外一直在进行提 高安全带约束性能的研究。人们采用了卷收器、自动锁 止卷收器 ALR 和紧急自动锁止卷收器 ELR 来提高安全 带的约束性能。人们还开发了安全带预紧器、充气式安 全带、儿童安全带系统等 。 安全气囊是辅助的乘员约束系统装置，它与安全 带一起作用来防止乘员受到汽车内饰的伤害。目前关于 汽车安全气囊的研究很多，安全气囊研究的核心问题 是它在充泄气过程中如何使乘员获得最佳的保护。模 拟安全气囊的关键在于建立一个接近实际的模型。它 的研究涉及到工程热力学、流体力学、传感技术、人 工智能和材料科学等领域。 安全转向系统主要包括转向盘和压塌式转向管柱。 当汽车发生前撞时，驾驶员的头部或胸部较易与转向 盘发生碰撞，从而加大头部和胸部的伤害指标值。为 解决这一问题，可将转向盘的刚度进行优化，使其在 满足转向刚性要求的前提下 ，尽量降低抵抗驾驶员的碰 撞刚度。同时使转向盘的塑胶覆盖层尽量软化，以降 低其表面接触刚度。压塌式转向管柱可有多种形式，其 主要功能要求是当转向盘受到的碰撞力达到一定值时， 转向管柱能顺利地产生位移 （被压塌），从而将转向盘 提供的碰撞阻力限制在一定的峰值以内。 安全驾驶室内饰组件的开发研究， 可以有效地减轻 汽车碰撞中的二次碰撞造成的人体伤害。如人们设计了 安全座椅 （像仿生座椅，bionic chair） 、安全仪表板等， 还不断寻求新的吸能式内饰件衬垫材料、组合式安全 仪表板等。 为了提高碰撞中的乘员保护效果，乘员约束系统 方面的很多新技术开始逐渐在实车运行过程中得到推 广应用，如预紧式安全带、侧气帘、双级气体发生器、 尾撞颈部保护座椅等。能够根据不同的乘员位置和体 征、不同的碰撞形式和强度为乘员提供最优保护的自 适应式乘员约束系统也在积极发展之中 。 2.1.3 车身保护行人的安全装置 行人交通事故导致大量的人员伤亡，带来一系列 严重的社会经济问题，为此，发达国家纷纷开始了行人 安全研究。 “欧洲强化车辆安全性委员会” （European Enhanced Vehicle Safety Committee，EEVC） 先后发布了 WG10 标准 （1994 年） WG17 标准 和 （1998 年） 。欧 盟于 2005 年开始实施行人碰撞保护强制性法规。这些 标准和法规的酝酿和制定已经促进了欧洲行人事故伤 亡率的降低。联合国欧洲经济委员会世界车辆规章协 调论坛被动安全工作组 （UN/ECE/WP.29/GRSP） 也已 成立行人安全组，除致力于发展协调统一的 “行人安全 全 球 技 术 法 规” （GTR for Pedestrian Safety，GTR 为 Global Technical Regulation 的缩写） 以外，还针对现欧 盟法规中行人下肢冲击模块刚度过大的问题提出下一代 更为贴近真实人体下肢碰撞响应的模块。 目前欧 洲、日本以及澳大 利亚等国已经将汽车 的行人碰撞保护性能纳入了新车评价 计划 （New Car Assessment Program，NCAP） 。中国的汽车与行人碰撞 安全保护法规的推荐性标准也已经酝酿出台。行人碰 撞安全研究表明，车辆在设计和制造方面经过一系列 改进，能够大幅度减小行人伤亡比例，社会效益和经 济效益非常显著。
        2.2 主动安全技术发展趋势
        汽车的主动安全性技术是通过预先的防范，避免 事故发生的技术。由于主动安全技术可以避免人员及 车辆的损伤，尤其是可以避免事后由于交通堵塞引起的 间接经济损失，可以防患于未然。因此汽车主动安全 技术的研究尤为重要 [9]。 汽车主动安全技术主要包括以下 4 个不同层次： 1）基于汽车制动防抱死系统 （anti-locked braking system，ABS） 牵 引 力 控 制 系 统 、 （traction control system，TCS） 、以及主动横摆力偶矩控制技术 （active yaw control，AYC）[10] 发 展 起 来 的 汽 车 动 力 学 稳 定 性控制技术 （国 际 上 通 称 为 ESP （electronic stability program，电子稳定程序） 或者 ESC （electronic stability control，电子稳定控制） （见图 2） ； 2）将制动、悬架、转向等底盘电子控制系统控 制控制的底盘一体化控制技术 （global chassis control， GCC） ； 3）紧急事故中主动乘员保护和自动避撞的智能安 全辅助控制技术 （adaptive cruise control，ACC） ； 4）基于人-车危险状态监控的汽车主动安全预警 与干预技术。 2.2.1 汽车动力学稳定性控制技术 汽车动力学稳定性控制技术是目前国际上汽车主 动安全电控技术中一项关键技术。其代表产品为电子 稳定程序 （ESP） 以及汽车稳定性控制 （vehicle stability control，VSC）[11]，这一技术集制动防抱死系统 （anti-
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        汽车安全与节能学报
        2010 年 第 1 卷 第 2 期
        braking，ECB） 电子 制 动力分 配 ， （electric brake-force
        [13] distribution， EBD） ，主动悬架技术 （active suspension，
        AS） ，前轮主动转向 （active front Steering，AFS）[14] 或 者四轮转向 （four-wheel drive， 4WD） ，以及防侧翻控制 技术等均可以在这一技术平台上拓展和集成。 美国交通部 / 国家公路交通安全管理局 （National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA） 查 调 统计显 示： ESP/ESC 能 够 降 低 26% 的单 车 碰 撞事故 （对于越野车 （运动型多功能车，sports utility vehicle， SUV） 这一比例为 48%） 并且该 机 构 认 为 ESP 能 够 ，
        图 2 汽车动力学稳定性控制安全技术的发展
        减 少 64% （对 于 SUV 为 85%） 侧 翻 事 故。FMVSS 的 126 法 规 （Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations， FMVSS， 美国联邦机动车安全标准） 规定： 2011 年 9 月后在北美生产和销售的 4.5 t 以下汽车均需 安装 ESP/ESC 系统。美国交通部预测，安装 ESP 后将 有可能每年减少交通事故中人员死亡数量近 1 万 [15]。 欧盟委员会 2009 年提议，到 2012 年，欧盟成员国内 所有新上市车型必须配备电子稳定控制系统等安全系 统，以减少车祸。同时 NCAP 对汽车碰撞安全等级测 试中引入了汽车主动安全控制技术评分准则，只有安装 有 ESP 等主动安全电子控制产品的汽车才可能获得较 高的安全等级。 目前，ESP 这一主动安 全电控 技 术 基 本被 博世 （Bosch） 大 陆 公司（Conti） 德 尔 福（Delphi） 天河 、 、 、 （TRW） 、电装 （Denso） 等技术实力雄厚的国际化零部 件企业垄断 [16]。我国在汽车主动安全相关的设计与控 制技术还处于起步阶段。 国内包括清华大学、 武汉元丰、 浙江亚太、万安等企业在内的科研机构和企业联合公 关，已经掌握了自主的 ABS 产业化技术，但目前自主 的 ABS 产品仅占国内市场的 3% 左右； TCS、AYC 等 技术尚处于产业化研发阶段； 开始了 ESP 小批量装车 [17]。 2.2.2 汽车底盘一体化控制技术 汽车技术不断发展，使得一辆汽车的底盘上往往 会出现转向、传动、驱动、制动等多个电控系统。而 汽车作为一个复杂的整体，在其行驶过程中，上诉各 个子系统之间相互影响、相互制约。由于汽车的每个 子系统都是针对提高车辆某一项性能指标而进行设计， 但是整车性能的提高却依赖于各个子系统的协调工作。 因此，底盘一体化控制成为现代车辆动力学控制研究
        locked braking system，ABS） ，牵引力控制系统 （TCS， 也称驱动防滑控制系统，Anti-Slip Regulation，ASR） 和 主动横摆力偶矩控制系统 （AYC） 于一体，通过合理分 配纵向和侧向轮胎力精确控制极限附着情况下的汽车 动力学行为。使汽车在物理极限内最大限度按照驾驶 员的意愿行驶，被公认为汽车安全技术中继安全带、 安全气囊、ABS 之后的又一项里程碑式的突破。 ESP 的 组 成 如 图 3 所 示， 包 括 电 子 控 制 单 元 （electrical control unit， ECU） 和液压执行单元 （hydraulic control unit，HCU） ，轮速传感器、方向盘转角传感器、 横摆角速度传感器和侧向加速度传感器以及通过 CAN 总线协议和发动机进行通讯。ECU 分析传感器采集的 信号，判断车辆的行驶状态，通过制动、转向或者悬 架系统的调控，改善汽车在进入危险工况时制动稳定 性、 转向可控性以及车身防侧翻的能力。基于这一技术， 可以实现各种新型制动或者辅助制动，如辅助制动系 统 （brake assist，BA） 电控制动 技 术 ， （electric control
        1--ESP 电控液压单元和 ECU ； 2--主动式轮速传感器； 3--方向盘转角传感器； 4--横摆角速度传感器和侧向加速度传感器； 5--通过 CAN 总线与发动机管理系统通讯。
        的热点。所谓底盘一体化电控技术是指通过底层传感 器信息共用、车辆运动和动力学状态共享，通过对整 车安全性控制、动力学控制等多层次目标协调优化后， 对多个底盘电子控制系统的集成控制技术。 如图 4所示， 为底盘一体化控制系统的系统框架图，
        图 3 电子稳定程序 ESP 的组成
        宋 健，等：汽车安全技术的研究现状和展望
        通过计算汽车在三维空间里的 6 种运动：纵向、侧向、 垂向以及侧倾、横摆和俯仰，并对汽车的各个子系统 加以控制，从而改善汽车的操纵稳定性、平顺性以及动 力性和制动性
        [18]
        另外 一种 是汽 车 动力学 集 成 管 理 （vehicle dynamics integrated management，VDIM） 集成方案，将汽车稳 定性控制系统 （vehicle stability control，VSC） ，辅助制 动技术 （brake assist，BA） 以及电子节气门的传感信息 加以融合，从中获取整车动力学状态以及实现整车稳 定性最优的控制方式。基于这一集成控制平台，可以 进一步将电动助力转向技术 （electrical power steering， EPS） 和变传动比转向控制技术 （VCRS） 集成到 VDIM 平台中。