行人头部碰撞安全气囊研究的文献综述

行人头部碰撞安全气囊研究的文献综述 摘要：在汽车碰撞事故中，行人碰撞事故所占比例一直较高，而行人头部损伤已成为最致命的伤害形式。因此，为了提高对行人的安全保护，减免行人碰撞的伤亡，各国都在进行车外安全气囊的研究开发。本文参考了大量数据和文献，介绍了行人安全气囊的发展现状、结构、功能，分析得出未来汽车安全气囊的发展趋势和开发难点。随着安全气囊技术的成熟，未来汽车安全化、人性化的发展趋势，安全气囊的保护范围也将进一步扩大。

关键词：汽车安全，头部碰撞，行人安全气囊 引言： 数据显示，2007年行人因交通意外死亡的人数为21106人，占全部交通死亡人数的25.85%，行人交通事故受伤人数为70838人，占全部交通受伤人数的18.62%。我国的交通是典型的地面混合交通，随着汽车保有量的增加，据专家估计未来多年交通事故和行人伤害仍然会维持在此高位。国际协调研究行动公布的数据显示：头部和下肢是行人碰撞事故中最容易受到伤害的部位，各占30%以上。下肢伤害容易造成行人残疾，而头部伤害却是最主要的致死原因。在行人碰撞事故的死亡因数中，头部伤害占了62%。在对长沙地区2001-2006年行人交通事故的统计分析中，头部损伤占近5000例伤亡的41%。[1] 行人汽车碰撞事故中，首先是行人小腿部与汽车保险打接触，由于脚面与地面的摩擦作用，小腿成弯曲状态；然后行人整个身体向车身方向倾斜，类似作旋转运动，大腿接触到发动机罩前缘，上肢和身体躯干碰撞到发动机罩；最后是行人头部撞击在发动机罩后沿或是风挡玻璃等部件。碰撞事故中行人的运动轨迹跟碰撞前汽车的速度、汽车前部参数、行人的运动状态和行人的身体特征（身高、体重等）相关，如儿童头部一般撞击在发动机罩的前部或中部，而成人头部一般撞击在发动机罩的后部或是风挡玻璃。 图1 交通事故中行人损伤部位分布 如图1，国际协调研究行动公布的数据显示：头部和下肢是行人碰撞事故中最容易受到伤害的部位，各占30%以上。下肢伤害容易造成行人残疾，而头部伤害却是最主要的致死原因。在行人碰撞事故的死亡因数中，头部伤害占了62%。在行人头部碰撞中，约有30%的碰撞发生在发动机罩，40%左右的碰撞发生在风挡玻璃。

图2 德国汉诺威地区行人碰撞事故造成损伤区域规律 德国的Dietmar教授在对德国汉诺威地区详细行人碰撞事故案例分析的基础上，给出了车体前部不同区域造成行人损伤的统计分布规律，如图2，其中，前风挡玻璃造成的伤害占23.7%，而玻璃周边框架（包括A柱和玻璃上边框）造成的伤害占总数的6.0%，其中头部损伤占了总伤亡数的42.8%，相当一部分损伤表现为脑震荡和颅骨骨折。[2] 上世纪六、七十年代，美国和澳大利亚的专家最早提出行人保护这一概念。但由于缺乏数据和研究手段，研究进展缓慢，八十年代后，美国、欧洲、日本等国家或地区在该领域陆续开展了大量研究工作。在2012年，联合国欧洲经济委员会（Economic Commission of Europe, ECE）已经就相关问题发布了相关行人保护法规ECE R127。[3] 1 行人安全气囊简介 通常情况下，安全气囊系统是一种被动安全性的保护系统，它与座椅安全带配合使用，可以为乘员提供有效的防撞保护。但是，传统的安全气囊无法解决行人碰撞事故的安全问题。当汽车与行人发生碰撞时，碰撞点一般在罩板后部位置，并随车速的增加和轿车车头的缩短，碰撞点会靠近挡风玻璃。因此，研究人员设计出一种引擎罩安全气囊装置如图3所示，装置安装于挡风玻璃下边框位置。当行人与轿车碰撞时，由保险杠前部的传感器将撞人信号传递给该气囊，则气囊点火打开成气垫式将发动机罩后部及挡风玻璃下边框雨刮等硬物覆盖，行人头部则直接撞击在气囊上，从而大大降低行人头部的伤害。但是这些设想有待于进一步的研究和验证，从而最终确定行人头部保护的最佳措施和方法。[4]

图3 行人安全气囊示意图 引擎罩气囊也可以安装于保险杠的上方，紧靠保险杠处开始展开。碰撞前由一个碰撞预警传感器激发，可在50-75ms内完成充气，保持充气状态时间可达数秒钟。充气后的安全气囊在前大灯之间的部位展开，由保险杠顶面向上伸展到发动机罩表面以上。气囊的折叠模式和断面设计保证了气囊展开时能与汽车前端的轮廓相合，以保证儿童头部和成人腿部的安全。 针对不同装车方位，保护行人不同部位来分，有不同大小和形状的气袋，保险杠气囊一般采用长圆柱行，引擎盖气囊一般采用气垫形状。[5]

2 行人安全气囊国内外研究现状 国外生产汽车安全气囊的公司较多，而且对气囊技术的研究较为成熟。如TRW公司、AUTOLIV公司、BREED公司、DAICEL公司、TEMIC公司等。汽车外部使用安全气囊这一安全设计概念最早是在汽车保险杠使用安全气囊，尽管这一概念没有在商业或军队实施，但这一理念产生了重大影响，目前许多公司、科研机构也投入资金研究开发新型安全气囊，并申请获得许多保险杠安全气囊专利。[6]沃尔沃在2013年的日内瓦车展上，发布了全球第一款带有行人安全气囊的车型沃尔沃V40。V40上配备有行人安全气囊以及行人探测系统，它们可使车辆与行人发生碰撞时进一步有效减轻行人受到的伤害，这个设计系统可谓是全球汽车安全的先驱。 近年来，我国各高校也开始进行车外安全气囊的相关技术的研究。清华大学黄世霖等人在汽车碰撞试验研究中，系统地研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术、汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用等方面做了大量工作。[7]武汉理工大学毕腾飞建立了头型试验碰撞过程数学模型，分析碰撞过程中头型受力情况和发动机罩能量吸收情况。通过碰撞过程中头型减速度时间历程和力位移历程，结合能量吸收效率的概念，提出理想的头型碰撞吸能曲线，为车辆前部结构改进提供方向和理论依据，同时探讨气囊的尺寸、气体压力以及泄气特性等参数对减小行人头部的伤害的影响。[8]武汉理工大学王宇航以典型汽车一行人交通事故分析为基础,利用多刚体动力学仿真分析软件MADYMO建立汽车一行人碰撞模型,通过仿真分析得出行人的伤害指标, 总结人车碰撞事故特点。在数据可靠性得到保证的基础上,建立车外气囊模型, 研究气囊的部分参数与行人伤害的关系。[9]华南理工大学宋新端通过建立并验证一个人体头部有限元模型来研究汽车碰撞事故中，当乘员头部与安全气囊发生碰撞时，人体头部的动力学响应和损伤机理，从而为我国汽车安全性和头部损伤防护研究提供一个有效的方法和手段。[10]

3 行人安全气囊系统分析 大部分汽车碰撞事故中，驾驶员在碰撞发生前均采取了紧急制动措施，但由于制动距离不够，导致了事故的发生。[11]因此，如果利用传感器技术在汽车碰撞前检测到碰撞即将发生而将前保险杠安全气囊释放出来，则行人将不会直接与刚度很大的汽车前部结构发生碰撞，而是首先与气囊接触，从而有效保护行人。 同时，由于汽车正面碰撞和侧面碰撞安全性的要求，汽车前风窗框的刚性很大。一旦行人头部撞击到风窗框，则极有可能导致致命伤害。这些部位不可能通过降低其刚性来满足对行人碰撞的安全性要求。因此，目前唯一的办法是采用行人安全气囊系统。[12] 行人安全气囊系统由行人安全气囊控制模块、发动机控制模块、车身控制模块、制动控制模块、仪表、行人碰撞传感器、机盖铰链释放装置、行人安全气囊、机盖弹起限位装置组成，如图4所示。

图4 行人安全气囊系统电气系统组成 在前保险杠内布置有若干个加速度型传感器，行人保护碰撞传感器会不断传送数据至控制模块。当发生碰撞时，行人保护模块会利用这些来自行人保护碰撞传感器的数据，来判断碰撞严重程度是否足以启动铰链释放装置及行人保护安全气囊。[13] 以沃尔沃V40为例介绍行人安全气囊启动原理：当点火开关在行车档时，行人安全控制模块会不断地检测来自发动机控制模块的室外温度信号和来自制动控制模块的车辆运行速度，当温度在-20～70℃之间且时速在20～50 km／h时，行人安全气囊系统会自动启动，且不能手动关闭。 系统启动后会不断地监测行人保护碰撞传感器、行人安全气囊、左右机盖绞链释放装置。当温度和车速条件不能同时满足时，行人安全气囊不会工作。当发生碰撞，启动条件满足时，行人安全气囊启动。[14] 行人保护安全气囊只有一级启动，其位于发动机盖与挡风玻璃之间的整流罩下方。行人安全气囊一旦启动，会传送一个触发信号至行人保护安全气囊上的引爆装置，安全气囊便会在挡风玻璃上展开。行人保护安全气囊包括火药式组件以及储存气体的储气筒。启动时，火药燃起并与储存的气体混合。气体混合物填充气囊使其膨胀。该装置需要控制系统及时正确地判断汽车与行人碰撞的发生，及时打开安全气囊来保护行人。[15]

4 总结与展望 行人安全气囊作为近年来出现的新技术，可以大大提高行人的安全，但要全面普及，还有以下几个方面有待深入研究： 第一，与车内气囊系统相比，车外气囊的展开感应系统以及气囊的充气或者展开时间具有很高的要求。目前正碰感应系统在15一25毫秒内区分碰撞情形，与其相比车外碰撞一般在20毫秒内就能区分出碰撞情形，气囊展开时间也应该越短越好，通过事故模拟可以看出，气囊展开时间最好在50毫秒以内。 第二，缩小安全气囊总成的体积是当前发展的趋势之一[16]，尤其是汽车前方A柱的气囊，如果布置空间过大，会在一定程度上遮挡驾驶员的视线，容易造成危险。新型发生器工作时，压缩气体从气罐中喷出充满气袋。这种发生器气体产生率高，尺寸小，便于安装布置。 第三，气体发生器要产生足够多的气体，来充满所有的充气单元。充气的过程会导致气体分配不均匀，并且导致各充气单元充气时间不同。为了使气帘更快的膨胀并使气体能更好的分布，应该用较大口径的发生器或者使用多个气体发生器或者导气管。 目前，在安全气囊的开发过程中，多采用试验与计算机仿真相结合的方法，这样可以大大缩短开发周期和节省开发费用，计算机仿真已经成为安全气囊的设计与开发过程中必不可少的工具。 行人保护气囊是近几年来才出现的先进气囊技术，专门针对汽车碰撞中行人的保护，可以有效的减少行人在碰撞中的伤亡情况，随着相关研究的不断深入，在未来一定会得到普及应用，并且有望获得法律强制安装，所以该研究具有积极的现实意义和广阔的市场前景。

参考文献： [1] Kong C Y, Yang J K, Li L, et al. In-depth investigation of vehicle traffic injuries in Changsha of China. In: Proc of 2nd International ExpertSymposium