提升车辆与交通安全：道路交通管理规划与应用

10.1.1　汽车的使用性能

1.汽车的制动性能

汽车的制动性是指汽车在行驶中能强制地降低行驶速度以至停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能力。制动是汽车主动安全操作措施中的最后手段，是将功能转化为其他形式能量的过程。汽车的制动是通过车上的制动装置来实现的。根据我国标准《机动车运行安全技术条件》（GB 7258—1997）（以下简称《技术条件》）的规定，汽车须装有两套彼此独立的制动装置，即驻车制动装置和行车制动装置。驻车制动装置用来在坡道上停车时，防止汽车自行移动；行车制动装置是汽车上的主要制动装置，用来在行车中减速，必要时停车。

汽车的动力性能越好，其制动性能越可靠。在车辆的安全检验和交通事故中，制动性是重要的检查与分析内容。

（1）汽车制动的基本原理

图10-1　汽车制动时车轮的受力情况

制动时车轮的受力状况如图10-1所示。图中Mu为制动器产生的摩擦力矩，Fp为车轴对车轮的推力，Z为地面对车轮的法向反作用力，G为车轮上的垂直载荷，r为车轮半径，F为地面对车轮的切向反作用力，即地面制动力。轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需要的力称为制动器制动力，以Fu表示，显然有Fu =Mu/r。可知，制动器制动力由制动器结构参数和车轮半径决定；一般它与制动踏板力，即制动系液压或空气压力成正比。制动时，车轮的运动有滚动和抱死拖滑两种状态。踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面制动力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。此时，地面制动力等于制动器制动力，而且随踏板力的增长而增长。但地面制动力受轮胎与地面之间的附着力Fφ的限制，即：

最大地面制动力：

图10-2　附着系数和滑转率关系

式中：φ——轮胎与路面的附着系数，主要取决于路面和轮胎状况。

由此可知地面制动力最大不能超过附着力，否则，车轮将拖滑，故此时要提高地面制动力，只能提高附着系数。

（2）路面的附着系数

大量试验证明，一个弹性轮胎在硬路面上滚动时制动，其摩擦系数不是理论上的在纯滚动状态下达到最高值，而是在部分滑动时才达到最高值，如图10-2所示，引用滑转率ε来代表滑移与滚动的百分比。

式中：v——车轮平移的线速度；

　　　ω——车轮滚动的角速度。

制动时，OA段F＜Fφ，车轮近似作单纯滚动，很少发生纵向滑移。到达A点后，轮胎与地面产生局部滑移，车轮处于边滚边滑状态。到达B点时，纵向附着系数达到最大值φp，称为峰值附着系数。它一般出现在滑转率ε为15%～20%时，随着制动强度的增加，滑动成分的比例越来越大最后车轮被制动器抱住，在路面上作完全拖滑，此时ω=0，ε=100%。滑转率为100%的附着系数值为滑动附着系数φs在干燥路面上φs与φp的差值很小，而在潮湿路面上差值很大。

由分析结果可知，地面制动力F可以在瞬间达到最大，即F=G•φp。但是，这个极不稳定状态的制动过程很难用驾驶员的脚去控制，因为在紧急制动时，车轮制动力在瞬间就过渡到车轮全滑移的阶段，即地面制动力瞬间就达到F=G•φs，而几乎在保持不变的情况下到汽车停止为止。为了简化计算，通常确定地面制动力的最大值受轮胎与地面间的附着力限制，即用Fmax =G•φ来表示，其中φ值可以近似用φs来代替。

附着系数的数值主要决定于道路材料、路面的状况、轮胎结构、轮胎材料、胎面花纹、汽车运行速度和轮胎滑动率等因素。表10-1列出了路面影响附着系数的有关数据。

表10-1　各种路面上的平均附着系数

在潮湿路面，水起润滑作用，将显著降低附着系数。为了穿透水膜，让路面与轮胎直接接触，路面的微观结构应是粗糙的。同时，为能迅速排水，胎面都设计沟槽，以提高抓地能力，改善轮胎在潮湿路面的附着性能。显然，轮胎胎面花纹的磨损，使汽车在潮湿路面的附着力显著下降。

路面的洁净度、细砂、尘土、油污等会显著降低附着力。试验表明，车速越高，附着系数越低，这也增加了高速时的制动困难。增大轮胎与地面的接触面积能提高附着系数，因此，低气压、宽断面和子午线轮胎的附着系数要较一般的轮胎大。

（3）汽车的制动过程

一般汽车上装有液压式或气压式的行车制动装置。需要制动时，驾驶员用右脚踏下制动踏板，通过液压或气压机构的作用使制动器动作，利用制动器内部的摩擦和车轮与路面间的摩擦消耗汽车的动能，达到减速或停车的目的。

汽车的制动过程如图10-3所示，图中t1为驾驶员反应时间，即驾驶员发现危险情况后至开始出现反应动作将右脚移动到制动踏板上所需要的时间；t2为开始踏下踏板到汽车上出现制动力所经过的时间（制动滞后时间）；t3为制动力增长时间；t4为制动力达到最大值以后的持续制动时间；t5为停车后到制动解除所需要的制动放松时间。

由于驾驶员的操作方法以及汽车制动装置结构的差异，上述各段时间的长短也各不相同，但一般来讲，驾驶员反应时间t1为0.3～1.0s。反应时间长短与驾驶经验、熟练程度和疲劳情况有关。

图10-3　汽车的制动过程

制动滞后时间t2依据《汽车制动规范》（ZBT 24007—96）的要求，气压制动系不能超过0.6s，液压制动系不能超过0.3s。

制动力增长时间t3从开始产生制动力至达到某一稳定值所经历的时间段。试验表明，此段时间气压制动系为0.4～0.9s，液压制动系为0.15～0.2s。

在持续制动时间t4中，车轮呈拖滑状态，其减速度基本保持不变。

制动放松时间t5是放松制动踏板至制动力消失的时间，此时减速度为零。制动放松时间影响汽车操纵稳定性，因此规定t5不得超过0.3s。

由图10-3可以看出，驾驶员在采取制动的整个过程中，发生人的反应滞后和机械动作滞后。前者为从紧急情况发生时起，驾驶员意识判断到进行操作引起的时间滞后，后者为消除制动踏板空行程并踏满最大行程至制动力发生制动作用所形成的时间滞后。

制动全过程包括驾驶员看到信号后做出行动反应、制动系协调、持续制动和制动彻底放松四个阶段。其中制动系协调时间包括制动滞后和制动力增长时间。一般制动距离是指从驾驶员踩到制动踏板开始到汽车停住为止所驶过的距离，它包括制动系协调和持续制动两个阶段中行驶的距离。

（4）影响汽车制动的因素

①制动时的轴荷分配

制动时，由于重心前移，前轴负荷增加，后轴负荷减少。前已述及，目前一般汽车前后轮Fp之比为一常数。因此，对于给定载重量和重心位置不偏移的汽车，也只能在某一种路面上使前后轮同时抱死拖滑，即同时使制动器制动力Fp =F，而在其他路面上，不是前轮先抱死拖滑，就是后轮先抱死拖滑。

②车轮制动器

车轮制动器的材料、结构形式和制造精度及调整等，对制动性均有影响。

③制动初速度

制动初速度越大，制动距离就越长。同时，制动初速度越大，通过制动器转化产生的热能越大，温度越高，对摩擦片材料的热衰退影响越严重，摩擦系数下降越大，轮胎与路面之间的温度也越高，因而使制动距离加长。

④道路附着系数

附着系数φ值限制了最大制动力，制动距离随着φ值变化而成反比变化。

⑤汽车的装载

汽车装载的变化，将改变汽车重心位置而导致汽车的制动性能发生变化。实践证明，对载重量3t的汽车，如果超载1t，制动距离要增大0.5～1.0m。

⑥驾驶技术

驾驶员的驾驶熟练程度、反应的快慢程度，对汽车的制动距离影响也很大。实践表明，许多事故是由于驾驶员的反应太慢造成的。经验证明，在φ值较低的滑溜路面，为防止车轮抱死而导致制动效果变坏，在制动时迅速交替地踏下和放松制动踏板，可提高制动效果。

（5）汽车制动的评价指标

汽车的行车制动能力评价指标包括：制动效能、制动时的方向稳定性及制动效能的恒定性。

①制动效能

制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力，用制动减速度、制动距离、制动力和制动系协调时间来评价。

制动减速度：制动减速度反映了作用在汽车上的制动力的大小，与制动器制动力及附着力有关。

当车辆在平坦、干燥、坚硬的路面上制动时，由于制动时的初速度不高或初速度虽高但速度下降迅速，故空气阻力、坡度阻力的影响可略去不计。根据汽车的运动方程，当制动器制动力没有达到附着力Fφ时，最大制动减速度为：

式中：Fu——制动器制动力；

　　　m——汽车总质量；

　　　g——重力加速度；

　　　f——滚动阻力系数；

　　　δ——汽车旋转质量换算系数。

制动器制动力比附着力大，但车轮未抱死，则滚动压印制动时的最大制动减速度为：

式中：φp——峰值附着系数，即纵向附着系数最大值。

车轮抱死滑移时δ=1，f=0，最大制动减速度为：

式中：φs——滑动附着系数。

比较以上两种制动状态。假设δ=1.05的沥青路面，φp =0.8～0.9，φs = 0.7～0.8，代入以上两式得：jmax=7.47～8.40m/s2（滚动压印）；jmax=6.86～7.84m/s2（抱死滑移），可以看出滚动压印制动效果优于抱死滑移的制动效果。

表10-2为不同类型汽车在铺装良好的路面上制动时，最大制动减速度的参考值。

表10-2　各种车辆的最大制动减速度

注：此数据引自《中华人民共和国机动车制动检验规范》。

汽车、汽车列车和无轨电车在规定的初速度下急踩制动时充分发挥的平均减速度和制动稳定性应符合表10-3的要求。

表10-3　制动减速度和制动稳定性要求

注：对3.5t＜总质量≤4.5t的汽车实验车道宽度为3m。

在实际使用时，过大的制动减速度不仅要增加燃油消耗和轮胎磨损，而且还会使乘客不舒适或货物在车厢内碰撞。因此，一般情况下不应使制动速度超过1.5～2.5m/s2的范围，只有在紧急情况下，制动减速度才能超过4.0m/s2。

制动距离：制动距离与制动踏板力有关，能直观地反映出汽车的制动性能，是常用的检验指标。法规中规定的汽车的制动距离S，是指从驾驶员右脚开始踏制动板起到制动停止为止汽车所驶过的距离，它包括制动器起作用时间和持续制动两个阶段中汽车驶过的距离S2、S3，即图5-3中时间t2、t3与t4内汽车驶过的距离S。

汽车的制动距离和制动初速度的关系可推导如下：

在制动器起作用t2时间内，汽车驶过的距离为S2。由图5-3可知，在t2时间内，汽车尚未出现制动力，汽车仍以原速度U0向前行驶，所以L2为：

式中：U0——汽车制动初速度（m/s）。

t3是制动力增长的时间，设在此时间内，制动力按直线规律增长，则可求得在t3时间内，汽车驶过的距离L3为：

式中：jmax——汽车最大制动减速度（m/s2）。

t4是制动力达到最大后的持续制动时间。在t4时间内，可近似认为最大制动力保持不变，即汽车作匀减速运动，在此时间内汽车驶过的距离可求得为：

式中各符号意义同前。

由上述可知，汽车的制动距离S为：

因为t3很小，故略去高阶微量，且车速的单位为km/h，可得汽车的制动距离S与制动初速度的关系为：

式中：V0——汽车制动初速度（km/h）。

从以上公式可以看出，决定汽车制动距离的主要原因是：制动器起作用时间、附着力（或制动器最大制动力）、制动的起始车速。制动距离和制动稳定性检验标准，见表10-4。

表10-4　制动距离和制动稳定性要求

注：对3.5t＜总质量≤4.5t的汽车实验车道宽度为3m。

制动力及制动系协调时间：汽车制动器产生的制动力的大小与汽车制动距离有关系，它不但表明汽车的减速度，还反映出各车轮的制动力及其分配情况，因而可用来评价汽车的制动性能。检验制动器的制动力需要使用专用的制动试验台。除制动力大小以外，左右轮制动力的差别也影响汽车制动性能。一般要求前、后轴左右轮制动力之差分别不大于该轴载荷的5%和8%。表10-5为车辆在不同状态时的制动力检验标准。

表10-5制动力检验标准

在紧急制动时，从踏板开始动作至汽车减速度达到稳定减速度，或制动器的制动力达到规定值所经过的时间称为制动系协调时间。由图10-3可知，制动系协调时间可视为踏下踏板至出现制动力经过的时间t2与制动增长时间t3之和。如果忽略驾驶员踏制动踏板快慢的差别，则制动系协调时间主要取决于汽车制动系统的结构和技术状况。为保证汽车的行驶安全，希望制动系协调时间越短越好。表10-6为不同车型的制动系协调时间。

表10-6　制动系协调时间的规定

②制动时的方向稳定性

汽车制动时的方向稳定性也是影响交通安全的重要因素，在制动过程中有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力，使汽车失去控制而偏离原来的行驶方向，甚至发生危险。一般汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力，称为制动时汽车的方向稳定性，常用制动时汽车按给定轨迹行驶的能力来评价。如果汽车在制动过程中不能维持原来的行驶方向，甚至失去操纵，则极易引起交通事故。

制动跑偏：制动跑偏是指汽车在制动过程中，自行向左或向右偏驶。引起制动跑偏的原因如下：汽车左右车轮特别是转向轴左右轮制动器制动力不相等；前轮定位失准、车架偏斜、装载不合理或受路面的影响；制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调。其中，前两条原因是制造、调整的误差或使用不当造成的。汽车究竟向左还是向右跑偏，要根据具体情况而定，因此是非系统性的。第三个原因是设计造成的，制动时总向一个方向跑偏，因此是系统性的。导致制动跑偏的三个因素，也会造成汽车行驶跑偏。

在设计时，应充分考虑不对称汽车的部件的布置关系。如燃油箱、工具箱、电瓶、转向机、备胎、储气筒等的位置，应尽量使这些部件的质量对称于汽车纵向中心平面。此外，也应考虑发动机的倾斜位置对制动跑偏的影响。

制动侧滑：是指汽车制动时，某一轴的车轮或两轴车轮同时发生横向滑动的现象。据一些国家的统计资料表明，发生人身伤害的交通事故中，潮湿路面上约有1/3与侧滑有关；在冰雪路面上有70%～80%与侧滑有关，根据对侧滑事故的分析，发现有50%是由制动引起的。

影响制动侧滑的因素有：路面附着系数；车轮抱死及抱死顺序；制动初速度；荷载及荷载转移；侧向力源。

汽车在附着系数小的路面上制动时，很容易发生侧滑，侧滑是由于轮胎的侧后附着力不能控制车辆的侧向运动造成的。由于车轮抱死后在路面上拖滑时，承受侧向力的能力下降，在某些侧向外力的作用下，便会发生制动侧滑。

经过许多试验，目前已经认识到在较高车速下或滑溜路面上制动时，若后轴车轮比前轴先抱死，就可能发生危险的后轴侧滑，即使制动器技术状况完好的汽车也难以避免。在一般道路上车速不高时，制动侧滑并不明显。制动侧滑问题只有通过改进汽车制动系统的结构设计才能彻底解决。

③制动效能的恒定性

制功效能是指汽车在制动过程中，制动器的抗热衰退能力和水湿恢复能力。

制动效能的热衰退：由于汽车高速制动，连续下坡以及短时间内的反复制动，引起制动器温度升高，制动器摩擦力矩显著下降，这种现象称为制动器的热衰退现象。制动效能的恒定性主要指制动器的抗热衰性能。

制动器的热衰退与制动器摩擦副材料和制动器结构形式有关。为了减少热衰退现象，可采取以下措施：增大摩擦片面积，加大制动鼓或制动盘的热容量；提高制动器热冷却能力；利用其他机构吸收一部分能量；尽量使摩擦片温度特性曲线保持平稳；高速车辆应选用自行加力作用较小的盘式制动器。

制动效能的水衰退：制动的水衰退是由于制动器摩擦片表面浸水后水的润滑作用，降低制动器摩擦片的摩擦系数，而使制动器效能暂时下降的现象。

浸水衰退后制动性能的恢复试验可在干燥平坦的路面上进行。首先在车辆满载和连接发动机的条件下，以最大车速的30%为制动初速度，以0.3m/s2的减速度重新进行3次制动，记录踏板力或管路压力，作为基准，然后浸水2min，进行恢复试验。在标准踏板力或管路压力的条件下，制动15次，制动周期为60s，要求第15次踏板力与基准踏板力之差不大于10%。

2.汽车操纵的稳定性

汽车操纵稳定性包括“操纵性”和“稳定性”两方面内容。操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员指令的能力；稳定性是指汽车受到外力扰动后恢复原来运动状态的能力。汽车的操纵性和稳定性两者密切相关，相互影响，它是汽车基本运动性能之一。操纵稳定性不好的汽车一般有“发飘”、“反应迟钝”、“丧失路感”、“失去控制”等现象。操纵稳定性不好的汽车使驾驶员难于控制，严重时还可能发生翻倾或侧滑而造成交通事故。因此，应深入了解影响操纵稳定性的因素，提高汽车的操纵稳定性，确保行车安全。

（1）汽车的稳定性

①纵向稳定性

汽车的纵向稳定性是指上（或下）坡时，汽车抵抗绕后（或前）轴翻车的能力。

随着运动状态的改变，当汽车前轮的法向反作用力变为零时，前轮的偏转不能确定汽车的起动方向而造成操纵失灵；当后轮的法向反作用力为零时，对于后轴驱动的汽车，将失去行驶能力。上述两种情况都会使汽车的稳定性受到破坏。

图10-4　汽车匀速上坡受力图

汽车上下坡时的翻车条件：汽车匀速上坡时（其受力情况见图10-4），当前轮的法向反作用力Z1 =0时，汽车将失去稳定性，而绕后轴翻转。显然此时：

故有

式中：αmax——翻转的临界坡度角。

从上式可以看出：当道路的坡度角α大于αmax时，汽车就要在上坡时绕后轴翻车；汽车的重心越低（hg越小），重心到后轴的距离b越大，汽车的纵向稳定性就越好，汽车就可以爬上更陡的坡。

当汽车下坡时，汽车后轮的法向反作用力Z2 =0时，汽车将失去稳定性，而绕前轴翻车。同理可得

从此式可以看出：当道路的坡度角α大于αmax时，汽车就要在下坡时绕前轴翻车；汽车的重心越低（hg越小），重心到前轴的距离a越大，汽车在下坡时的纵向稳定性就越好。当汽车下坡使用紧急制动时，由于重量转移，使重心前移，a变小，所以容易翻车（尤其是汽车装载高重心的物体时）。

汽车纵向稳定条件：对于后轮驱动的汽车，驱动轮产生滑移的临界条件是平行于路面的分力等于附着力，即

式中：αφmax——驱动轮滑转的临界坡度角。

故有

为保证行驶安全，应使驱动滑转发生在汽车纵向翻车之前，即应使翻车转角大于滑转角：即

上式中为后驱动和全驱动汽车的纵向稳定系数。前轮驱动的汽车，由于L＞0，所以这种类型的汽车有较好的行驶稳定性。(www.xing528.com)

图10-5　汽车在横向坡道上匀速直线行驶受力图

从以上分析可知：一般汽车的值应大于路面的附着系数φ，从而使滑转发生在翻车之前。一般汽车均能满足此要求，故纵向稳定性较好；越野汽车由于轴距短，重心高，胎面与路面的附着系数较高，因此这种汽车的纵向稳定性较差。

②横向稳定性

汽车的横向稳定性是指汽车抵抗侧翻和侧滑的能力。

汽车在横向坡道上直线行驶：汽车在横向坡道上直线行驶时，其受力情况见图10-5。当坡度角β增大到重力通过右侧车轮中心，而左侧车轮的法向反作用力等于零时，则车辆发生侧翻。显然此时：

β为汽车不发生侧翻的极限角，所以为了防止侧翻，汽车的重心应低，轮距应宽。

设在横向坡度角为β′时，可能发生侧滑，此时：

式中：φ侧——轮胎同地面的侧向附着系数。

为保证安全，一般认为，与其发生侧翻，不如发生侧滑，即希望

即

汽车在水平路面上曲线行驶：汽车的侧翻和侧滑也可能发生在水平路面上的曲线行驶中。

侧翻条件：当汽车在水平路面上作曲线行驶时，作用在汽车上的力如图10-6。

图10-6　汽车在水平路面上
作曲线运动受力图

设曲率半径为R，则作用在汽车重心上的离心力Fc为

离心力对外侧车轮接地中心的力矩为汽车的侧翻力矩，而重力对外侧车轮接地中心的力矩为汽车的稳定力矩。

侧翻时，离心力矩大于重力矩，即

由此可得汽车在水平路面上曲线行驶时不发生侧翻的最高车速为：

从上式可以看出：汽车行驶时，降低车速，加大转弯半径是防止侧向翻车的主要措施；装载时应注意降低重心高度，并捆绑牢固。值得提出的是某些客车及以货代客或装运牲口的汽车，其重心较高，在离心力较大的情况下，乘客或牲口会不自觉地向外倾斜，而容易造成重心偏移，发生侧翻。

侧滑条件：汽车在水平路面上作曲线运动时，发生侧滑的临界条件是

即

故不发生侧滑的临界车速为

为了使侧滑发生在侧翻之前，则要求

即为汽车的横向稳定系数，它取决于轮距B和重心高度hg。B越大，hg越小，汽车稳定性越好。为了利用重力平衡于路面的侧向分力来抗衡汽车曲线运动时的离心力，在公路弯道处常筑成一定的横向坡度，从而提高汽车在曲线运动时的稳定性和平衡车速。

（2）影响汽车操纵稳定性的主要因素

影响汽车操纵稳定性的因素很多，除汽车本身结构参数，如汽车的轴距、轮距、重心位置、质量分配、轮胎的特性以及悬架导向装置等设计与结构因素的影响外，还有地面不平、纵向和横向的坡度、左右车轮附着差异、横向风、弯道离心力以及驾驶员操纵技能等使用因素的影响。如果驾驶员反应快、技术熟练、动作敏捷、体力好就能及时准确地采取措施，从而使汽车的运动状态趋于稳定；反之，如果驾驶员的反应迟钝、判断错误，就可能导致稳定性的破坏、操纵性的丧失。

影响汽车操纵稳定性的因素，归纳起来主要有以下几个方面：

①轮胎侧偏

汽车轮胎的前进方向并非永远沿着车轮本身的旋转平面，而可能与旋转平面成一侧偏角。轮胎侧偏会改变汽车的既定行驶路线，产生一个不由驾驶员控制的附加转向输入，从而影响汽车的操纵稳定性。

②转向悬架系统的弹性

在汽车转弯时路面横向反力的作用下，由于悬架系统的弹性，使车轮会发生附加变形。这种变形往往构成相应车轮附加转向角，影响有效转向输入。

③侧倾转向效应

汽车转弯时车身产生侧倾，由于悬架系统与转向系统的导向运动特性关系，车身的侧倾可能造成车轮或整个车轴在水平面内转动，成为可能改变有效转向输入的附加输入。

④车轮侧倾效应

对于独立悬架汽车车身侧倾会引起车轮的侧倾，而车轮侧倾会造成轮胎侧偏角的变化。

⑤空气动力影响

这种影响是通过高速行驶状态下空气对汽车的三个方向的力和三个方向的力矩表现出来，一方面它直接影响前后车轮的横向力，从而影响相应的侧偏角；另外，空气对汽车的升力影响前后车轮的垂直负荷，通过改变轮胎侧偏刚度而间接影响侧偏角。

汽车操纵稳定性有多种表现形式及相应的试验评价方法。不同的影响因素对操纵稳定性能具体项目的影响也不同，往往是相互作用，有时同一影响因素的变化对不同操纵稳定性的作用效果可能相反。在实际工作中，应针对出现的问题进行具体分析。

（3）提高操纵稳定性的主要因素

①动力转向

随着车速的提高、长途运输车载重量的增加以及驾驶员操纵舒适程度要求的提高，对转向轻便性的要求也越来越高。由于操纵转向盘既要做到动作灵活、轻便，还要有适当的路感，特别是低速转弯或紧急避让时能按驾驶员的意愿正确运行。其解决措施一是靠转向器结构、形式来改善原有性能；二是借助动力转向机构。

②自适应感应器

汽车正常行驶中，当侧向风或路面不平产生的外力使车辆偏离行驶路线时，检测仪器自动检测偏移量，使执行机构动作，带动转向联动机构自动进行方向修正，以保持汽车原行驶路线。

③警报信号与控制系统

为了使车辆正常行驶，设计了许多警报控制系统，以提醒驾驶员注意操纵车辆或利用自动调节装置限制或修正车辆的运行状态。如在车辆的信号装置中设置车辆超速警告灯或设警示区域来提醒驾驶员；在某种发动机上设置一个速度控制开关，当车速超过限制时，停止供油；一些科研机构研制出车间距控制系统，使用微波雷达测量车距，对危险状态发出警告。

④四轮转向系统

四轮转向系统是由前后轮两套转向器组成，二者由中间轴连接，由前轮转向角与车速或前轮转向力与车速作为后轮转向的控制信号。

⑤制动转向控制系统

减少事故率及其损失的方法中，制动加转向回避的效果要比单纯制动回避、单纯打转向回避好得多。为此研制出汽车旋转稳定装置（VSC），其原理就是在转弯的过程中，如车轮出现侧滑趋势，自动调整各轮的制动力，同时控制发动机输出功率，从而控制车辆旋转的可能性。

⑥驱动力自动调节系统

为了提高和改善车辆的转向性能，以及车辆在复杂路面上直线行驶的稳定性，美国、欧洲和日本等同家先后开发了不同形式的驱动力自动调节系统。其原理就是改变了普通车辆在任何运行情况下左右两侧驱动力都一样的情况，根据具体情况使内侧车轮驱动力向外侧车轮转移，从而产生转向力矩，同时使内外轮转速不一致。

10.1.2　汽车的安全防护措施

1.预防事故发生的绝对措施

（1）前照灯

前照灯安装在汽车的头部，所以又称头灯或前大灯。前照灯的作用是照亮汽车前方的道路，为安全快速行驶创造良好的照明条件。汽车前照灯灯泡的发光强度最大只有50～60cd，只能照亮汽车前6m左右的地方。但经过反射镜的作用以后，就把灯泡的光线集合成平行光而射向远方，使发光强度增加几百倍，达到12 000～15 000cd。这样的光度下，能将汽车前100～150m之内的道路照得足够清楚。为防止夜间会车时前照灯中的远光灯眩目，还必须设有近光灯，近光灯可照清车前40m的道路，远、近光灯有一个转换开关。《道路交通管理条例》中规定，夜间会车在没有路灯或照明不良的道路上，须距对面来车150m以外互闭远光灯，改用近光灯。

前照灯的作用除了照明以外，还有向其他车辆或行人等显示本车存在的作用。由于在很远以外即能发现前照灯灯光，其他车辆或行人便可以提前做好避让的准备。如果前照灯出现故障，例如左侧前照灯不亮，会被对面来车误以为是摩托车，在会车时，可能因未留下足够的间隙而发生正面相撞事故。

（2）尾灯与制动灯

为防止追尾撞车事故，驾驶员必须及时把握前车行驶状态的变化，同时又要注意提醒后续车辆注意本车的存在和行驶状态。这些信息主要靠汽车的尾灯和制动灯来传递。从保证交通安全的角度来看，尾灯和制动灯要色彩鲜明，易于识别。也就是说，既能使后续车很快发现，又不至将尾灯与制动灯混淆。在正常情况下，后续车对前车制动灯点亮做出反应的时间约为1s左右，但把制动灯误认为是尾灯然后再纠正过来，反应的时间将大大增加，因而容易发生追尾撞车事故。

（3）挡风玻璃及后视镜

驾驶员靠挡风玻璃获得前方视野，对挡风玻璃的要求是上部应具备防眩目装置，下部要有足够的前方视野，同时应遮断多余的不必要的视觉情报，以减轻驾驶员的精神负担。

驾驶员靠后视镜获得车体两侧和后方视野。根据我国《机动车运行安全技术条件》的规定，大客车和大型平头货车，在左、右、前各装一面后视镜，其他汽车左右各装一面后视镜。

（4）报警装置

车内各种警报装置用来向驾驶员报知本车的不安全信息，这对于保证安全行车是有积极意义的。国外生产的汽车大都装有各种音响的或者灯光的报警装置，如气压报警或制动液面报警、超速报警、车门未关严报警等。我国《机动车运行安全技术条件》中规定，1988年底以后生产的车辆，必须设置危险报警闪光灯。

（5）仪表

汽车上的仪表用来向驾驶员表示汽车的行驶状态和主要构件的工作状态，其中与交通安全有直接关系的有车速表和制动气压表。

在行驶过程中，外界情况复杂多变，驾驶员不可能在仪表读数上花太多的时间，这就要求仪表的设计与安装要便于读数，使驾驶员很方便地就能获取仪表的显示信息。

影响仪表读数效率的因素主要有仪表的布置、仪表的尺寸和数量、表盘形状、刻度间隔、指针形状、颜色、照明、表面玻璃的反光等。数字显示仪表的读数效率最高，仪表盘上刻度线的间隔大小对读数效率的影响也很大。一般来说，读数效率随刻度线间隔的增大而增大，在达到某一数值后，读数效率不再增加，甚至反而有所下降，当视角为2.5°～5°时认读率最高。

2.减轻事故损失的结构措施

（1）减轻行人伤害的结构措施

在交通伤害事故中，汽车碰撞行人而使行人受到严重伤害的事故占有很大比例。汽车与行人相撞是个复杂的问题，相撞时行人的姿势、汽车与行人接触的部位等对伤害情况有很大影响。

①汽车与行人发生碰撞的机理

根据使用模拟人和汽车相撞实验的结果来看，一般成人与汽车相撞后的情况如下：直立的成人行人，首先被前保险杠、接着被车身正面横向撞在下半身上，所以身体会倒向发动机罩；若碰撞速度很高，则会被继续抛向发动机罩，把头和上半身重重地摔在发动机罩上；之后，大多数情况下轿车会紧急制动，由此，行人的身体被抛向前方。但是，身高在1.2m左右的儿童不会被抬起抛向发动机罩，而是被直接撞飞到前方；身高1m以下的幼儿则会被撞倒，被汽车碾过的可能性较大。

汽车与行人相撞的过程中，行人将受到三次严重的碰撞。一次碰撞是汽车的保险杠撞击行人的腿部，发动机罩撞击行人的腰部。对于成年人，由于人体受到的冲击力作用在人体的重心以下，所以碰撞后人体围绕重心发生回转运动而被抛上发动机罩，并在其上滑动，头部将碰撞前挡风玻璃。在这个过程中，行人受到二次碰撞。最后，行人从发动机罩上落下，与路面三次碰撞或受到车轮的碾压。

②减轻行人受伤程度的措施

为了减轻受害行人的受伤程度，在设计车身时，分别从以上三次碰撞方面采取相应的措施。

减轻一次碰撞伤害。为实现这一目的，多采用能量吸收式保险杠，它由保险杠外板、能量吸收体和骨架构成。低速碰撞时，它能够对行人起到保护作用，并能避免汽车重要部分的毁坏，从而减少维护费用。

减轻二次碰撞伤害。根据日本比绍公司的调查，用考虑伤害程度和频率的伤害重要度指标进行比较时，二次碰撞造成的头部伤害最大，见下表10-7，与风窗玻璃框架碰撞造成的后果最严重。因此，可在前挡风玻璃周围及发动机上部布置弹性材料来缓解对行人的伤害。

表10-7　伤害的重要程度

减轻三次碰撞造成的伤害。对第三次碰撞防护，一般在车前部设置防止行人摔到路面上的救护网等接收装置。除此以外，为防止自行车和行人被卷到汽车后轮下，我国《机动车运行安全技术条件》中规定全挂列车的牵引车和挂车之间应加设安全防护装置，在大型载重汽车前后轮之间要安装防护栅，以及在汽车拖带挂车时，在汽车与挂车之间也应该加装安全防护装置。

此外，在行人保护措施中，防止车外的突出物对行人造成伤害也是很重要的。在车身设计时尽量将门把手等装置设计成内凹式，采用具有缓冲机构的后视镜等措施，以利于减轻对行人的伤害。

（2）减轻乘员伤害的结构措施

汽车是一个具有复杂结构的高速运动的物体，由于道路交通状况等诸多因素的影响，汽车发生碰撞时，其碰撞形式各有不同，主要有三种形式：正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞，另外还有车碰行人与翻车等。发生车对车、车对固定物的碰撞，或翻车等事故时，车内乘员会受到很大伤害。

当汽车和固定物发生碰撞时，碰撞部位的车身会发生变形，汽车产生非常大的减速度，此时，车内乘员在惯性力的作用下，仍以原来的速度向前运动，最后撞在车内的结构物（如方向盘、仪表盘、挡风玻璃等）上。汽车撞在固定物上可以称为一次碰撞，乘员撞在车内结构物上称为二次碰撞。车内乘员的受伤害程度取决于二次碰撞的严重程度，二次碰撞的减速度越大，对车内乘员的伤害就越大。此外，在发生事故时，如果驾驶室变形较大，可能危及车内乘员的生存空间，而使乘员受到伤害。

因此，对于车内乘员的保护可以从两方面进行考虑，一是要有合理的车身结构，以保证车体在事故中产生变形后仍能够确保车内乘员的生存空间；二是要有性能良好的乘员约束装置，以减轻二次碰撞。

①保护乘员生存空间的结构措施

提高驾驶室的抗变形强度：驾驶室坚固可靠是保证乘员生存空间的最直接、最有效的方法，特别是在发生侧面碰撞和翻车事故时，坚固的驾驶室是保证乘员安全的主要手段。为减少驾驶室在事故中的变形，保护车内成员有足够的生存空间，可提高窗框、门框、驾驶室前后壁顶棚、车门等处的变形强度。车身结构设计的基本思想是利用车身的前、后部有效地吸收碰撞能量，车室要坚固可靠，确保乘员的有效生存空间。

加强车身前部与后部吸收冲击的能力：汽车前部构件的碰撞能量主要依靠物件的弯曲变形和压溃变形来吸收。汽车前部如发动机、变速箱、差速器等质量较大，是不产生变形的部件，在发生碰撞时，并不吸收能量，从而车身的压溃变形量小，为防止这些部件侵入驾驶室，必须采取相应的措施使其向下转移。对于小客车，为了减少在碰撞时驾驶室受到的冲击，可加强车身前后吸收冲击的能力。

良好的能量吸收特性包括两方面的含义：一方面，汽车的前部构件要尽可能多地吸收撞击能量，使作用到乘员身上的力和加速度降低到规定范围以内；另一方面，控制受压各部件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等构件侵入驾驶室。计算表明，当汽车以80km/h的速度发生正面碰撞时，汽车前部如果能吸收全部碰撞能量的70%，就可以保证车内乘员的安全。为了吸收冲击能量，对于承载式车身，可在车身前部加装吸收能量的杆件，对于非承载式车身，主要靠前部车架的特殊结构来吸收撞击能量。

车身后部被撞击的情况和前部被撞击的情况类似，只是车内乘员受到的冲击比较小。此外，由于车身后部无发动机、变速器等构件，碰撞时的冲击能量几乎全被车身后部的变形来吸收。车身后部的吸收冲击能量的结构方案与车前的基本相同。对于非承载式车身，可用车架后部的特殊结构来吸收能量；对于承载式车身来说，车身可以安装专门的吸能杆件。

侧面碰撞时车身变形空间小，所以侧面碰撞受伤的危险性比正面碰撞的危险性高得多。为了加强乘员保护，车门、门槛和立柱都要设计成刚性结构。通过将侧碰力有效地转移到具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其他部件，使冲击力被这些部件分散、吸收，从而极大限度地把可能造成的损害降低到最小程度。

防止车内因碰撞而发生火灾的措施：在汽车发生碰撞以后，如果发生火灾，会造成极大的损失，同时对车内乘员的生命造成巨大的威胁。在实际事故中，因车内发生火灾而引起乘员的伤亡屡见不鲜。因此，如何防止汽车因碰撞而发生火灾也是汽车结构设计中应该考虑的重要问题。

汽车事故引起的火灾一般都是因燃料箱或油管被撞破，燃料流出后遇到火花而起火的。因此，防止火灾的主要措施首先是消除火源，保护好燃料和油管使其不受到撞击；其次是防止火灾蔓延和保证人员迅速撤出；第三是要注意采用隔燃材料。具体措施如下：

●防止燃料泄露

燃油泄露是火灾发生的第一个环节，因此防止事故火灾最重要的就是防止燃料泄露，包括：

合理布置燃料箱位置。对于小客车来说，燃料箱最安全的位置是汽车后轴上方，因为可以受到左右两车轮的保护。对于载重汽车来说，因为在会车时会经常发生刮擦事故，并且我国汽车是靠右行驶的，为了减少汽车左侧刮擦而造成引起火灾的可能性，所以建议汽车燃料箱放在右侧。

设计加油口时应该注意撞车时的燃油泄露问题。

燃油管的布置也很重要，撞车时应该尽量使其不受损伤。

采取具有阻燃性能的超高分子量的聚乙烯塑料制作油箱，防止因撞车而发生的燃油箱爆炸。

●使用性能良好的挡风玻璃

完好的挡风玻璃可以减缓火焰侵入驾驶室的速度，为营救工作争取宝贵的时间。

合理设计发动机罩的结构，在发生碰撞事故的时候，减少发动机罩的变形，使其在中部发生弯折，而控制根部的变形，这样也可以减少挡风玻璃的破碎面积。

●采用阻燃的内饰材料

发生火灾后，为了减缓火势的蔓延而使乘员有撤出的时间，车厢内部材料最好使用非易燃物。

此外，对于大型客车，要设置安全门。《机动车运行安全技术条件》中规定，车长大于8m或乘员大于40人的客车，如果本身只有右侧一个供乘客上下的车门，应该设置有安全门或者安全出口。需用安全门时，不用其他器具即可将其向外推开。安全门（安全出口）上应有明显的红色标志，并有开启装置。同时，应备有便于取出的击碎出口玻璃的专用工具。这项规定1989年底以后生产的汽车必须执行。同时，汽车应该装备灭火器。

②减轻乘员二次碰撞的结构措施

●安全带

汽车座椅安全带是重要的保护约束设施之一，在减轻乘员碰撞事故中的伤害程度方面有着十分重要的作用。安全带具有安全可靠、价格低廉、安装简便等优点，而被国内外汽车厂商广为使用。我国汽车安全带的生产和使用比较晚，1989年国内部分厂商才开始试用安全带，但是发展得十分迅速，从1993年强制使用安全带条例开始实施以来，仅几年时间，我国就完成了从开发到汽车的普遍使用。

安全带是将乘员身体约束在座椅上的安全装置，用以避免车辆发生碰撞事故时，乘员身体冲出座椅而发生二次碰撞。事实证明，在碰撞事故中，安全带对于正面碰撞、追尾碰撞及翻车事故中的乘员保护效果较好，尤其可减少对乘员头部和胸部的伤害，具体参见表10-8。据国外的一项调查报告表明：未使用安全带时，在20km/h的车速下发生的正面撞车事故即可引起驾驶员的死亡，而使用三点式安全带时，在95km/h的车速下发生的交通事故，驾驶员死亡率也极低。

表10-8　小轿车各种碰撞类型中安全带的保护率

安全带可以分为两点式、三点式和全背带式安全带，其中，两点式只约束乘员的腰部，三点式同时约束腰部和身体上部，全背带式安全带虽然安全性能是最好的，但是由于其实用性还不够完善，目前多用于赛车。

安全带的种类较多，其主要组成部分一般由织带、带扣、卷收器和调节件组成。

织带：织带是构成安全带的主体，是由一种化学纤维编制而成的带子，有足够的机械强度及适当的延伸率。织带直接与乘员身体接触，带宽一般为48mm左右，厚度约1.1～1.2mm。

带扣：用以结合或脱开安全带，要求结合牢固，使用方便、省力。

卷收器：卷收器的作用是在平时将安全带卷起收容起来，在使用时，调节安全带的长度，在发生碰撞事故时，承受拉力，约束住乘员的身体。根据作用方式的不同，卷收器可以分为无锁止式、自动锁止式和紧急锁止式。无锁止式卷收器的作用方式是在织带全部拉出来时保持束紧力的卷收器。自动锁止式卷收器的作用方式为自由地将安全带拉出，但是一旦拉出带子的动作停止，带子便立即锁住，不能继续拉出。紧急锁止式卷收器的作用方式为安全带可自由地拉出或缩回，但当拉出带子的速度超过某一数值时，便立即锁住，不能继续拉出。由于紧急锁住式安全带使用方便，在平时行车过程中，乘员的身体有自由活动的余地，目前被广泛使用。

调节件：用于调节织带使用长度的部件。

●安全气囊

安全气囊是现代车辆安全技术中高技术产品之一。其作用是防止乘员在事故中与方向盘、仪表盘等车内结构物接触，从而避免二次碰撞而受伤。安全气囊对乘员的保护效果总体来说是不如安全带的，但是它与安全带配合使用将大大降低事故中乘员的受伤害指数，尤其可以大大减轻驾驶员面部受到的伤害。据资料统计，安全气囊可使事故死亡率降低18%左右，与安全带配合使用将使事故死亡率下降47%左右。近几年，安全气囊在美国、日本和欧洲发展迅速，目前在我国也得到了应用。

安全气囊的工作原理为：安全气囊平时折叠收容于方向盘中央及仪表盘下部。当车辆因发生事故而剧烈碰撞时，传感器触发气体发生器，后者产生大量的气体充入气囊，使气囊迅速膨胀，挡在乘员与车内结构物之间，以缓和冲击并吸收碰撞能量，从而达到减轻事故伤害程度的目的。

目前，驾驶员和副驾驶员的正碰撞气囊已经得到广泛采用。侧面碰撞气囊也越来越多地被采用。可以预见，装备对全车乘员进行各种碰撞保护的气囊系统，将是乘员保护系统的发展趋势。

●安全转向柱

汽车发生正碰时，碰撞能量使汽车前部发生塑性变形，位于汽车前部的转向柱在碰撞力的作用下向驾驶员方向移动。这种运动的能量应该通过转向柱以机械的方式予以吸收，以防止或者减少其直接作用于驾驶员身上，造成人体伤害。另一方面，汽车发生正碰时，驾驶员受惯性的影响有冲向转向盘的运动。驾驶员的运动能量一部分由约束装置如安全带、气囊等加以吸收，另一部分传递给转向盘和转向柱系统，这部分能量也要通过转向盘及转向柱系统予以吸收。所以，除满足转向器的常规功能外，还能有效吸收碰撞能量，这就是安全转向柱的要求，近年来，能量吸收式转向柱得到了广泛的应用。

能量吸收式转向柱的主要功能是吸收二次碰撞能量和驾驶员的部分惯性能量。能量吸收式转向柱除有足够的强度和刚度保证正常的转向力传递外，还应在发生正面碰撞时可以被压缩，且在转向器系统中有能量吸收元件以吸收碰撞能量。

实践证明，在发生碰撞的交通事故中，能量吸收式转向柱在减少人员伤亡方面的作用是明显的。

●座椅头枕

头枕是一种用来限制乘员头部相对于躯干向后移动的弹性装置。其作用是在发生碰撞事故（尤其是在尾撞事故）时，可抑制乘员头部后仰，以防止或减轻对颈部的损伤。

座椅头枕可分为固定式和可拆式两种。根据头枕所起的作用，在设计制造时应该考虑以下问题：头枕本体对来自前方及上方的冲击，应具有防止弹回的能力；连接部件等须牢固；各调节部件应易于调整，能将头枕本体固定于任何位置。

●座椅

座椅是影响汽车安全性的重要部件，座椅本身的强度及在车身上的安装强度要足够，以防发生撞车事故时座椅损坏，对乘员造成伤害。座椅的设计和制造应该满足以下要求：结构设计合理、乘员有良好的坐姿和体压分布、乘坐舒适、有足够的强度和刚度。如作为固定安全带的基座，应能承受人的各种动作的作用力（包括车辆碰撞时人的冲击力）；有良好的振动特性，适合人体的振动特点；座椅在整车上布置应使转向盘和其他操作机构与驾驶员的距离、视野、头像间隙、腿部间隙等适应不同身材的乘员，其布置应使发生碰撞时保证安全；结构与制造简单，有良好的经济特性。

●仪表盘

仪表板表面应以弹性材料覆盖，以使其受到冲撞时能产生一定的变形，吸收冲击能量，减轻对人体的伤害。

●减少车内突起物

车内的结构物，如门把手等的表面应避免有棱角，并以弹性材料覆盖。