TOYOTA汽车安全研讨会专家谈汽车安全

　　清华大学周青教授演讲稿

　　周青教授简介：清华大学汽车工程系 教授、博士生导师，主要研究领域有：汽车耐撞性、结构及材料失效、车身制造、车身轻量化、乘员和行人碰撞保护、生物力学等。

　　清华大学周青教授演讲稿

　　各位来宾，媒体界的各位朋友，

　　各位专家，

　　早上好！

　　我是清华大学的周青，我所属的汽车安全与节能国家重点试验室，是挂靠在清华大学的重点试验室，大家知道在60多个汽车试验室里面，只有两个与汽车有关系，只有一个与汽车安全、节能有关系。我本人在清华大学工作了大概2年多一点点的时间，在2003年以前我是在美国汽车工业界工作了10年，第一个5年在通用汽车研发中心的底特律工作，第二个5年在美国安全部负责汽车安全碰撞的研发工作，这10年基本上都是在汽车安全碰撞、行人通道保护和汽车车身从事科研和教学。

　　很高兴今天有这个机会在丰田汽车公司举行的汽车安全论坛上，能跟各位来共享我在汽车碰撞安全方面的一些想法。我的感觉从我回到中国工作，也是看到中国的汽车工业在今后很多年会持续的高速发展，但是回来工作两年以后，同时也感觉到我们的工业虽然高速发展，我们的汽车保有量虽然在不断增加，但是我们市场成熟度远远不及汽车发达国家。在市场成熟度一个非常重要的问题就是我们消费者的成熟度，所以我希望也能够借今天的机会，借助媒体朋友们，能够进一步提高我们的消费者的成熟度。主要想从这样几个方面来谈一谈跟汽车碰撞安全有关系的内容。

　　首先很快给大家介绍一下中国的道路交通事故的伤亡基本情况。我们国家人口是第一位的，但是很遗憾，我们国家的道路交通死亡的人数也是全世界最高的，连续数年居世界第一位。从上个世纪80年代末到现在，我们已经连续11年居世界第一，这是一个很不好的数字，而且交通事故伤亡数字呈逐年增长的数字，这和我们国家的汽车保有量是非常不相称的，我们目前汽车保有量只占世界1.9％，占美国市场的1/9，日本市场的1/6，但是全球15％的交通事故发生在中国。交通事故死亡人数每年超过10万人，相当于每天一架乘员300人的客机坠毁，客机坠毁大概是每两年发生一次，媒体的报道非常大，而汽车道路伤亡相当于每天一架客机坠毁，显然汽车的伤亡比客机坠毁关注程度小得多。这是2004年发表的中国道路交通事故的统计数字，我们从81年一直到2004年来看，这个数是死亡人数，可喜的是我们到了最近这四、五年死亡人数终于不呈明显增长趋势，大概在10几万左右，我们这一条线是事故的次数，事故的次数在快速增长以后，居然最近两、三年呈快速下降，虽然事故的次数速度快速下降，但是人数却没有快速下降。这个原因是因为我们在碰撞事故中的群死群伤人数占的人数比较多，这不是今天的主题，因为我们今天讨论小车，小车没有群死群伤，一般都是大车。

　　这是在我们清华大学碰撞试验室几年前做的一个汽车正面碰撞的演示，是奔驰车，速度不是很高，每小时30公里，这里面有两个碰撞假人。下面看的例子是合作者在德国亚森大学（音）做的汽车碰撞，我给大家解释一下正面40％偏置刚性墙的碰撞，正面大概是车的40％障碍物覆盖，碰撞速度是50公里，这个碰撞是很刚性的，我们看一下同一个正面测试结果，大家注意乘员舱的空间，这是我在教学中典型用的前部设计非常不好的例子。这是一款欧洲的车，是捷克牌子。给大家看一个合格的试验，ECE—R94是欧洲标准试验，这是POLO( 报价; 图片)正面40％，偏置40％和障碍物碰撞，不同的是障碍物是可变形的，碰撞速度略高一些，每小时56公里，同一个试验看看侧面的结果，大家注意到安全气囊，现在看到的冒烟是安全气囊爆炸出来的气体，因为是偏置碰撞，所以在碰撞后半部汽车发生巨大的偏颇，但是没有关系，因为距离已经过去了。给大家看这几个碰撞试验是想来介绍一下我们碰撞的过程。我就以正面碰撞为一个例子，今天我们不来说侧面碰撞和后碰撞，其实是非常简单的，比如说正面的碰撞，车头首先撞了某一个障碍物，是一棵树或者是一辆车或者是一个行人，逐渐进入变形并停止运动。大家看录像，这里面我想强调的是整个车的各个部分结构，从前到后逐次进入变形并停止运动，所以不是整个车身瞬间停止运动，是逐次进行变形，逐次停止运动，从车前部到整个结构。另外就是整个车的碰撞时间非常短，从开始接触到最后停止，整个过程只有0.1到0.2秒，是非常非常短的，具体多长取决于车体的质量、钢度和其他的因素，但是是非常短的。理解这样一个碰撞过程，我们看一看在这个碰撞过程中的能量转换。

　　能量转换也是相对比较简单，我们在碰撞的时候，碰撞前有很大的功能，汽车有质量，有速度，这个速度可能是不一样，但是这个速度最终汇变成零，就是这一部分功能去了某些地方。

　　去了哪些地方？基本上在0.2秒的过程中，在这些形式里面进行了转化，一个你总是要碰上障碍物，如果你不幸碰到刚性墙，这个刚性墙不变形，如果你撞到另面一个软的车，他可能比你多吸收一些能量，也可能撞上一个行人，总会有路面摩擦，制动摩擦，因为统计表明事故之前驾驶员家会下意识会紧急制动。有一大部分是车体变形，从录像可以看出来，车体变形要吸收很大一部分能量。下一部分是车体的保护部分，它也要变形，吸收碰撞能量。再下一部分是乘员的保护系统，像座椅、座椅安全带、安全气囊等等，它也要变形吸收能量。最后一部分是乘员本身，乘员本身变形越大我们受伤会越严重，当然不是所有变形都会受伤。在上面这些因素中有哪些是我们可以设计和控制的，有很多我们不能控制，你撞到什么地方我们不能控制，路面摩擦也很难设计和控制，制动摩擦我们虽然可以设计，但是通常来讲是为了汽车其他的方面，比如说动力稳定性来设计的，而不是为碰撞安全，为碰撞安全是车体保护系统和车体变形，当然我们不能设计和控制乘员本身的变化。在这里面有哪些过程我们希望尽可能多吸收能量，实际上只有车体变形和乘员保护系统基本上吸收大部分的能量，而且我们也是希望吸收更多的能量。这句话换一个角度来说，我们希望哪一个过程尽可能少的吸收能量，答案是显而易见的，就是人体。我们不希望我们的乘员吸收更多的能量。从这个角度我们可以研发出来在汽车设计中，乘员碰撞受伤的保护设计理念。

　　我们先看看乘员碰撞受伤的主要原因，基本上是两个原因，一个是过大的减速，乘员也是有速度的，每小时30公里，我们希望减速度，我们不希望减速度太大，如果减速太大会使你受伤，使你的头直接撞到挡风玻璃上；第二个原因就是乘员舱空间被挤压太多，我们希望碰撞之后或者是碰撞的时候，有很多的空间，如果挤压太多没有生存空间，这是两个基本上比较重要的原因，所以重复刚才说过我们保护理念就是说希望乘员本身能够吸收更少的能量，最少的能量，希望车体变形和乘员保护系统尽可能多的吸收能量，希望乘员挤压空间最好是零，乘员减速度过程必须是在人体受伤能够容忍的程度之内。怎么来设计这件事？就是通过车体变形和乘员保护系统使得能够承受在容忍的程度之内。

　　我们看车体结构的碰撞安全设计，这个汽车的结构大概可以分成两个区，前后两个叫做可变形区，在前碰撞或者是后碰撞下，塑料件、保险杠等等产生永久的变形，可以减少碰撞容量。在中间乘员舱我们希望钢度越大越好，钢性越强越好，确保在碰撞的时候有足够的生存空间，这是第一个要求。第二个要求希望碰撞事故发生以后车门还是可以打开，其实就是两件事，希望在碰撞过程中车门不要打开，因为车门打开有可能弹射出去，希望在事故发生以后车门能够打开，实施救援，如果变形太厉害车门就不能打开，就不能援助。大家看一看这个试撞，这是不好的设计，这个试验不敢往里面放碰撞假人，因为碰撞假人都要撞坏。车门在碰撞过程中没有打开，碰撞之后很难被打开，而且乘员舱被挤压非常厉害。再看合格试验，大家观察乘员舱基本上保持完整，当然还有碰撞假人和安全带的保护，主要变形就是被前部变形区吸收了主要的碰撞能量。在这个时间段上，基本上碰撞已经结束了，后面的运动已经无害了，车门可以打开，乘员舱几乎是完整的，所以我们的理念就是做到车毁人不亡。

　　在走更细致一点，我们汽车前部结构基本上就是这样一个框架结构，中间一大块空箱，干不了别的，只能用做发动机，发动机是硬的，很难吸收碰撞能量，所以只有纵梁，吸收碰撞能量。左边的图是计算机仿真试验，碰撞以后这两根主要的纵梁能够折取弯曲，永久变形吸收碰撞能量，如果偏置碰撞前面保险杠会有更大的变形，这个图比较细致，看不清楚。这是保险杠，这是前纵梁，在前纵梁上有几个凹曲，目的是汽车碰撞，希望前纵梁按照设计的模式折叠起来，能够最大限度最有效吸收能量，这是设计能力，我们叫做金属薄壁金属关键碰撞设计，这是计算机的仿真效果，这样能够使用最少的金属结构质量吸收最大的碰撞能量，而且这个碰撞能量基本上碰撞变形可以控制，下面是试验的图，做完试验以后基本上很整齐折叠成这样。

　　乘员保护系统比普通了解的座椅和座椅安全带要保护得更多。包括座椅，座椅安全带、安全气囊，膝部的碰撞垫，一般是在正前面，膝关节碰撞垫，足部碰撞垫是在下部，如果是侧碰，里面有侧面碰撞缓冲垫、扶手等等。

　　乘员保护系统的功能，我们前面看到汽车前部结构希望吸收更多的能量，那个能吸收有60、70％的能量，下一部分剩余能量希望由乘员保护系统吸收，基本上就是车体的大小，大概是50厘米、80厘米，看车的大小在这一段空间里面我们希望乘员保护系统能够给乘员施加一定的作用力，中学物理很清楚，力乘以距离就是所吸收的能量，也就是说你向前惯性运动80厘米没有受到力，最后一定要撞到什么东西，撞到玻璃或者是方向盘上，撞力就要很高，所以就要最大优化距离和力，而距离往往是车身内部结构给定，主要的设计就是力，力的大小设计必须合适，如果是太高，那么安全带或者是安全气囊给乘员的力本身就要引起伤害，如果太低显然不能吸收足够多的量。比如说座椅安全带虽然不断，但是就像橡皮筋，也拉不住你，最后乘员能量还是要吸收，就导致比较高的受伤。乘员保护系统大家比较关注就是安全气囊和安全带，安全气囊现在有很多种，正面保护气囊，侧面保护气囊、侧面保护气垫等等，越来越多。

　　我希望给各位展现一下安全气囊的展开过程，整个汽车碰撞过程只有0.1秒左右，也就是100毫秒左右，该受伤、该死亡，该变形都已经结束了，就是100毫秒里面安全气囊必须发挥作用。那么安全气囊从0开始，只有10至30毫秒的时间展开并到位，剩下20毫秒的时间和乘员发生碰撞，吸收乘员的碰撞力量。如果你是90毫秒才到位，那就只剩10毫秒了，所以如果在这么短时间内到位，化学爆炸是唯一能够在如此短的时间内展开安全气囊的手段，没有别的道路。也就是说得再通俗一点，每一个安全气囊都是定时炸弹。安全气囊的展开速度在初始阶段非常快，大约达到每小时200公里，所以这个力量非常非常大，但是大家可以放心，你只要不是在200公里接触到它，它的衰减速度也是非常大，从200公里衰减到0，只要充分展开的时候就从200公里衰减到0，你可以不从初始阶段涉及到。这就不能不谈到安全气囊的利和弊，如果乘员离安全气囊太近，太近有多种原因，你坐得太近，或者是小孩没有坐下来，而是站在座椅上，或者是没有座椅安全带的约束，在碰撞过程中或者是刹车的过程中，身体往前太多，安全气囊爆破的时候已经离它10米或者是20米，这样就有可能被安全气囊打伤，在中国现在至少没有报道过，但是不等于没有，在国外已经很多很多了。所以乘员必须在适当的位置，我不是说你主动，这是设计的问题，当安全气囊全部展开与之接触才能得到最大的保护，所以从这个角度来说，安全气囊设计是一个非常难的技术课题，不是安全气囊厂商能够做到的，安全气囊厂商只是针对展开速度和大小能够设计，最后要由整车厂设计与车匹配。国内有的厂告诉我说这个车装安全气囊能不能反馈，我说没有这么简单，不是说你装了5个安全气囊你就能通过法规，要看你这个车设计怎么样，所以我的个人观点安全气囊并非越多越好。为什么这么说？等我讲完座椅安全带就能清楚了。

　　我个人认为很多专家也会同意我的观点，座椅安全带是最有效的乘员保护装置，我们从能量角度来看座椅安全带的功能。首先在碰撞过程中，乘员保护的核心问题是如何转移和吸收这么大的碰撞功能，我们不希望能量再增加，而座椅安全带至少不给整个系统增加新的能量，它只是吸收能力，所以说它即使不发生保护功能，它也至少不添乱，而安全气囊就不然，安全气囊首先要给系统注入新的能量，这是爆炸的过程，然后因为设计的非常巧妙、非常好，所以吸收处理自身的爆炸能力，再处理碰撞能力，这样对这个设计的要求就非常高，你等于平白无故给系统增加能量。

　　我们从实践角度来看座椅安全带的效果，比较早的记录是1971年，澳大利亚Victoria州开始强制安全带的使用，仅第一年，死亡率下降21％。

　　我们看一个例子，美国从文化角度和欧洲、澳大利亚很不一样，东部文化和西部文化也不一样，西部比较偏牛仔，比较自由，所以美国安全带强制使用法规和安全带实际使用率比澳大利亚和欧洲要晚，要低。由于这个现象存在，后来统计数据就表明美国的汽车乘员为此付出了很个高的死亡的代价，当然现在美国座椅安全带的佩戴率已经达到90％，欧洲是95％，但是美国上升到90％花比较长的时间，欧洲上升到95％是比较快。看看我们中国，中国已经有了安全带强制使用法规，但是大家可以看到有多少人使用安全带。就是我们放着一个很有效的安全乘员保护功能，我们没有用，所以我们10万死亡数字里面有多少是没有充分利用已有的，现有的非常有效的保护手段而付出的生命的代价。从安全气囊和安全带的组合来看，我个人的观点，最好的组合是安全气囊和座椅安全带联合作用，这是首选。我的第二选是只用安全座椅带，第三选择是我什么都不用，最坏最坏的选择是只有安全气囊，所以说如果大家坐在出租车里面，那个出租车配有双气囊，你坐在气囊附近，不系安全带就直接选择最坏的选择，你不系安全带，除非你坐在没有安全气囊的位置或者是后座，就是其他的选择。座椅安全带是我比较提倡的，那就是有一个预警装置，把安全带抽紧一定的幅度，座椅安全带有一些松，特别是冬天我们穿比较厚的衣服，在拉紧的过程中就会有一部分空间被浪费掉，我们希望这些空间不被浪费掉，就有一些先进的功能，如果我们检测器能够及时检测到碰撞发生，可以有一个预警装置，把安全带抽紧，抽紧一定的幅度，使得我们安全带受力提前大概10秒，使安全带早发生作用，在更大的力上施加力气。第二装置就是限力装置，运动量越大，安全带越紧，力越高，这个力最终要超过人体受伤的极限，达到了你所说的6000牛或者是4000牛，安全带逐渐放出来，放出来是有一定的约束力，这样就是一个限力装置，这两个装置联合使用，我个人认为能够达到非常好的保护效果。

　　在汽车碰撞安全研究领域里面，我们要考虑很多的碰撞，不是简单的侧碰撞、正碰撞，还有后碰撞，不同方向的斜角碰撞，偏置碰撞等等，其实速度有高速碰撞、中速碰撞、低速碰撞。在不同的碰撞里面，设计理念是不一样的，比如说20公里的碰撞，我不希望安全带出来，如果是80公里每小时的碰撞或者是100公里每小时的碰撞，我希望安全气囊出来，低速碰撞只需要有座椅安全带就可以了。另外就是不同对象你是固定障碍物还是撞到车辆还是行人，你是碰到比较刚性物体还是柔性物体，是比较宽的物体还是电线杆子，这些技术问题已经有的被解决，有些正在被解决，但是是比较复杂的。另外更大的挑战就是对不同乘员的保护，乘员个体之间差异非常大，身高、体重、年龄、开车的习惯等等。我大概96年的时候，在美国发表一篇论文，论述25岁年轻人和80岁不同年龄胸部碰撞的承受度，我的研究最后自己都吃惊，有三倍的差距，我如果是25岁的年轻人我可以承受比较严重的碰撞，希望安全气囊比较强，我是80岁的老人希望安全气囊比较弱，目前保护状态还是局限保护标准乘员，标准身高，标准体重，标准的性别，一切都是标准的，标准的碰撞速度，比如说碰撞法规50公里每小时，所有的设计都是针对那个设计，如果你是30公里每小时你就没有用到最大的优化点，下一代的碰撞保护技术我们就需要人性化、个体化，我们希望区别对不同的碰撞保护加以细分，这是比较大的挑战，恐怕不是3、5年能够实现的。汽车的轻量化和安全是相关的，从物理上来看，重的车通常要好一点，但是轻的车是大势所趋，有很多的原因，环境保护的原因，我们能源这么紧缺，所以不仅仅是国外考虑这个问题，我们中国也要考虑这个问题，汽车轻量化对安全实际上是一把双刃剑，有利有弊。对整个的交通群体，所有的机动车、非机动车，行人来讲，整体的能量就小了，对整体更安全一些。从国家的立法来讲，中国的立法基本上是追踪欧美的立法，但是我在美国联邦政府交通部工作过5年，这个立法的观念现在除保护单个车的乘员过渡到保护整个社会的乘员，就是说我从国外立法的角度，我不是说考虑你这个车的乘员减少伤亡率，我是考虑整个社会效率，如果考虑单个车出现什么情况不计成本，你就放心和别人撞，但是你对整个群体的危害是非常大的，所以轻量化是大势所趋，而且轻了以后对主动安全都有好处。当然也有一些坏处，比如说抗风能力，抗侧风能力会差一些。如果你很轻的车和一个重的车相撞，在同等的设计的情况下，显然重的车要占优势，轻的车要吃亏一些，车里面有设计很多的技术。

　　大家买车，特别是美国人买车，首先要看造型，欧洲人买车更多关注动力性，无论是成熟市场的人买车还是非成熟市场的人买车，都要关注它的安全性能。比如说操作稳定性，我们买车不希望它的噪音很大，人体功学点希望能够很方便找到，我们买车不希望换CD盘还得弯腰，希望座位非常舒适，希望质量非常可靠，维修的方便性。我10年前开车的时候，我的车拿去修，一个很贵的部件坏了，修车的告诉我，另外一个很贵的部件没坏但是也要换，这就是说一个很贵的部件坏了，而另外一个很贵的部件没有坏，两个部件是联在一起的，必须要同时换，这也是成本，没有人买车不考虑成本和价格的，所以我的关键词就是汽车的安全性是诸多因素的一个，而且是非常重要的一个，但是汽车安全性的好坏关键要看设计水平，而不是看我这个车，你一吨重的车和五吨重的卡车相撞没有什么可说的，但是路面跑的大多数是轿车，这个差量设计的原因远远要比重量的因素大得多，因为有这么多复杂的因素，给你一大堆好材料，一大堆重量，你如果设计不好，恐怕更坏。而交通事故的成因实际上是非常复杂的成因，一般发生的碰撞交通事故，比较直接的会责备车，但是实际上事故统计表明人的因素占80％以上，路的因素也不比人的因素少，特别是我们国家现在公路发展太快，比如说公路旁边的护栏是不是达到设计要求等等这些设计要素，所以人、车、路多方面构成是一个综合的东西。我们要想把我们国家交通事故死亡率降下来，实际上是要依赖于各方面共同努力，从国家要尽快加快立法的速度和立法的合理性，汽车的制造厂商要努力提高的汽车安全技术，我们公路、高速公路发展这么快，北京的立交桥拆了建，建了拆，我们道路交通设计水平是一个非常大的问题。另外还有交通管理水平，这都是不同的部门管，我们的道路可能是交通部管，交通管理是公安部管，像左转灯，红绿灯，人行过街天桥管理水平占非常非常大的因素，还有事故发生以后快速救援和急救室抢救手段也是非常落后的。昨天我们开会，有一个北京急救中心的工作人员，他说我74年大学毕业用什么手段救人，现在还用什么手段救人，他提出的观点就是救人的手段很多能够救活的人没有救活，这也是需要提高的水平。最后我要说的就是要提高全民每一个道路使用者的公共交通安全意识，不管你是坐在公共汽车的人，你是坐在小轿车里面的人还是骑自行车的人，所有人能够严守交通规则，10万人变成5万人很容易的事，所以这要依赖于各个方面共同努力。

　　谢谢大家！