安全是現代汽車學上最重要的議題。隨著汽車對於人類生活的重要性日益的提高,汽車已成為每個現代人生活的一部分。當車輛的性能越來越好,車禍所可能造成的風險代價亦越來越高。
為了維持汽車消費者的安全,讓其獲得最佳的保障,安全設計已成為現代汽車設計之中最重要的一環,安全配備的成本,亦在汽車生產的比重之中越來越高。在數十年的發展之下,從底盤的設計、車體的打造,每一關鍵零組件的設計與安全,均已加入了安全的考量。
一般而言,汽車主動安全與被動安全配備的區分,主要是以發生意外時的撞擊做為區分。
主動安全裝置
主動安全配備大略是指發生撞擊之前所作動的輔助裝置。這些裝置在車輛接近失控時便會開始作動,以各種方式介入駕駛的動作,希望能利用機械及電子裝置,保持車輛的操控狀態,全力讓駕駛人能夠恢復對於車輛的控制,避免車禍意外的發生。
ABS防鎖死煞車系統
ABS(Anti-lock Braking System)是汽車主動安全輔助系統之中,最為大家所熟知的輔助系統,也是一般消費者最容易接觸到的主動安全輔助系統。在ABS的輔助之下,能夠防止車輛在煞車時發生鎖死的現象,進而提升車輛的操控性能,增加行車的安全。
車輛行駛於地面上,靠的是車輪與地面之間的摩擦力,稱之為抓地力。車輪與地面之前的抓地力是有限度的,因此如果作用在車輪上加速、轉向、煞車等各種力量的合力超過車輪與地面之間的抓地力,車輪與地面將會由原本滾動的方式轉成滑動的方式,並變得無法依方向盤的轉向進行操控,發生失控打滑的狀況。
在駕駛車輛時,遇上前方有事故或是障礙物的狀況是不可避免的。在駕駛人全力踏下煞車踏板的情形,雖然能夠讓煞車力大幅度的提升,讓車輛有效的減速,但是煞車力過大的情形,便可能超過車輪與地面之間的抓地力,造成打滑失控的狀況。而在失控的狀況之下,車輛將依慣性方向前進,無法依駕駛對於方向盤的操作進行轉向,無法進行閃躲的動作。除非車輛滑動的磨擦力以及阻力足以在障礙前將車輛停下,否則車輛將因慣性作用而撞上障礙物。
ABS便是為避免上述緊急煞車失控打滑現象所發明的。配置有ABS系統的車輛,會利用車輪的感知器,監測車輪是否發生鎖死的狀況。當車輪發生鎖死狀況時,ABS系統會介入煞車系統之下,釋放煞車的壓力,讓被鎖死的車輪煞車放開,讓車輪恢復滾動,讓車輛重新取得操控的能力,並再恢復煞車的壓力,讓車輛繼續減速。如此反覆,以分時的概念,讓車輛的煞車系統,不斷的進行煞車─放開─煞車─放開的操作,讓車輛在煞車的間斷之間,保有操控的能力,讓車輛能閃避障礙,避免事故的發生。
現代的ABS系統,在1秒鐘之內均可以進行數次至十數次上述的動作,讓車輛的滑動降至最低,以在維持良好的煞車效果的同時,維持車輛的操控及閃躲能力。在緊急煞車時,駕駛僅需以最快的速度踏下踏板,ABS便會適時的介入煞車的操作。當ABS系統作動時,煞車踏板將因為煞車系統內壓力的反覆釋放,而出現反震的現象。此為正常現象,駕駛人請勿驚慌,並繼續以用力踏下踏板,維持ABS系統作動,以保有煞車與轉向的力量。切勿因此放開踏板!若放開踏板將讓車輛失去煞車的效果,增加危險。
由於人類踩放的速度無法與ABS系統作動速度相比,對於鎖死打滑的反應亦不如ABS系統快速及敏感,因此在配置ABS的車輛上,也不要錯誤的以右腳進行點放,其煞車效果遠遠不如ABS,也增加人車的危險。
建議剛開始駕駛配置ABS車輛的駕駛人,在安全的環境下,嘗試讓ABS作動,了解啟動ABS的方式並習慣ABS作動時的反震,並熟悉ABS作動下緊急煞車並閃躲的駕駛。
在普通瀝青路面上,特別是在路面濕滑的情況下,ABS能夠明顯改善車輛的煞車動作,縮短煞車距離。因為據試驗證明,滑移率約15%的輕微鎖死情況下,地面提供的附著能力最大,從而使得車輛能更快地減速,而ABS系統能調整制動力,車輪趨近於此理想狀況。
在鬆軟的路面上,比如沙地、雪地,ABS會明顯減短煞車距離。因為在這種情況下鎖緊的車輪會擠壓路面而形成隆起,進而陷入土堆,而使用ABS的車輛則能輕易越過跟減少這樣的隆起。這使ABS控制的車輛在野外或雪地能更快速的移動。
ABS能夠加強車輛在各種情況下的操縱性,一般的駕駛者在急煞車過程中仍然能夠繞過障礙物,這在沒有ABS的狀況下幾乎是不可能辦到的,從而可以大大提升駕駛安全性。
不過在大部分國際賽車活動,如勒芒24小時耐力賽,為考驗賽車手真正的駕車能力,所使用的賽車多數都不准使用ABS。
TRC循跡防滑控制系統
TRC(Traction Control System,也被稱為TCS),目的是維持車輛行進的軌跡,讓其符合車輛駕駛者的操控。
在積砂、積水、結冰等路段,路面的摩擦係數的差異很大。在這種情形之下,若車輛的左側車輪與右側車輪所處的路面狀況不同,所能獲得的抓地力亦不同,在加速的情形下,便可能造成抓地力較低的車輪打滑,驅動力降低,而狀況較佳的路面抓地力較佳,驅動力較大,讓車輛向抓地力較低的方向偏離原有的路線。
當這種現象出現時,偵測到車輪打滑的現象,TRC系統將會發送訊號給引擎控制電腦,降低引擎的輸出,並控制煞車系統,讓車輪不再打滑,讓車輛回復正常方向,依循原有軌跡前進。
TRC系統能確實將動力傳遞至路面,避免打滑狀況的發生,減少油料的無謂浪費及輪胎的磨耗。同時亦能讓車輛更依照駕駛的意志行駛,提升行駛安全。
EBD電子煞車力分配系統
在煞車的時候,車輛四個車輪的煞車卡鉗均會作動,以將車輛停下。但由於路面狀況會有變異,加上減速時車輛重心的轉移,四個車輪與地面間的抓地力將有所不同。傳統的煞車系統會平均將煞車總泵的力量分配至四個車輪,但這樣的分配並不符合煞車力的使用效益。
EBD(Electronic brakeforce distribution)則為此而發明,以將煞車力做出最佳的應用。
一般EBD系統只作為ABS系統的輔助功能,一般只有在車輛後部負重較大時功效才比較明顯,有效減少光滑路面的煞車距離。
配置有EBD系統的車輛,會自動偵測各個車輪與地面的抓地力狀況,將煞車系統所產生的力量,適當地分配至四個車輪。在EBD系統的輔助之下,煞車力可以得到最佳的效率,使得煞車距離明顯地縮短,並在煞車的時候保持車輛的平穩,提高行車的安全。而EBD系統在彎道之中進行煞車的操作亦具有維持車輛穩定的功能,增加彎道行駛的安全。
BAS煞車輔助系統
傳統的煞車系統,其設計是將駕駛施加於煞車踏板上的力道以固定的倍數放大。因此對於體力較弱的使用者而言,其可能面臨煞車力道不足的問題,而若是在緊急的狀況下,將可能造成事故的發生。於是針對這個問題,開發出BAS(Brake Assist System)煞車輔助系統,以工程技術,補足體力的不足,讓駕駛均能產生足夠的煞車力,預防意外。
BAS系統在車輛行駛的過程之中,會監測煞車踏板的動作。當感知器偵測到煞車踏板以極快的速度踏下,系統將其解釋為駕駛人需要進行緊急煞車的動作,BAS系統便會對煞車系統進行加壓,使其產生最大的煞車力量,讓車輛能有最佳的制動效果,以提高行車的安全。
根據測試數據,擁有BAS煞車輔助系統的車輛比無BAS煞車輔助系統的車輛少約45%的煞車距離,增強了車輛的安全性。根據資料顯示,在超過120km/h的車速下進行煞車,EBA有時會減少多逹10m的煞車距離。
EPS電子輔助轉向系統
EPS(Electric Power Steering)一般由機械轉向系統加上轉矩感測器、車速感測器、電子控制單元、減速器、電動機等組成,它在傳統機械轉向系統的基礎上,根據方向盤上的轉矩信號和汽車的行駛車速信號,利用電子控制裝置使電動機產生相應大小和方向的輔助動力,協助駕駛員進行轉向操作。
駕駛員在操縱方向盤進行轉向時,轉矩感測器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小,將電壓信號輸送到電子控制單元,電子控制單元根據轉矩感測器檢測到的轉距電壓信號、轉動方向和車速信號等,向電動機控制器發出指令,使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩,從而產生輔助動力。汽車不轉向時,電子控制單元不向電動機控制器發出指令,電動機不工作。
被動安全裝置
被動安全裝置,則是在車禍意外發生,車輛已經失控的狀況之下,對於乘坐人員進行被動的保護作用,希望透過固定裝置,讓車室內的乘員固定在安全的位置,並利用結構上的導引與潰縮,盡量吸收撞擊的力量,確保車室內乘員的安全。
安全帶
非常早期的車輛沒有安全帶,由於車體安全結構的概念還沒形成,人們認為甩飛出去比在壓扁的鐵罐車體內好,但後來許多案例後發現,車禍者並非被拋躑車外而碰撞死亡,反而是因為軀幹卡在車門,或是距離車輛殘骸過近,被自己駕駛的車所壓過,於是改變了安全觀念,認為固定在車內才是有效的生存要件,透過潰縮結構和強固結構組合,來保障車室空間並吸收外部衝擊。
統計資料顯示,安全帶的保障程度高居各安全裝置之首。而且不僅是駕駛者的安全防護,還包括後排乘員在內的其他乘員,可以說小小的安全帶在保證人身安全方面仍然是最有效的被動安全裝置。
另外,安全帶絕對只能一人使用,不可多人共用。
現代的車輛雖然能減少碰撞的結構變形,但若不繫安全帶,汽車撞擊時可能使乘員:
- 撞上車中的硬物。即使是安全氣囊,基於慣性原理,順間碰撞的撞擊力甚大。
- 甩飛出車外。按照不同的碰撞狀態,對乘員死亡率的影響不能確定。
- 根據東京大學的研究,若後座乘客繫安全帶能降低前座者的八成死亡率,因為汽車撞擊時,沒繫安全帶的後座乘客會撞向前座背後。
- 根據日本運輸省的統計,沒使用加高座椅的兒童的死亡率是有使用者的八倍。
安全氣囊
安全氣囊的正式英文名稱為SRS(Supplemental Restraint System,輔助約束系統),亦常直接稱呼為Airbag,已被多數國家規定為必備的車輛被動性安全裝置之一。
駕駛座的安全氣囊一般在方向盤中間,而副駕駛座的安全氣囊位於前方中控臺上。依空間與設計不同,形狀亦有所不同。
安全氣囊是高強度的布囊,平時折疊扁平地收納在車室裝潢之中。當車輛發生撞擊意外時,撞撃感知器偵測到意外發生後,便會啟動安全氣囊。安全氣囊會迅速的充氣,做為乘員與車輛之間的緩衝體,避免因為撞擊到車體的結構或是破損的玻璃等物品而受傷。而在達成緩衝效果之後,安全氣囊的機構亦會迅速排氣,以避免阻擋駕駛人的視線及救援工作的進行。
根據美國高速公路安全管理局調查,安全氣囊的使用得當下,令轎車的駕駛死亡率減少11%,正面撞擊則降低30%的衝擊力。
必須注意的是,安全氣囊本身僅有緩衝的輔助效果,乘員最主要的安全防護,仍是靠安全帶將身體固定在座椅上,方避免乘員飛出車外,並讓各種被動安全設計生效,提供防護,避免發生更嚴重的傷害。這亦是安全氣囊全名為輔助約束系統的原因。
WIL頸椎傷害緩和設計
當汽車被後車追撞時,由於慣性的關係,車輛的乘員將會向後仰倒。但由於身體受到座椅椅背良好的支撐,後仰的狀況將集中在頭部。劇烈的撞擊將可能造成頸椎的受損,進而可能造成乘員巨大的傷害。因此才有了WIL的設計,最主要的就是希望能減少因為車禍撞擊所造成的脊椎傷害。
這類的傷害,由於受傷的方式類似軟鞭鞭頭的甩動,常稱為甩鞭效應(Whiplash Effect),因此減少傷害的裝置便稱為WIL(Whiplash Injury Lessening,甩鞭傷害緩和)頸椎傷害緩和設計。
在具有WIL設計的座椅,其座椅內的結構以及頭枕的位置與角度,以減緩頭部衝擊與減少軀幹部份向前加速效果的設計打造,以保護乘員寶貴而易受傷的頸部。
籠型車體結構
籠型車體結構是將汽車車體與鳥籠構造聯想運用後所發展出來的汽車結構。籠型車體結構的設計可分為兩大區域—「衝擊潰縮區」與「高強度座艙區」,車身金屬鈑件呈彎曲狀並焊接成為車架。現代大多數轎車都是籠型車體設計。
籠型車體構造在確保前後方撞擊的安全性上,採用了利用車頭與車尾的衝擊潰縮區吸收撞擊時的能量,並減少座艙變形,在車身遭遇碰撞時會像風琴般摺疊起來並吸收衝擊力,保護車上乘客的安全﹔而高強度座艙區的設計則是注重於結構剛性的提高,以及分散由衝擊潰縮區所傳來的能量,使車身在承受撞擊時仍能保持座艙區的完整性,可確保乘客擁有完整的生存空間。