正面全寬碰撞試驗中假人胸部傷害研究

商恩義

（上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司 上海，201201）

在實車正面全寬碰撞試驗中，假人胸部加速度和胸部壓縮變形量均是評價假人傷害的重要指標，如C-NCAP中指定胸部壓縮變形量（胸部壓縮變形量）的指標范圍為22mm～50mm，胸部3ms合成加速度值的指標范圍為 38 g～60 g［1］，因此，在研發過程中應關注對胸部的保護。

在碰撞過程中，假人胸部通常要受到安全帶、安全氣囊的作用。對于駕駛員側假人，通常還會受到方向盤等的沖擊。另外，假人的坐姿通常要受到坐墊深度和坐墊剛度的影響，而安全帶的作用效果與假人坐姿又密切相關，因此，碰撞中假人胸部所受傷害將與安全帶、安全氣囊的作用效果、方向盤的狀態、座椅的剛度等存在著必然的聯系。

1 碰撞試驗中假人肩帶力、胸部加速度與胸部壓縮變形量之間的關系

在正面全寬碰撞結果的分析中，通常要用到假人的肩帶力、胸部加速度和胸部壓縮變形量之間的關系［2］。

用D和ax分別表示假人胸部壓縮變形量 （胸部壓縮變形量單位：mm）和x向加速度，用Fx和Fd分別表示胸部所受到的產生胸部加速度的合力和產生胸部壓縮變形量的力，用Fu表示安全帶作用于胸部X向合力（等于肩帶力測量值）的反力，胸部質量取胸部塊質量17.19 kg和頸部塊質量1.54 kg之和，即 18.73 kg［3］，此時有

碰撞過程中，在假人姿態正常的情況下，如果假人胸部僅僅受到安全帶的作用或安全氣囊作用較小，則通常有

在大量的碰撞試驗中，事實上，Fu、Fx和Fd間通常大部分時間段內不是近似相等的，而恰恰可根據Fu、Fx和Fd間的差異對約束系統的作用效果進行分析。

2 方向盤沖擊對假人胸部傷害的影響

一般來說，對能量吸收式方向管柱而言，吸能緩沖效果最佳角度一般為 21°～ 23°［4］。但從對乘員胸部損傷的角度出發，對方向管柱的安裝角度還沒有明確說法。事實上，方向管柱安裝角度的差異，在碰撞中對假人胸部傷害是有明顯不同的。

在正面碰撞過程中，設假人胸部與方向盤間的碰撞力為F，碰撞力F沿轉向柱軸向的分力為F1，使轉向柱向上彎曲的分力F2，方向管柱的安裝角度為θ，則有

公式（5）表明，當碰撞力F不變而θ變大時，使轉向柱向上彎曲的分力F2卻將大幅度上升，方向盤碰撞中變形的趨勢將減弱，胸部所受沖擊將加強。另外，方向管柱安裝角度的不同，使方向盤緣與假人胸部的相對位置發生變化，此變化將對假人胸部的傷害產生較大影響。

2.1 通常角度下的方向盤沖擊的影響

某款車A，方向管柱的安裝角度為23°，則方向盤為67°，在開發安全氣囊的某次臺車試驗中，駕駛員側安全氣囊對胸部保護效果較弱。試驗后駕駛員側假人的Fu、Fx和Fd曲線間的關系見圖1。

圖1 中，在約45 ms～80 ms之間，在絕對值上，Fd＞Fx＞Fu，即產生胸部壓縮變形量的力遠遠大于產生胸部加速度的力，且均大于安全帶對胸部X向的作用合力。分析原因：安全帶為限力式安全帶，當安全帶限力后，假人胸部在向前運動過程中與方向盤下盤緣發生了較強的碰撞 （方向盤下盤緣發生嚴重變形），導致在絕對值上Fd和Fx明顯大于Fu。對于Fd和Fx幅值間的差異，僅僅憑借圖1無法解釋。為了確認假人胸部與方向盤下盤緣的碰撞對假人胸部損傷的影響，將假人除去左臂和上皮膚，擺回到座椅上，并除去展開后的駕駛員側氣囊模塊，以確認假人胸部與方向盤的位置關系（見圖2）。

圖2 中，方向盤的下盤緣基本對應在假人胸部肋骨架的下沿，是肋骨架剛度較弱位置，易變形。胸部加速度傳感器在自上向下數第二和第三根肋骨條之間，位置相對靠上。在碰撞過程中，伴隨方向盤下盤緣的變形，其作用點將向下移動，離胸部加速度的位置有偏遠的趨勢，最終形成在絕對值上Fd＞Fx＞Fu。

2.2 角度偏小的方向盤沖擊的影響

某款車B，其方向管柱的角度較大，為29°，則方向盤的角度為61°，在某次臺車試驗后，將駕駛員側假人的Fu、Fx和Fd曲線繪于圖3中。

圖 3 中，在約 45～85 ms之間，在絕對值上，Fx＞Fd＞Fu，Fd和 Fx明顯大于 Fu，表明由于安全帶為限力式，在碰撞過程中沒有完全將假人約束住，假人胸部撞到了方向盤。對于Fd和Fx幅值間的關系，則因方向盤的角度相對通常情況而言偏小，方向盤盤緣與假人胸部肋骨支架的位置關系相對靠上，導致沖擊胸部時位移傳感器的敏感度偏弱，最終表現為Fx＞Fd。另外，方向盤與胸部碰撞過程中相對肋骨條有滑動，導致有力的跳變，使胸部加速度出現鋸齒。

3 座椅前端剛度對假人胸部傷害的影響

汽車座椅是影響汽車安全的重要部件，應具有一定的安全性，即能在事故發生時，與安全帶和安全氣囊一起對乘員定位的同時緩解碰撞的強度，使乘員的損傷指標達到最小［4］。倘若座椅的安全性不足，在碰撞中將會對乘員造成重大損傷：如座椅前端剛度不足，碰撞中發生乘員下沉現象，或者座椅的坐墊有效深度、傾角設計不合理等，都可能在碰撞中增大乘員胸部的受傷程度。

3.1 坐墊深度過大、前端剛度過強的影響

在進行某款車C 64 km/h的臺車試驗中 （不帶安全氣囊），在某次試驗后，將乘員側假人的Fu、Fx和Fd曲線繪于圖4中。

圖 4 中，在約 75～95 ms之間，在絕對值上，Fx＞Fd≈Fu。由于此次試驗中沒有安全氣囊，而且假人胸部壓縮變形量的產生只受前方作用力影響，且此時胸部前方只有安全帶肩帶的作用，所以Fd≈Fu比較合理，但Fx明顯大于Fd和Fu，無法解釋。

將骨盆X向加速度和胸部X向加速度調入圖5。圖5中，兩條曲線變化趨勢比較一致，表明在假人前行約90ms前，骨盆受到了較大阻力，并且將該阻力傳遞到了假人胸部；在約90 ms時，該阻力突然消失。

分析假人座椅影響，其座椅結構如圖6所示。將假人骨盆相對車體X向的相對加速度進行二次積分，將積分所得的位移作橫坐標，將骨盆X向加速度作縱坐標，繪出骨盆X向加速度曲線與其相對位移間的關系見圖7。

圖6 表明，座椅底部為盆式結構，且前端有剛度較大在碰撞中沒有發生變形的加強橫梁。圖7中，骨盆最大的前行位移約為230 mm，在200 mm前一直受到阻力沖擊。借助高速攝像分析，假人骨盆最堅固點到加強橫梁的距離的確約為200 mm，也就是說，在約75ms到95 ms之間，假人骨盆和胸部X向加速度第一個峰的確是由骨盆的結構造成的，所以在絕對值上有 Fx＞Fd≈Fu。

在約 100 ms 之后，有 Fx≈Fu，Fd＞Fu。 Fx≈Fu可以理解，而Fd＞Fu則需要分析。

從圖5可以看出，在約95ms之前，假人胸部減速略慢于骨盆減速，將導致假人上身略前傾，當阻力突然減弱后，假人姿態受到沖擊，安全帶肩帶的作用點和作用力角度改變，該改變使安全帶的作用效果更強，則反映安全帶肩帶力和位移間關系的d1將變得更小，所以當用偏大的d1分析數據的后半段時，則形成了Fd＞Fu，此式反映出了當坐墊深度偏大、前端剛度偏強時，在碰撞中可能會導致假人姿態改變進而改變胸部與安全帶肩帶的配合關系，增大安全帶對胸部變形量的作用影響。

3.2 坐墊前端剛度較弱的影響

在完全正面碰撞過程中，當乘員的臀部相對車體運動到座椅的前沿時，一旦座椅坐墊前端骨架剛度不高，乘員的臀部將會突然產生下沉現象，此現象的發生將對乘員胸部的傷害產生較大影響［5］。

為了研究乘員下沉現象對乘員胸部傷害的影響，對試驗D和E兩次試驗中胸部的測量結果進行了分析。試驗D和E中，試驗D中的坐墊前端剛度偏弱，試驗E中進行了加固，其余所有的約束系統配置和試驗條件完全相同。

試驗結果見圖8和圖9。

圖8 和圖9中，在約50ms到70 ms之間，試驗D的負向加速度幅值和胸部壓縮變形量均偏大。分析原因：在碰撞發生后，假人有在前行中，上身向前撲的運動趨勢。當假人骨盆前行至約50ms時，由于試驗D中的坐墊骨架較弱，假人出現明顯的下沉現象。與試驗E相比，下沉現象的發生使試驗D中假人整體前行較快，前撲趨勢突然減弱，身體趨于直立，當與安全氣囊接觸時，整個胸部有正撲趨勢。因此，試驗D中假人胸部與安全氣囊接觸后，胸部加速度的負向幅值和胸部壓縮變形量均偏大。

4 結論

通過臺車試驗研究，得出如下結論：方向盤的水平角度偏小容易造成胸部加速度偏大；方向盤水平角度偏大在無安全氣囊或氣囊作用偏弱的情況下容易造成胸部壓縮變形量偏大；坐墊的深度大和前端剛度強容易增大假人胸部傷害，以及坐墊前端剛度較弱導致假人碰撞中下沉可造成胸部傷害指標提高。

［1］中國汽車技術研究中心，中國新車評價規程［S］.

［2］商恩義，張君媛,楊斌,張慧云.正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應用［J］.汽車技術.2010（10）:18-21.

［3］50th Percentilemale hybrid Ⅲ test dummy,Society of automotive engineers dummy testing equipment subcommittee［D］.SAE Engineering aid 23，1998.

［4］鐘志華,張維剛,曹立波,何文.汽車碰撞安全技術［M］.北京:機械工業出版社，2003:151-153.

［5］商恩義,周靖,陳曉東,吳淼.正面碰撞事故中乘員下沉對乘員傷害的影響的研究［J］.汽車科技.2011（2）:25-28.