汽車安全試驗室規劃建設方案探討

陳良校,汪旭明，楊康和

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

汽車安全試驗室規劃建設方案探討

陳良校,汪旭明，楊康和

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

隨著客戶對汽車的使用要求越來越高，建設高水準的整車碰撞試驗室對于汽車產品和品牌質量的超越有著至關重要的作用。汽車安全試驗室的建設有利于縮短開發周期、降低研發成本、關鍵技術保密、試驗能力建設等相關研發工作的開展。汽車安全試驗室將分為兩期建設：一期規劃建成整車碰撞試驗能力，滿足國內外NCAP等相關試驗標準要求以及部分區域性法規要求；二期建成臺車試驗、行人保護試驗及零部件試驗能力，滿足國標以及部分國家及區域性標準和法規的要求。建成后的汽車安全試驗室將對新開發車型安全性能的要求和考核更加全面和規范。

汽車安全試驗室；被動安全；規劃

Abstract:As customers are increasingly demanding for car use, construction of a high standard vehicle crash lab has a vital role for automobile products and brand quality beyond.Auto safety laboratory construction is conducive to shorten the development cycle, reduce development cost, secrecy of key technologies,test ability construction and related research and development work. The construction of auto safety laboratory is divided into two phases: in the first phase of planning, the vehicle crash test ability was built, to meet the requirements of the domestic and foreign related test NCAP standards and some of the regional code; in the second phase of planning, car test, pedestrian protection test and parts test ability were completed, to meet the requirements of the national standard, and part of the national and regional standards and regulatory.After the completion of the laboratory, the requirements of safety performance to a new development model and evaluation will be more comprehensive and specification.

Keywords:Auto safety laboratory；Passive safety; Planning

0 引言

隨著越來越多的家庭轎車投入使用，消費者對汽車的性能特別是安全性能越來越重視。在中國，隨著生物力學研究、交通事故統計分析、事故再現分析技術研究的深入，政府對減少交通事故中人員傷亡損失情況十分重視，并逐步形成了較為完善的機動車輛安全法規。經過多年的研究，在汽車碰撞試驗方法、標準，試驗碰撞假人、測量分析儀器和傷害評價方法等方面取得了極大的成果。

1 被動安全試驗室建設規劃的必要性

碰撞試驗是汽車研發、設計人員了解碰撞過程、掌握有關碰撞的設計數據、改進汽車安全設計的重要手段。

現在，隨著計算機技術的不斷發展，汽車碰撞試驗能夠通過計算機進行模擬，從而使汽車工程師能夠在真實碰撞前對汽車的安全性進行改進，設計出更加安全的汽車，從而減少汽車真實碰撞的費用和時間。

然而計算機進行的虛擬碰撞試驗存在很多與現實情況差異很大的盲區，會對試驗結果的分析造成誤判，真實碰撞試驗能夠暴露更多的問題，因此，盡管利用計算機模擬技術可對很多汽車設計缺陷進行改進，但它仍不能完全替代真實的碰撞試驗。所以，世界各大汽車廠商都在采用計算機模擬碰撞試驗對車輛進行改進的基礎上，投入大量的財力進行碰撞試驗室的建設。

2 被動安全試驗室建設規劃目標設定

被動安全試驗室功能復雜，設備、試驗場地建設投資較大，因此在考慮整體規劃建設時必須按照整體規劃、分步實施進行。從公司的現狀、后期的研發車型以及試驗的成本考慮，被動安全試驗規劃建成目標需要涵蓋兩個方面：

2.1 整車項目

根據目前法規要求，考慮到整車的安全性以及行人保護，依據現有的C-NCAP測試標準，針對整車主要進行的試驗項目有：

(1)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗

要求對一種車型進行車輛速度50 km/h與剛性固定壁障100%重疊率的正面碰撞。

(2)正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗

車輛速度56 km/h對可變形壁障40%重疊率的正面偏置碰撞。

(3)可變形移動壁障側面碰撞試驗

可變形移動壁障速度50 km/h與車輛的側面碰撞。

(4)實車追尾碰撞試驗

可變形移動壁障速度50 km/h與車輛的側面碰撞，評價汽車燃油系統在汽車追尾碰撞試驗中和試驗后的防火安全性能。

(5)車對車角度碰撞試驗

車對車多角度碰撞主要考慮到0～90°范圍內的，每隔15°有一條牽引軌道，實現車車對碰(此項目在實際研發過程中的實際意義不大，主機廠可根據自己的最終要求考慮是否需要)。

2.2 零部件及臺車碰撞項目

根據現有試驗項目需求，零部件及臺車碰撞項目主要包含：安全氣囊匹配開發試驗、行人保護、胸塊、膝蓋沖擊模塊以及直線頭型等試驗項目，具體包含以下幾個方面：

(1)氣囊匹配開發試驗能力

①汽車安全氣囊的匹配開發試驗

柱碰撞試驗、30°斜角碰撞試驗、剛性壁偏置碰撞試驗、各種不同速度的碰撞試驗。

②汽車安全氣囊模塊的完整性試驗

靜態氣囊起爆試驗、模擬頭部模塊和胸部模塊的氣囊跌落試驗。

(2)座椅動態強度試驗(GB15083、ECE R17)

(3)頭枕動態強度試驗(Whiplash)(FMVSS202a、Euro-NCAP)

(4)行李箱沖擊試驗(GB15083、ECE R17)

(5)氣瓶安裝強度動態試驗(ECE R67、ECE R110)

(6)兒童座椅動態性能試驗(ECE R44、FMVSS213)

(7)門鎖門鉸鏈動態試驗(GB15086、ECE R11)

(8)內部突出物乘員保護性能的動態試驗(GB11552、ECE R21)

(9)貨車后下部防護裝置的實車鉆入碰撞試驗

(10)加速臺車碰撞項目

3 基于設定目標滿足標準的情況

3.1 第一期需滿足的法規要求

(1)滿足國家法規碰撞試驗要求：GB11551、GB20071、GB20072、GB/T20913。

(2)滿足國際標準碰撞試驗要求：CE R94、ECE R95和FMVSS 208。

(3)滿足法規測試要求：C-NCAP、Euro-NCAP。

3.2 第二期需滿足一期以外的法規需求

被動安全國內、國際試驗法規見表1。

表1 被動安全國內、國際試驗法規

3.3 各國安全評價體系要求

國際國內NCAP測試項目及要求見表2。

表2 國際國內NCAP測試項目及要求

4 基于設定目標的廠房建設規劃

4.1 軌道要求

對于主機廠來講，所有設備最好能夠覆蓋公司研發的所有產品序列，從實際的成本和使用角度來講能夠做到，但是經濟型、結果的準確性都將會受到很大的制約，特別是車型等級越多、噸位和長度相差太大的情況下這一制約體現得愈加明顯，因此根據公司現有產品線的特點以及最大限度地發揮試驗室的功用，相關設定目標要求如下：

車輛質量m≤5 t；牽引速度v=2～ 120 km/h；牽引過程中加速度a≤0.30g。

通過圖1所示整車碰撞過程各個階段所需的時間和所要達到的速度，為了保證試驗車牽引平穩，牽引過程中加速度不能有突變，牽引過程由三部分組成：緩起步階段；勻加速階段；平穩階段。

設加速度坡度為ap(m/s3)，緩起步段時間為t1(s)，勻加速段時間為t2(s)，平穩過渡段時間為t3(s)，穩速段時間t4(s)，加速跑道長s(m)。根據以下數據計算所需試驗場地及跑道長度：

s=[0.5×(t1+t2+t3)+t4]×v

4.2 地坑要求

為保證在坑底部有更好的拍攝視野，位于坑底的攝像機盡可能獲得完整的拍攝視野重疊而無視覺障礙，目前的蓋板制造商允許攝影坑蓋板有一種“部分導向配置”，這種裝置能使被測試車輛在無限接近碰撞點時才被釋放而在碰撞點下方有一整塊全開視野的蓋板。

通過對跑道的設計以及和制動小車的距離配合，保持制動站位置就在攝影坑邊緣，且釋放點在攝影坑上方的蓋板軌道內而沒有復雜的或多余的妨礙視覺障礙的機械裝置，這樣的攝影效果是最佳的，確保能在同一時間獲取無障礙的拍攝效果及高碰撞點精度。具體如圖2所示。

4.3 燈光系統設計要求

由于目前的碰撞試驗室在整個碰撞區域有兩個碰撞點，相距約為150 m，如果只用一套燈光系統，必須有一個很長的電纜管理系統橫貫兩個區域內。另外由于電纜的內部電阻問題，燈系統的功率可能會減少25%～30%左右(電阻損失)。

燈光系統在整個試驗過程中雖然屬于輔助系統，但是由于它對最終的結果有很大的指導作用，因此必須全面考慮燈光系統的各個方面：

(1)照度

對于高速攝影/攝像會使用CMOS高速相機。典型的幀頻為1 000 fps,曝光時間為1/5 000或更少。特別在車對車多角度碰撞時，精確的碰撞點是非常難以事先估計的。如果相機提供一個較好的聚焦深度，這個是可以覆蓋的。 因此需要采用光圈級數5.6甚至是8的相機。 光照度(LUX)不是由高速攝影相機來決定的，而是由光子通量和與波長相關的光通效率的CMOS傳感器來決定的。這樣類似的信息很難找到,通常根據ASA/ISO的定義是根據傳感器的靈敏度。

對于目前規劃的試驗室系統建設需求，要求平均有120 000 LUX (在開啟Boost功能情況下)，同時地坑中應有55 000 LUX的光照強度，這是在實驗方案中主要測試區域的標準值。

高速攝影燈光亮度計算:

常量因子A=25.5，幀頻f=000，光圈F=5.60，快門開角ShA=72，拍攝速度S=400，曝光時間T=1/5 000，尺燭光9.996。曝光時間公式：

LUX值不是由CCD 或CMOS傳感器來決定的，是由燈光系統的光譜能量分布來決定的。對于燈光系統，要求規定的LUX值是真實可信的(光譜和太陽光光譜基本吻合)。在系統的設計階段，這些值將被通過計算有效的光通量來再次驗證，通過計算來選擇相機供應商，也就是說公式中的F是通過計算確定的，而不是由相機供應商所提供的。

(2)有效照度

即便光照度是由LUX的測量來定義的，但是對于高速攝影和相機系統，光照效率或更好的有效照度可能會有所不同。

LUX測量是通過一個傳感器，和人類雙眼的敏感度類似(圖3(a),其中曲線1覆蓋的區域代表紫外線涵蓋的區域范圍，曲線2覆蓋的區域代表紅外線涵蓋的區域范圍，曲線3覆蓋的區域代表人眼可見的可見光區域范圍。但是重要的是，對于安全測試應用來講，有效的輻照度是由攝影或視頻的靈敏度來決定的(圖3(b))。因此，光照系統更需要滿足這個敏感度，而不僅僅只是這個照度值。

4.4 高速攝像系統的選擇

碰撞試驗是一項高速的、破壞性極大的試驗項目，試驗的目的是為了發現設計缺陷，以便做出最優的整改，設計出更加安全的整車，讓消費者更加放心地去感受車輛帶來的生活品質，因此作為設計和試驗人員勢必要清楚地知道車輛在整個試驗過程中的各個階段發生的瞬間，這里就要提到最常用的高速攝像系統。

高速攝像系統不僅可以記錄高速運動圖像(假人的動態，車輛的形變等)，也可以用來分析位移、速度、加速度以及汽車零部件的其他參數。

整個一套高速攝像是針對碰撞瞬間要求設置的，可以說基本上要求的是全方位、立體式拍攝，為此要在不同的區域和角度放置多個相機(見圖4)，由于對同一點的變化量需要綜合各個角度的數據加以剖析，因此對于同一點所有相機拍攝的必須是同一時刻內的同一個畫面，否則，由于相機的時差不一致，在同一時刻拍攝的位置變化不是同一個外力所造成的結果(圖5)，勢必會使最終的試驗結果分析有偏差，進而影響整改方向和應對措施，因此所有相機的同步性至關重要。在選擇高速攝像時，同步信號線纜把所有的高速攝像機聯成一個多機系統，在這個系統中的所有高速攝像機在拍攝時完全同步，如圖4所示，每臺高速攝像機的所有圖片都同步。

圖4 高速攝像機分布示意圖否則，每臺高速攝像機在拍攝時只使用自己的時鐘，相機和相機間所拍攝的照片會有時間差異，如圖5所示。

4.5 其他輔助設施的配置

碰撞試驗室是一個系統的工程，除以上所述，還有諸如：碰撞假人、數采系統以及傳感器等相關設備也是保證最終結果的必要配置，這些主要和輔助設備的相互配合，才有最終的可靠的、真實的試驗結果。

5 總結

碰撞試驗室不僅僅是一個電機牽引著一輛汽車發生一場預計性的碰撞，碰撞試驗室是技術含量很高、涵蓋范圍很廣的一項試驗工程，國內對碰撞試驗重要性的認識日益加深，各大汽車廠商紛紛開始建碰撞試驗室。

作者公司新建規劃的碰撞試驗室方案將涵蓋以下3個技術創新點：

(1)從碰撞安全技術向主動避撞技術發展。

(2)集成汽車主動避撞技術和碰撞安全技術于一體，實現新的一體化汽車安全技術的新概念。

(3)一體化安全技術的開發需要一個綜合了碰撞安全和主動避撞技術的“汽車一體化安全技術開發試驗室”。

汽車碰撞試驗屬于高投入、高科技、高技術含量的汽車安全性能試驗。目前, 我國能開展這項試驗的實驗室逐年增加，特別是自主品牌汽車生產商更加快速地認識到碰撞試驗對整車性能的影響。相信隨著汽車被動安全法規的出臺實施, 汽車碰撞試驗在我國也必將得到長足的發展。這也將影響到我國汽車工業的技術革新和與世界一流汽車廠商的技術接軌。

【1】 付百學.汽車試驗技術[M].北京:北京理工大學出版社，2007:265-356.

【2】 趙立軍，白欣.汽車試驗學[M].北京:北京大學出版社，2008:423-531.

【3】 鐘志華.汽車碰撞安全技術技術[M].北京:機械工業出版社，2005:132-265.

AutoSafetyLaboratoryPlanningandConstructionScheme

CHEN Liangjiao,WANG Xuming,YANG Kanghe

(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

2014-04-11

陳良校(1986—)，男，本科，主要從事汽車零部件及總成的臺架試驗方法研究。E-mail：jacclx@163.com。