正面小區域碰撞討論

李燦民，陳永光，陳東樂

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

正面小區域碰撞討論

李燦民，陳永光，陳東樂

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

伴隨著汽車技術的不斷發展，人們對于汽車的安全性能也日益關注。在碰撞安全法規上，目前最嚴苛的當屬美國公路安全保險協會IIHS提出的正面小區域碰撞。本文先介紹該碰撞測試的緣由、背景及測試工況，而后通過現有的實車測試報告及仿真試驗數據對正面小區域碰撞過程中的碰撞力傳遞、能量傳遞、左側B柱加速及車輛入侵量進行說明與分析，并總結出為什么在市多款車型在該碰撞測試下成績不優秀及對車輛結構的改進提出方案。

正面碰撞；被動安全；小區域碰撞；車輛入侵；能量傳遞；碰撞力傳力

CLC NO.:U467.3 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-102-03

前言

近幾年隨著中國汽車工業的高速發展，中國已超越美國成為世界第一大汽車產銷國，2013年中國汽車產銷分別為2212萬輛和2200萬輛，汽車產銷雙雙超過2200萬輛，蟬聯全球第一。巨大的汽車保有量也帶來了嚴峻的交通安全問題。幸運的是，如今汽車在科研機構及廠商的調試下，各方面性能都有了很大的提高，就拿汽車被動安全中的碰撞安全來說，現在市場上的90%汽車都能通過新車評價規程NCAP（New Car Assessment Program）的100% 正面剛性壁碰、40%正面偏置可變形壁碰、側面可變形移動壁碰、側面柱撞以及行人保護和后面碰撞測試考驗。這些在碰撞測試中表現優秀的車輛為何在現實的交通事故中還造成那么大的人員傷亡。[1]

1、正面小重疊碰撞測試

1.1 事故類型

根據IIHS對事故的統計，正面40%重疊率碰撞占到24%，這個有相應的40%正面偏置可變形壁碰測試來模擬，在低強度正面碰撞事故中，雖然它也達到了19%，但是其事故的傷亡率低，因此對于其討論就少。值得注意的是，在小區域重疊率碰撞中，其所占的比例達到24%，與正面40%重疊率壁碰并列第一，如圖1所示[2]。事故分析說明，小區域碰撞更能模擬真實的汽車碰撞情況，且暫無出臺相應的碰撞法規，因此，IIHS即開展了小重疊率碰撞測試。

圖1 正面交通事故中同類型事故所占比例

1.2 測試工況介紹

車輛以（64.4±1)Km/h的速度撞擊剛性壁障(壁障高度為1524mm，倒角半徑為150 mm)，車輛與壁障的重疊率為25%，駕駛員位置放置一個HybridⅢ50%男性假人用以測量假人傷害。[3]如圖2所示：

圖2 小區域碰撞測試工況

2、碰撞過程分析

本文是根據汽車實車碰撞及計算機仿真軟件得到的數據進一步分析概括和總結，得出汽車在小區域碰撞條件的汽車的結構變化量及相關參數在碰撞過程中的變化。

圖3 碰撞力傳遞圖

2.1 車身傳遞力路徑分析端開始傳遞，傳遞到前擋板，經過輪胎到懸架系統后傳遞到發動機防火層，最后傳遞到車身上。上縱梁幾乎不參與碰撞過程中傳力過程，下縱梁只起到部分的作用[4]。如圖3所示。

2.2 碰撞過程中能量分析

在碰撞過程中，能量吸收分布如圖4所示。緩沖吸能區是零部件壓潰后變形區域，該吸能區為主要吸能區。

通過傳遞力的路徑的分析，相比于其他的兩種碰撞來說，小區域碰撞區域集中在汽車車角的一側，幾乎繞開了保險杠、防撞梁、吸能盒、縱梁等主要的吸能部件[5]，碰撞的能量不能夠被合理的吸收，且前擋板、輪胎及懸架系統吸收的能量相對有限，很大一部分能量直接傳遞到車身上，乘員艙直接將這些能量吸收，因此會發生較大的載荷沖擊而產生較大的變形量，因此小區域碰撞對乘員艙的破壞程度比其他兩種碰撞測試破壞車程度相對來說要更大些，對人體的損傷也更大。

汽車碰撞過程中，碰撞力的傳遞主要是通過保險杠、防撞梁、吸能盒、縱梁、發動機艙、副車架、上縱梁傳遞到整個乘員艙。相對于正面40%重疊率可變形壁碰及100%剛性壁碰來講，小區域碰撞具有碰撞力傳遞不規律的特點。小區域碰撞的傳遞力就比較的特別，碰撞力經過保險杠橫梁的一

圖4 吸能分區

2.3 左側B柱加速度分析

我們通過對陳可明的“國內某車型小偏置正面碰撞的全面評估中”的左側B柱加速分析可以得出小區域碰撞的加速度峰值要比正面40%重疊率可變性壁碰的峰值來得大，這將會對乘員艙的乘客產生極大的傷害。造成小區域碰撞加速度峰值高的主要原因是因為碰撞過程中，緩沖吸能區及過渡吸能區的主要部件沒有參與吸能工作，或者說是參與吸收碰撞能量的部件吸收率不足，導致較大的能量直接傳遞到安全區中，因此會產生一個較大的加速度峰值。[6]

值得注意的是，由于小區域碰撞不具有對稱性，沖擊作用力不會通過汽車的型心，因此將產生一個力矩，使得車輛繞著垂直軸發生轉動，因此對于乘客上身的傷害將是頭部與方向盤或者車門框左側區域甚至是A柱發生碰撞，此時安全氣囊無法提供必要的保護，對乘員的頭部將產生極大的損傷。

2.4 車身入侵量分析

在小區域重疊率碰撞過程中，車身門框前緣向后的位移量大，這會導致車內的儀表盤橫梁及方向盤向后移動，且轉向盤管柱也將向后移動，對駕駛員的胸部頭部產生極大的傷害。再者，由于輪胎和懸架系統因變形而向后位移，進而影響剎車踏板、離合器踏板和油門踏板的向后移動，因此對乘員下肢產生極大的入侵傷害。[7]在嚴重的乘員艙變形情況下，不利于駕駛員的逃生，為后續救援造成了不便。如圖5所示：

圖5 車輛入侵實圖

3、小區域重疊率碰撞結果探討

通過對在已經測試車型報告及仿真試驗數據觀察分析，在小區重疊率碰撞測試中，測試成績不理想，多款在100%正面剛性壁碰和正面40%重疊率偏置壁碰表現出色的車輛在該測試中表現成績不佳。出現該問題的原因主要由以下幾個方面：

3.1 車輛結構不夠完整

安全籠式(safety cages)的出現，極大的保證了車身在正面碰撞或者中度偏置碰撞過程中不會產生較大的變形量，甚至說車身不變形[8]。小區域碰撞發生時，碰撞接觸點就發生了改變，撞擊主要集中在車頭邊角的1/4面積的區域，碰撞力直接沖擊輪胎、懸架系統后傳遞到防火墻，使得輪胎侵入乘員艙，對駕駛員的下肢產生傷害。此外，門框的較大變形量將導致儀表盤后移，對乘員的上半身也將產生傷害。

3.2 安全保護系統不能正常發揮作用

當車輛發生小區域碰撞過程中，由于碰撞作用不對稱，往往會發生偏移，乘客伴隨了車輛的偏移而撞擊到車的內部結構上。由于轉向柱及駕駛員座安全氣囊發生偏移，乘客可能會錯過氣囊保護，頭部和胸部直接撞擊撞擊方向盤左側及車門框。再者側氣囊和頭部保護氣簾和胸部保護氣囊有可能沒有爆開，或者爆開的太晚以及氣囊的保護面積不夠而起不到保護作用。

3.3 二次碰撞損傷

由于小區域重疊率碰撞會產生一個巨大的轉矩，車輛在碰撞后可能會在該轉矩下改變運動方向而造成二次碰撞。二次碰撞時，由于車輛的結構已經不完整，提供不了完整的安全保障，因此會對乘員產生二次傷害。

4、總結

小區域重疊率碰撞更加的接近實際事故中的情景，且其對乘員的傷害是很嚴重的，因此對于汽車制造商來說是一個重大的挑戰。通過對小區域重疊碰撞的分析，我們可以從以下幾個方面來提高車輛的安全性能。1.考慮到縱梁在小區域重疊率碰撞過程中不參加作用，我們考慮將縱梁前端添加個分支，做成類似Y性結構，增加碰撞過程中接觸面積，進而達到分解力和吸能的作用。2.加強車門框的強度，使其在碰撞過程中變形量小，以減少后移量。3.對轉向管及剎車踏板的優化，減少其后移對乘員的損傷。4.優化安全保護系統，充分考慮安全氣囊是否能及時展看，且能否覆蓋方向盤左側位置。

[1] Hallman J J,Yoganandan N, Pintar F A, et al. Injurydifference between small and large overlap frontal crashes[C]// 55th Annals of Advances in Automotive Medicine.

[2] Sherwood C P, Nolan J M, Zuby D S. Characteristics ofsmall overlap crashes [C]// Proc the 21th Int’l Tech Confon the Enhanced Safety of Vehicles, Germany, 2009, PaperNo. 09-0423.

[3] Insurance Institute for Highway Safety (IIHS). SmallOverlap Frontal Crashworthiness Evaluation Crash TestProtocol (Version I), IIHS secretary [S]. Oct, 2012.

[4] 劉珍海,喬磊磊,正面小重疊碰撞工況模擬研究與實車優化分析,汽車安全與節能學報[J]，2012年,第3卷第4期.

[5] 郭正輝等,汽車安全新挑戰—小偏置正面碰撞,汽車與配件[J], 2013-13-(No.4).

[6] 陳可明,胡麗君,胡晏殊,國內某車型小偏置正面碰撞的全面評估,汽車安全與節能學報[J],2013年,第4卷第1期.

[7] 王占強,再出狠招獨家揭秘IIHS小區域重疊偏置碰撞試驗.世界汽車.[J],2013(02).

[8] 賈江偉,SUV多數不過關中級車逆襲25%偏置碰撞大考析.產品可靠性報告.[J],2013(08).

Small-area frontal-impact discuss for a vehicle

Li Canmin, Chen Yongguang, Chen Dongle
（Institute of transportation, Chongqing jiaotong university, Chongqing 400074）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.035

With the continuous development of automobile technology, there are growing concerns for car safety performance is also.On the collision safety regulations, at present the most severe is the insurance institute for highway safety IIHS collision on the front of the small area is put forward.First introduced in this paper that the cause of the crash test, background and test conditions, and then through the existing real vehicle test report and in the process of simulation test data for small area positive collision collision force transfer, energy transfer, acceleration and the vehicle on the left side of the B column invasion by description and analysis, and why is summarized in the city, many models under the collision test result is not good, and the improvement of vehicle structure scheme is put forward.

frontal-impact; Small-area impact; Vehicle invasion; energy pass; Collision force transfer

U467.3

B

1671-7988(2016)01-102-03

李燦民，就讀于重慶交通大學交通運輸學院。