人車碰撞事故中人體傷害特征及行人保護技術

成 潔

（武警后勤學院軍交運輸系，天津 300309）

人車碰撞事故中人體傷害特征及行人保護技術

成 潔

（武警后勤學院軍交運輸系，天津 300309）

文章通過對事故中人車碰撞過程的描述分析出人車碰撞中人體受傷害特征，結合實例介紹了五類保護行人的汽車安全新技術，提出我國發展行人安全保護技術的緊迫性和必要性。

保護行人；碰撞事故；新技術

Abstract:In this paper human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision was analysed by describing vehicle collision process, introduce 5 new car safety technologies for pedestrian protection, propose the urgency and necessity of developing pedestrian safety protection technique in our country.

Keywords: pedestrian protection; collision accident; new technology

CLC NO.: U491.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-245-03

前言

隨著各項安全法規的實施以及各種主動安全性和被動安全性技術的革新，駕乘人員的乘車安全性得到了極大提高，在交通事故中的傷害率呈現出逐年下降的趨勢。然而，汽車安全性不僅旨在保護車內乘員安全，更要兼顧行人安全。我國是世界上典型的以混合交通為主的國家，汽車對行人造成的交通傷害遠遠大于其他國家，因此，考慮碰撞事故中的行人安全，開發具有我國特色的行人安全保護系統，應該成為我國汽車設計、研發的重要任務。

1 人車碰撞過程分析

大部分的行人碰撞事故為汽車從側面撞擊行人，此時行人處于靜止或水平運動狀態，行人行走速度一般為 1.15—1.6m/s，奔跑速度一般為 4.5—5.5m/s[1]。行人和行駛汽車發生碰撞時，首先保險杠撞擊行人的膝蓋和小腿，通常容易發生骨折；然后引擎蓋前邊緣、翼子板撞擊行人的骨盆和大腿，碰撞的精確位置取決于行人與保險杠或引擎蓋前邊緣的相對高度；若車速較高，行人頭部會與引擎蓋和汽車前柱碰撞，然后繞頭或肩翻轉，腿部撞擊汽車棚頂，從而以與車速相當的速度飛出，如圖1所示。在此過程中，身體各個部位均會受到不同程度的傷害。

圖1 行駛車輛碰撞行人過程示意圖

2 人車碰撞中人體受傷害特征

行人身體主要有三處部位最易受到行駛車輛的傷害：頭部、骨盆和大腿以及膝蓋和小腿，這些傷害都與汽車的某些特定部位有直接關系。人車碰撞過程中每個部位的碰撞特點都不相同，行人頭部多與前擋風玻璃、窗框和A柱以及引擎蓋相撞，而下肢則最先與車身保險杠接觸。因此頭部和下肢的受傷頻率最高。其中，下肢膝蓋傷害通常被認為是最嚴重的傷害，因為它可能導致人員長期殘疾，而頭部傷害則是造成行人死亡的主要原因。

對行人身體各部位傷害特點的研究表明，頭部傷害程度取決于引擎蓋頂部和風擋邊框的硬度，當沖擊強度超出頭部承受極限時，會發生頭骨破裂，頭骨和大腦發生相對移動，大腦受到剪切作用力傷害。行人頭部撞擊特點包括頭部撞擊速度、頭部碰撞位置和頭部碰撞角度。當行人與不同外形結構的汽車發生碰撞時，行人頭部在引擎罩或前風窗等相關區域的碰撞位置、碰撞角度和速度受汽車前部結構影響最大。成人胸部主要與引擎蓋頂部相碰撞，兒童胸部則主要與引擎蓋前邊緣和車身最前端接觸，撞擊力對胸部的壓縮可導致肋骨或胸骨骨折。行人盆骨和大腿會與引擎蓋邊緣或引擎蓋上部碰撞，造成擠壓傷害。行人與車輛在側向碰撞過程中下肢受到側向作用力和軸向扭轉載荷的綜合作用，會導致長骨骨折、膝蓋骨破碎、膝關節損傷及踝關節脫臼和骨折等傷害[2]。

碰撞事故中行人運動狀態的不確定性為研究碰撞事故中行人身體各部位的損傷機理帶來一定難度。行人運動狀態可大致分為以下幾類：滯留車體、撞擊地面、拋向空中、推向一側及翻過車體。滯留或翻過車體時，行人頭部會與車體發生碰撞，碰撞速度及所受沖擊力取決于車速，碰撞位置和角度則受行人身高及汽車前部具體結構形狀的影響。其他情況下行人頭部可能會與其他物體或地面發生碰撞，碰撞速度及所受沖擊力取決于車速和其他物體的結構及材質，碰撞位置和角度由與汽車的碰撞位置和速度決定。

人車碰撞事故中有26%發生在車速小于15km/h，29%發生在車速在 15—30km/h，16%發生在車速在 30—45km/h，11%發生在車速超過45km/h。由此可看出，中低碰撞車速占主要比例。此特性說明碰撞事故發生前，駕駛員大多采取了緊急剎車措施。然而事故的嚴重程度與行車速度緊密相關，速度越高，事故發生過程中速度的變化率越大，行人傷亡的可能性也越大。Bowie和Walt研究發現碰撞事故中速度的變化率（△V）小于 16km/h時，行人嚴重傷亡的可能性小于5%，當△V超過48km/h時，嚴重傷亡的可能性超過50%[3]。運動車輛的能量是其質量與速度平方的乘積，碰撞中消散的能量越多，行人所受傷害就越大。研究表明車速超過96km/h時事故嚴重度隨速度增加而快速增加，車速超過112km/h后行人致命傷亡的可能性迅速增加。

3 保護行人的汽車安全技術現狀及應用

基于對人車碰撞事故機理及行人受傷害特征的研究，目前保護行人安全的車輛主被動防護裝置大致可分為5類。

1）引擎罩機械系統

引擎罩提升技術利用引擎與電池間有寬裕空間，引擎罩在碰撞過程中能開啟并能產生適量變形以吸收沖擊能量來減少行人傷害的原理，借助安裝在引擎蓋下面的火藥，在撞擊行人時爆炸，將引擎蓋在0.03s的瞬間抬升50～65mm，從而大幅降低對行人頭部的傷害。

引擎罩的材質和結構也是影響行人頭部傷害的關鍵因素。鋁合金密度僅為鋼鐵的 1/3，且具有良好的吸收沖擊性能，以鋁合金代替普通鋼材制造引擎罩，可降低碰撞時行人頭部遭受撞擊的傷害程度。新型引擎罩由撓性鉸鏈支持，前翼子板通過特殊的緊固元件與上縱梁連接。當與行人發生碰撞時，具有精確計算剛度的前翼子板和鉸鏈可按照設計產生彎曲變形，發動機罩及其底部構成的變形空間可以通過兩種方式增大：1）外部輪廓的前部比前身車型高 22mm；2）發動機、減振器拱形座、儲存罐和控制設備的安裝位置降低了13 mm，從而有效吸收沖擊能。圖2為可發生彎折變形的汽車部件。

圖2 可變形翼子板和鉸鏈

2）新型保險杠結構

保險杠是人車碰撞過程中造成腿部骨折的主要部件,保險杠硬度降低1/3時可減緩對膝部造成的損傷。為減少行人傷害，前保險杠設計成與車身曲線相吻合，同時采用柔性材料或配備行人保護緩沖裝置和新型結構，如利用高性能的玻纖氈增強熱塑性塑料（GMT）模壓成型的行人保護橫梁和防止行人卷入車下而采用的腳絆構造等，用來減小對行人膝、腿部的沖擊力。同樣，重新設計的前燈室及周邊區域能夠按照受控模式吸收對腿部的撞擊力量，避免玻璃破碎割傷行人腿部。

3）行人安全氣囊系統

安全氣囊分為兩種，一是引擎罩氣囊，一是前圍安全氣囊，兩者配合使用可減少最常見的行人傷亡事故。引擎罩氣囊在前照燈之間展開，由保險杠頂面向上伸展到引擎罩表面以上。氣囊的折疊模式和斷面設計能保證氣囊展開時與汽車前端的輪廓相合，可減小50%的行人碰撞傷害。前圍安全氣囊系統包括兩個氣囊，各由汽車中心線向一側的A立柱延伸，氣囊在行人與保險杠發生初始碰撞后觸發，在行人翻到引擎罩上滾向風窗這段時間內完成充氣。兩個氣囊沿風窗底部將左右A立柱之間的整個汽車寬度完全覆蓋，不僅能蓋住風窗玻璃底部，還可蓋住刮水器擺軸與引擎罩支座等致命的“硬點”，并且不會完全封住駕駛員視線。

4）輔助制動裝置

輔助制動裝置屬于主動防護系統，它能夠根據駕駛員踩動踏板的力度及變化梯度判斷是否正在實施緊急制動。一旦符合緊急制動條件，輔助制動裝置則迅速增加制動管路壓力，在不足1秒內將制動力增至最大，短時間內大幅度降低碰撞速度，減輕對行人的碰撞傷害。梅賽德斯-奔馳公司最早研制了輔助制動系統，從1997年這一系統成為梅賽德斯-奔馳轎車的標準配置。聯邦統計局統計結果顯示：該系統使梅賽德斯-奔馳轎車發生撞擊行人事故的比例降低了 13%。沃爾沃XC與S60前風擋玻璃上的紅外探測器則能捕捉到車輛前方高于車頭的行人和物體，當汽車與前方物體小于安全距離時會發出警報。若駕駛員未能及時反應，系統會自動全力制動。當車速小于 35km/h時，可避免汽車與行人相撞，當車速高于35km/h時，可降低碰撞速度，減輕傷害程度。

5）車輛智能安全保障系統

車輛智能安全保障系統能為駕駛員提供豐富的車輛周圍環境信息，并在事故發生前及時通知駕駛員采取措施，避免車禍發生或將事故傷害降至最小。

車輛智能安全保障系統是先進的車輛控制系統的一部分，在超車、倒車、變換車道、雨天、大霧等容易發生事故的情況下，向駕駛員提供車輛周圍及車輛本身的必要信息，并可自動地進行車輛控制，同時，利用車身傳感器分別探測車輛四周路況，為駕駛員及時提供回避操作指令，提醒駕駛員保持安全車距，可有效防止事故發生。

沃爾沃卡車于 2012年研發的智能安全系統包括自適應巡航控制(ACC)系統和駕駛員提醒支持系統。前者利用雷達裝置進行探測，一旦有碰撞風險，警告燈會投射到擋風玻璃上面，提醒駕駛員注意安全。該系統不受光照、煙霧或黑夜的影響，可最大限度排除氣候原因的干擾。當駕駛員注意力不集中時，駕駛員提醒支持系統能快速探查到駕駛員的非安全行車狀態并提醒駕駛員進行休息。沃爾沃卡車于2017年推出的新款FM Extreme車型上配備有全新智能導航系統和智能化近光燈與雨刷裝置，使得汽車主動安全性能取得又一重大突破。

4 結語

我國每年因交通事故死亡的行人數以萬計，因此研究行人交通安全刻不容緩。基于人車碰撞過程和行人受傷害機理，利用現代先進的電子技術開發行人防護裝置，是研究基于行人保護的汽車安全技術的有效途徑。由于多種原因，目前我國對行人安全保護的研究還相對滯后，相信在我國學者和世界各國汽車設計者的不懈努力下，行人安全保護技術必將進入嶄新的階段，為道路弱勢使用者提供確切、有效的安全保證。

[1] 張金換,杜匯良,馬春生.汽車碰撞安全型設計[M].北京;清華大學出版社,2010.

[2] 郭烈,葛平淑,張明恒.汽車安全輔助駕駛技術[M].北京;北京大學出版社,2014.

[3] 張鎖,李杰,李連升.道路交通事故車速分析的探討[J].交通標準化,2006(8):148-151.

Human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision and pedestrian protection technology

Cheng Jie
( Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309 )

U491.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-245-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.086

成潔，就職于武警后勤學院軍交運輸系。