25%小偏置碰撞中后排乘員前傾量測量方法研究

于瀟 鄭萌

中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶市 401122

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故數(shù)量也在急劇攀升，據(jù)調(diào)查，在有汽車參與的交通事故中，正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞所占比例分別是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高，而小偏置碰撞又是正面碰撞中對駕乘人員傷害性較大的碰撞類型之一。因此，開展對25%小偏置碰撞中乘員前傾量測量方法的深入研究，已成為當下汽車安全領域的熱點話題。

目前，車輛碰撞試驗仍是衡量車輛被動安全性能最直接也是最有效的手段，這是由于絕大對數(shù)的交通事故都是由碰撞所致，因此，通過對“汽車碰撞試驗”的測試結(jié)果進行分析，能夠真實的了解車輛在道路交通事故中對駕乘人員的保護程度。美國作為最早頒布小偏置碰撞法規(guī)的國家，于2012年8月，美國公路安全保險協(xié)會(IIHS)頒布了小偏置碰撞試驗規(guī)程和評價準則，這是第一部對小偏置碰撞工況做出詳細要求并進行實車試驗的測試體系。隨后，在2016年，我國在參考IIHS 偏置碰撞試驗規(guī)程和評價準則的基礎上，經(jīng)過多輪論證分析，最終提出了中國保險汽車安全指數(shù)(C-IASI)測試評價體系。這是我國第一部包含25%小偏置碰撞的試驗規(guī)程。與此同時，國內(nèi)外相關機構(gòu)、學者都對25%小偏置碰撞中涉及的車輛結(jié)構(gòu)、碰撞策略等進行了優(yōu)化分析，但隨著偏置碰撞相關規(guī)程的不斷完善，會逐步引入對后排乘員的狀態(tài)監(jiān)控，目前行業(yè)內(nèi)就后排乘員前傾量測量方法的研究仍屬于空白，因此，本文以正面25%偏置碰撞評價規(guī)程為基礎，通過建立相關的數(shù)學模型，利用位移傳感器及角度傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，對25%小偏置碰撞中乘員前傾的測量方法進行研究。

2 小偏置碰撞試驗的介紹

我國在根據(jù)IIHS 頒布的小偏置碰撞試驗規(guī)程和評價準則的基礎上，提出了中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI），C-IASI 規(guī)程包括正面25%偏置碰撞試驗，如下圖1 所示，為25%偏置碰撞工況示意圖，試驗車輛以64.4km/h±1km/h 的速度、25%±1%的重疊率（駕駛員側(cè)）正面撞擊固定剛性壁障，剛性壁前端是半徑為150mm 弧度為115 的圓弧柱，駕駛員由Hybrid III 50%男性假人代替。在碰撞試驗中，采集假人傷害數(shù)據(jù)、車體結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)、假人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而對試驗車型的安全性能進行評估。

圖1 小偏置碰撞工況的示意圖

其中，試驗工況中涉及的壁障為剛性壁障，壁障固定于車輛牽引方向駕駛員側(cè)的地面上，其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖2、3 所示。距離為。

圖2 壁障頂部和軸側(cè)視圖

圖3 壁障側(cè)面和正面視圖

3 模型的建立

在車輛碰撞試驗中，由于慣性力的存在，乘員的前傾時間約為300ms，對后排乘員前傾量的測量，實則是測量頸部支架位置的空間位移量（峰值約400mm）。由于傳統(tǒng)拉線式位移測量方法的局限性，因此文中提出新的測量方法：本方法中所測量的位移并不是直接經(jīng)過傳感器測量得出，而是通過建立車輛三維坐標系構(gòu)建位移解算模型，將采集到的位移數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)進行運算，進而獲取乘員在車輛坐標系X、Y、Z 方向的前傾量。

參考C-IASI 偏置碰撞規(guī)程中坐標系的定義，取車輛后排中心為原點，建立車輛三維坐標系，從前向后為X 軸的正方向，從左向右為Y 軸的正方向，Z 軸垂直向上，如下圖4 所示，后排假人頸部支架安裝在距離Z 軸的Y 軸正方向上，兩個角度傳感器分別位于X 軸、Z 軸方向上，位移傳感器位于Z 軸上，且與原點的

圖4 位移解算模型

由上述所構(gòu)建的模型可得，在后排假人前傾過程中，具體的位移解算公式如下：

式中：

D:乘員前傾方向（X）解算位移；

D:乘員前傾方向（Y）解算位移；

D:乘員前傾方向（Z）解算位移；

Δ:位移傳感器的動態(tài)伸長量；

:位移傳感器固定安裝點到假人頸部支架固定點的距離；

:角度傳感器的測量值；

:角度傳感器的測量值；

:角度傳感器的初始值；

:角度傳感器的初始值；

其中，為了消除安裝造成的解算誤差，在試驗開始時測量得到各角度傳感器初始值，在解算公式中，對測量結(jié)果加以修正。其次，在實際裝配過程中，略等于0，而在實際測試中，此解算模型可以測量乘員前傾過程中所有方向的位移量，即空間位移量，也可以基于指定某平面來解算投影在平面內(nèi)的位移量。

4 測量方法的確定

4.1 測量模塊的確定

在本文所提出的乘員前傾量測量方法中，原始數(shù)據(jù)的測量模塊主要由兩個角度傳感器和一個位移傳感器組成。為了減小假人受到?jīng)_擊時，假人對測量模塊的反作用力，位移傳感器需具備低阻力的特點；為了提高測量精度，減小試驗誤差，角度傳感器需具備高精度的特點，具體的選型如下表1 所示。

表1 傳感器的選型

為降低測量模塊對假人的作用，整個測量模塊固定于支撐桿上，如下圖5 所示，為測量模塊裝配的三維示意圖。

圖5 測量模塊裝配圖

測量模塊通過螺紋固定于安裝支架上，支架采用極輕、高強度鋁合金或者碳纖維材質(zhì)，可上下伸縮并配有把手進行固定。此外，還配備吸盤支架固定于側(cè)窗玻璃處，從而實現(xiàn)全自由度鎖定。支撐桿可以通過強力吸盤固定于車內(nèi)空間，也可通過在車頂打孔布置螺紋固定的方案，加強支撐桿的固定能力。

此外，測量模塊測量端即位移傳感器的拉桿球頭位置固定于假人頸部支架位置上，頸部支架測量點相對于固定支架的相對坐標系進行測量。固定支架可通過調(diào)節(jié)的方案與整車坐標系重合，如下圖7 所示。

圖7 連接示意圖

4.2 電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

文中提出的乘員前傾量測量方法，所涉及的電氣系統(tǒng)采用直流12V供電，由位移傳感器、

圖6 支撐桿

傳感器信號通過數(shù)據(jù)采集儀進行實時采集和計算，生成測量端的空間軌跡。可以指定平面對空間軌跡進行投影，也可直接生產(chǎn)空間軌跡圖，輸出空間軌跡位移量。相較于拉線測量方案，可獲得空間位移曲線，且精度更高。

5 總結(jié)

本文在25%偏置碰撞試驗規(guī)程和評價準則的基礎上，提出一種后排乘員前傾量的測量方法，與傳統(tǒng)的拉線式位移測量方法相比，其優(yōu)點在于：

（1）本方法中所測量的位移并不是直接經(jīng)過傳感器測量得出，而是通過建立車輛三維坐標系構(gòu)建位移解算模型，將采集到的原始位移數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)進行運算，進而獲取乘員在車輛坐標系X、Y、Z 方向的前傾量；

（2）測量方案中高精度傳感器與信號采集系統(tǒng)的引入，極大的提升了試驗數(shù)據(jù)的精確度，同時增加了數(shù)據(jù)運算的準確度；

此方法的提出旨在解決后排乘員前傾量測量的難題，為偏置碰撞中后排乘員狀態(tài)的監(jiān)控提供方法依據(jù)。