國內(nèi)某車型小偏置碰撞假人傷害分析與研究

劉宏達(dá)

摘 要：本文研究了國內(nèi)某車型小偏置碰撞試驗(yàn)中假人的運(yùn)動過程及頭部、頸部、胸部與下肢部位的傷害機(jī)理與考核指標(biāo)，這些指標(biāo)反映車身碰撞特性、乘員約束系統(tǒng)特性及兩者間的匹配這三個(gè)方面的綜合性能，論文對假人的傷害進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)提出了相關(guān)改進(jìn)方向，為車型開發(fā)設(shè)計(jì)及安全性能改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車安全；小偏置碰撞；假人傷害；約束系統(tǒng)

中圖分類號：U491.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0050-08

Abstract： In this paper， the movement mechanism of the dummy and the injury mechanism of the head， neck， chest and lower limbs and the evaluation index of the dummy in a smalloverlap crash test are studied. These indexes reflect the comprehensive performance of the body collision characteristics， occupant restraint system characteristics and the matching between the two aspects. The paper gives a detailed analysis of the dummies' injury， and puts forward the relevant improvement direction， which can provide reference for the development and design of vehicles and the improvement of safety performance.

Key Words： Vehicle safety； small overlap crash； dummy damage； occupant restraint system

隨著人們對汽車碰撞安全性能的日益關(guān)注和世界各國汽車碰撞法規(guī)的不斷完善，汽車碰撞安全技術(shù)得以快速發(fā)展?，F(xiàn)行碰撞試驗(yàn)形式主要有100%正面剛性壁障碰撞、40%正面偏置可變形壁障碰撞、側(cè)面可變形移動壁障碰撞、側(cè)面柱撞等。

但現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生的重大汽車碰撞事故里，有一類事故為正面小偏置碰撞。據(jù)統(tǒng)計(jì)小偏置正面碰撞死亡人數(shù)大約占交通死亡事故的1/4，因?yàn)樾∑谜媾鲎策^程中，碰撞承載面在汽車主要承力構(gòu)件縱梁外側(cè)，縱梁不能通過縱向壓潰變形而吸收沖擊能量，導(dǎo)致車身產(chǎn)生極大的變形，這些變形侵入對車內(nèi)乘員造成巨大傷害。

1 小偏置正面碰撞試驗(yàn)簡介

小偏置正面碰撞試驗(yàn)，是美國道路交通安全保險(xiǎn)協(xié)會（IIHS）提出的一項(xiàng)碰撞測試，測試要求車輛以64.4±1 km/h的速度去撞擊一個(gè)特定的剛性屏障，碰撞時(shí)車輛與壁障表面重疊寬度為車輛總寬的25±1%，示意圖如圖1所示。主要模擬現(xiàn)實(shí)行車過程中與對面的來車、路邊的樹木和電線桿等發(fā)生碰撞這樣的事故。試驗(yàn)時(shí)在前排駕駛員位置安放一個(gè)Hybrid Ⅲ50%假人。IIHS會根據(jù)車身結(jié)構(gòu)、假人約束和假人受傷情況三個(gè)方面分別進(jìn)行評價(jià)，最終的成績分為四個(gè)等級，分別是“good（優(yōu)秀）、Acceptable（可接受）、Marginal（及格）、Poor（差）”。其中假人傷害評價(jià)如表1所示：

2 國內(nèi)某車型小偏置碰撞的假人傷害分析

2.1 試驗(yàn)簡述

本次試驗(yàn)車輛為國內(nèi)某廠家中型SUV，車輛整備質(zhì)量1842kg（904kg/938kg），車輛寬度1850mm，實(shí)測試驗(yàn)速度為63.96km/h。

2.2 頭部傷害分析

式中：R （t ）為T0≤t≤TE 期間的頭部質(zhì)心處的合成線性加速度（g），T0為碰撞起始時(shí)間，T_E為碰撞終止時(shí)間，t1、t2是使HIC達(dá)到最大值的時(shí)間段的起始和終止時(shí)間。小偏置碰撞中考核的是HIC15，既t2-t1=15ms。

與100%正面碰撞不同，小偏置碰撞中由于車輛前端與壁障重疊面積較小，車輛側(cè)方向甩動幅度較大，假人頭部容易從正面氣囊滑出并砸向A柱，從而造成二次傷害。

通過高速攝像我們可以看到假人的運(yùn)動過程如圖2所示，車輛碰撞前期，安全氣囊和氣簾順利展開，大約在碰撞發(fā)生后80ms，正面安全氣囊展開至最大，此時(shí)假人頭部也剛好基本砸在正面氣囊中間位置，然而隨著甩尾的發(fā)生，假人頭部滑離正面氣囊，約在200ms時(shí)刻處開始與A柱和門護(hù)板接觸，發(fā)生二次碰撞。

假人頭部合成加速度曲線見圖3，從曲線中可以看到在碰撞零時(shí)刻后80ms-90ms，合成加速度值達(dá)到最大值，與之前的高速攝像相對應(yīng)，該時(shí)間段假人頭部剛好與正面氣囊相接處。而在200ms-260ms曲線中出現(xiàn)了另一較為明顯的波峰，該時(shí)間段波峰的出現(xiàn)也正好驗(yàn)證了高速攝像拍到的假人頭部滑離正面氣囊，砸到A柱和門護(hù)板這一情況的發(fā)生。

該試驗(yàn)車型配備了較為完善的被動安全系統(tǒng)，氣囊匹配效果較好，正面安全氣囊基本展開至最大時(shí)與假人頭部接觸，側(cè)面安全氣簾的順利展開也對假人頭部砸向A柱和門護(hù)板時(shí)起到了良好的保護(hù)作用。本次試驗(yàn)假人頭部HIC=134，從表1中可以看出，在IIHS小偏置碰撞假人傷害評價(jià)中頭部可以獲得“優(yōu)秀”等級。

2.3 頸部傷害分析

IIHS小偏置碰撞對于頸部的考核有頸部傷害指標(biāo)Nij、頸部軸向張力和頸部壓力。其中頸部軸向張力和壓力均是通過累積曲線進(jìn)行評價(jià)的。

頸部傷害指標(biāo)Nij代表四種傷害機(jī)制：壓縮（Compression）、拉伸（Tension）、彎曲（Flexion）和伸展（Extension）。如表2所示：

安全帶和安全氣囊等外力會使假人的頭部與胸部之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，進(jìn)而產(chǎn)生約束使假人頸部收到傷害。因此在分析假人頸部傷害時(shí)需要結(jié)合頭部和胸部的運(yùn)動情況來分析。

如圖4所示是本次試驗(yàn)假人頭部合成加速度曲線和胸部合成加速度曲線響應(yīng)及速度響應(yīng)情況。頭部與胸部運(yùn)動趨勢基本保持一致，且峰值差異較小，兩者速度在前50ms基本相當(dāng)，整體沒有明顯滯后情況，兩者差值在80ms左右達(dá)到最大，此時(shí)刻假人頸部傷害最為嚴(yán)重，頸部傷害指標(biāo)Nij如圖5所示：Nte=0.287、Ntf=0.192、Nce=0.020、Ncf=0.086，從中可以看到在0.0793s時(shí)Nte達(dá)到最大值0.287，小于IIHS評價(jià)中的優(yōu)秀限值0.8。頸部軸向伸張力和壓縮力累計(jì)曲線如圖6所示，實(shí)際傷害曲線也均在IIHS考核限值曲線以內(nèi)。

2.4 胸部傷害分析

正面高速碰撞過程中，人體胸部的受力過程變化較為復(fù)雜，它除了受到安全帶的拉力外，還會受到頭部及下軀干所施加的約束，以及安全氣囊、方向盤所施加的外力等。在IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)中，對假人胸部傷害程度的評價(jià)有四個(gè)方面：

胸部加速度G3ms，即持續(xù)時(shí)間為3ms時(shí)的最大胸部加速度；

胸部壓縮變形量，胸部收到外力擠壓時(shí)產(chǎn)生的變形大??；

胸部擠壓速度，也就是胸部被壓縮時(shí)的變化快慢；

胸部黏性指標(biāo)VC，胸部變形的即時(shí)壓縮量和變形率的乘積，其計(jì)算公式如下：

式中Y[t]為胸部對時(shí)間的變形量（m），對于HybridⅢ50%假人，Scaling factor=1.3，Defconst=0.229m，?t為測量胸部變形量的時(shí)間間隔（s）。

該試驗(yàn)車型駕駛員側(cè)安全帶具備預(yù)緊和限力功能，圖7分別是試驗(yàn)過程中駕駛員安全帶卷收器織帶、腰帶和肩帶力曲線。從卷收器織帶力和腰帶力曲線看到，碰撞后50ms左右安全帶開始預(yù)緊并限力，此時(shí)安全帶迅速將假人拉住，保證假人和座椅的相對位置關(guān)系，避免假人向前運(yùn)動量過大，同時(shí)限力器的作用使安全帶肩帶力在整個(gè)碰撞過程中保持在5KN以下，防止了過大的安全帶拉力對假人胸部造成的傷害。整個(gè)胸部在碰撞過程中表現(xiàn)較為出色，胸部傷害指標(biāo)如表3所示：

2.5 下肢傷害分析

25%小偏置正面碰撞位置避開了汽車縱梁，汽車左前輪成為了主要受力部件，輪胎侵入駕駛艙過程如圖8所示，原本狹小的假人下肢空間被進(jìn)一步壓縮，假人下肢也因此受到了更多傷害的可能，諸如下肢與儀表板碰撞，下肢被夾在底板和儀表板之間，防火墻和腳踏板等的侵入，腳從踏板上滑落并與底板接觸，腳被擠壓在踏板下面等等。

下面結(jié)合試驗(yàn)中假人左腿數(shù)據(jù)，來闡述IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)中對假人下肢傷害的評價(jià)：

膝-大腿-髖關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)KTH，它是用來表征大腿骨折和髖關(guān)節(jié)骨折風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，KTH通過對股骨壓縮力進(jìn)行積分計(jì)算而來，積分時(shí)間段從股骨力峰值之前的最近零點(diǎn)開始，到越過峰值后第一次等于4050N的時(shí)間為止。駕駛員左大腿股骨力曲線如圖9所示，灰色區(qū)域即是大腿股骨力積分時(shí)間段，將積分所得值和大腿股骨力放在同一坐標(biāo)系下，既可得到KTH指標(biāo)，如圖10所示，在該項(xiàng)指標(biāo)中假人左大腿只能獲得“可接受”的評價(jià)等級。

脛骨-大腿骨位移，也就是我們通常所說的膝蓋滑動位移，它是由于膝蓋撞擊儀表板時(shí)受到剪切力載荷引起的，表征的是膝蓋受到?jīng)_擊的程度。左脛骨-大腿骨位移曲線如圖11所示，膝蓋滑動的最大位移達(dá)到了16.2mm，介于15mm～18mm區(qū)間，根據(jù)表1可知，該項(xiàng)考核勉強(qiáng)達(dá)到“及格”的標(biāo)準(zhǔn)。

腳部加速度，踏板對假人腳部的擠壓、碰觸和小腿的擺動都會使腳部產(chǎn)生加速度，IIHS對假人腳部加速度有一定限值要求，只有腳部加速度在150g以下才能在該部位獲得“優(yōu)秀”等級。

3 綜合評價(jià)及總結(jié)

該車型小偏置碰撞假人傷害評級如表4所示（上下脛骨軸向力和脛骨指數(shù)TI取傷害值較大者進(jìn)行評價(jià)），從表中可以看到假人下肢部位拉低了整個(gè)假人傷害的評級，左腿的傷害程度也明顯高于右腿，尤其是在脛骨-大腿骨位移和脛骨指數(shù)TI兩項(xiàng)考核中僅獲得“及格”的等級。

從高速攝像和試驗(yàn)后照片可以看出，車輛左前輪極大的侵入到駕駛艙里，左A柱有較明顯的變形，駕駛員生存空間被嚴(yán)重壓縮，假人下肢被擠壓在了儀表板下，故而下肢部位成為了此次試驗(yàn)中假人受傷最為嚴(yán)重的部位，試驗(yàn)前后對比照片如圖13所示。

綜合上述分析進(jìn)行簡單總結(jié)：

小偏置碰撞過程中，車輛側(cè)方向甩動幅度較大，假人頭部容易滑出正面氣囊砸到A柱造成二次傷害，配置側(cè)面氣簾并充分保證氣簾面積，同時(shí)控制好氣囊和氣簾展開時(shí)間可有效降低假人頭部和頸部受到的傷害；

安全帶良好的預(yù)緊和限力功能，可以迅速將假人拉住，保持假人坐姿，匹配良好的安全帶與安全氣囊可以充分降低乘員的傷害，達(dá)到乘員保護(hù)的目的。

小偏置碰撞對車輛前端結(jié)構(gòu)是一個(gè)很大的考驗(yàn)，假人下肢部位的保護(hù)也是小偏置試驗(yàn)中需要重點(diǎn)對待的地方，改進(jìn)車身前端結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)車身A柱，最大程度的保證駕駛艙生存空間，有利于提高小偏置碰撞試驗(yàn)的假人傷害評級。

在有必要的情況下，比如假人頭頸胸部傷害指標(biāo)余量充分的前提下，可以適當(dāng)考慮縮短安全帶預(yù)緊時(shí)間，增加安全帶限力，犧牲掉部分假人頭頸胸部傷害指標(biāo)，讓假人更加快速的與座椅保持相對位置關(guān)系，避免假人下肢部位與儀表板發(fā)生過多的剛性接觸，從而保護(hù)假人下肢部位。

隨著“中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)測評規(guī)程”（C-IASI）的發(fā)布，小偏置碰撞將成為熱點(diǎn)，這也將對中國汽車行業(yè)帶來更大的挑戰(zhàn)，對國產(chǎn)汽車的安全性能提出更高的要求。

參考文獻(xiàn)：

Small Overlap Frontal Crashworthiness Evaluation Rating Protocol （Version III） ，Rating Guidelines for Restraints and Dummy Kinematics， Injury Measures， and Vehicle Structural Performance Weighting Principles for Overall Rating ，May 2014，http//：highwaysafety.org

Crash Analysis Criteria Description Version 2.1.1 [S].

SAE J 211-1，Instrumentation for Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation[S].

陳可明，楊偉，喬鑫等.車輛小偏置正面碰撞分析 [C]//第十五屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集，中國，蕪湖，2012： 178-182.CHEN Keming， YANG Wei， QIAO Xin， et al. Vehiclesmall overlap frontal impact analysis [C]// 15th Conf ofAutomotive Safety Technology， Wuhu， China， 2012： 178-182.（in Chinese）.