C-IASI對汽車設計的影響

劉果

【摘 ?要】2017年中國汽車工程研究院與中保研汽車技術研究院聯合發布中國保險汽車安全指數（C-IASI）規程2017版。C-IASI融合了國際先進經驗并結合中國汽車保險與車輛安全技術現狀，是目前國內對汽車安全技術要求最嚴苛的測試評價體系。C-IASI包含耐撞性與維修經濟性、車內乘員安全、車外行人安全、車輛輔助安全四項指數。本文將淺析C-IASI對汽車設計的影響。

【關鍵詞】C-IASI;耐撞性與維修經濟性;車內乘員安全;車外行人安全;車輛輔助安全;汽車設計

Abstract：China Automotive Engineering Research Institute released the China Insurance Automotive Safety Index（C-IASI）Program（2017）with China institute of automotive technology in 2017.C-IASI integrates advanced international experience and the current situation of automobile insurance and vehicle safety technology in China，and it’s the most stringent test and evaluation system for automobile safety technology in China.The C-IASI includes four indexes：Damageability and Repairability，Vehicle occupant safety，Pedestrian safety，Vehicle Assistant Safety.This paper will analyze the influence of C-IASI on vehicle design.

Keywords：C-IASI;Damageability and Repairability;Vehicle occupant safety;Pedestrian safety;Vehicle Assistant Safety;Vehicle design

1前言

自1956年新中國第一輛汽車誕生到2018年全國汽車保有量超2.3億輛，我國汽車制造產業經歷了急速發展的62年。與之對應的是車輛安全法規研究相對滯后，1999年我國推出實施了“關于正面碰撞乘員保護的設計規則”（CMVDR294）[1];2006年由國內檢測機構參考國際汽車行業的碰撞安全法規推出了非強制性標準—C-NCAP碰撞評價體系，至此國內各大主機廠開始加大汽車安全性的投資力度。2017年由中國汽車工程研究院與中保研汽車技術研究院聯合發布了中國保險汽車安全指數（簡稱C-IASI）2017版，C-IASI充分融合了國際先進經驗并結合中國汽車安全技術現狀，是目前國內對汽車各項安全技術要求最嚴苛的測試評價體系。更嚴格的法規意味著更高標準要求，必然對現有汽車安全設計產生深遠的影響。

2 耐撞性與維修經濟性指數

耐撞性與維修經濟性指數引用RCAR低速結構碰撞測試規程2.2版和RCAR保險杠測試規程2.0版中的條款，開展車輛低速結構測試以及車輛保險杠測試。車輛低速結構測試分為車輛低速結構正面碰撞試驗和車輛低速結構追尾碰撞試驗。車輛保險杠測試分為靜態測量碰撞測量（車輛100%重疊撞擊壁障）目前作為監測項執行。

2.1車輛低速結構測試

在低速結構測試中，正面碰撞車輛用15km/h速度以車輛40%寬度處撞擊10°剛性壁障（見圖1上），在追尾碰撞中質量為1400±5kg的移動壁障以10°撞擊車輛尾部40%寬度處[2]（見圖1下）

2.2 耐撞性與維修經濟性指數對汽車設計的影響

在耐撞性評價中主要考察碰撞后車輛閉合件間隙，以及底盤結構變形（見圖2）。在車輛維修經濟性評價中，車輛維修經濟性性能評價公式：維修費用/廠商指導價[2]。

維修費用越低則得分越高，因此讓車輛保險杠、防撞梁及吸能盒在低速碰撞中起到充分的吸能作用，使縱梁以及車身部分不被損壞，是最合理的設計思路，在總體布置及造型階段需要把握以下原則[3];

①安全氣囊在所有的低速實驗中都不起爆;

②設計螺栓連接的可充分吸收碰撞能量的吸能盒結構;

③水箱框架設計成活裝結構，方便拆換;

④后備箱門以及尾燈設計合理的高度，避免碰撞中損壞;

⑤合理設計前分縫線，以免低速碰撞中損壞發動機罩蓋;

⑥保險杠與翼子板避免剛性連接，合理設計二者分縫線;

在車身設計時要增加前、后防撞橫梁的有效寬度及有效高度，增加接觸面積使其有效寬度大于車聲寬度的85%;防撞梁有效高度與壁障的重疊率應大于75%，盡量使前、后防撞梁中心線高度與壁障保持一致，在碰撞時能充分保護后端零件及覆蓋件，使碰撞能量均勻分散至防撞梁，避免外覆蓋件受力變形。

防撞梁前、后部設計足夠長度及大截面的吸能盒結構，并合理匹配吸能盒與縱梁前后部的剛度，在低速碰撞時能充分吸收碰撞能量，保證縱梁前后端不發生塑性變形。在前后碰撞區范圍的高價值零部件計足夠的空間，如水箱前預留空間要大，避免將喇叭等零件設計在水箱之前，防止碰撞能量由臨近部件傳遞至水箱導致水箱損壞。后部排氣管道（針對燃油車）設計隱藏在防撞梁后面，以免碰撞損壞。

3 車內乘員安全指數

車內乘員安全指數包括正面25%偏置碰撞試驗規程、側面碰撞試驗規程、車頂強度試驗規程、座椅/頭枕靜態試驗規程、座椅/頭枕動態試驗規程、前排假人及座椅調節規程、后排外側假人及座椅調節規程。本節將從正面25%偏置碰撞試驗來淺析車內乘員安全指數對汽車設計的影響。

3.1 正面25%偏置碰撞試驗

正面25%偏置碰撞試驗中車輛以64.4km/h±1km/h 的速度、25%±1%的重疊率（駕駛員側）正面撞擊固定剛性壁障（見圖3）。試驗車輛駕駛員位置放置一個Hybrid III 50%假人，用于測量碰撞過程中駕駛員的損傷情況[4]。正面25%偏置碰是目前世界上最嚴苛的碰撞工況之一，其目的是重現和評估車輛前角撞到另一輛車、樹木以及電線桿之類的物體時，車身機構減速吸能性能以及對車內乘員的保護情況。

3.2正面25%偏置碰撞試驗對汽車設計的影響

在正面25%偏置碰實驗中，碰撞侵入量測量值評估中，所有測量點被分為乘員艙下部和乘員艙上部兩個區域，對乘員艙下部和乘員艙上部分別進行評級。

正面25%偏置碰撞實驗中乘員的傷害主要來自車身結構侵入的傷害，法規主要通過加速度值和各侵入量來衡量整車安全性（見圖4），因此在車輛設計中應遵循以下原則：

①前端框架縱梁結構與壁障重疊盡量大，使其能有效降低車輛的速度;

② 前部懸架和驅動部件無嚴重的失效，例如控制臂、轉向節、驅動軸、轉向機和車輪;

③ 輪胎不能侵入“鉸鏈柱”，A柱和門檻不潰縮變形;

④ A柱和門檻的不能產生較大變形，防止防火墻、轉向管柱方向盤侵入乘員艙;

對于正面25%偏置碰撞其耐撞性能設計主要著重能量的傳遞與吸收，偏置碰中碰撞力的主要傳遞路徑是沿著與ODB重合的保險杠、吸能盒和前縱梁往后面的車架傳遞[5]，在車輛與ODB只有25%重疊率的工況下車輛前端吸能結構不能有效降低車速，導致碰撞能量傳遞至后方乘員艙，對車內乘員造成較大傷害。因此必須構建更加完善的能量傳遞路徑，加強吸能結構。比如設計時增加前防撞橫梁的寬度，在防撞橫梁的外側增加斜面支撐，使之與縱梁形成三角結構，或在防撞橫梁的外側增加“碰撞塊”，使結構在縱向與壁障串聯。

在小偏置碰撞過程中一部分能量會由輪胎向后傳遞至鉸鏈柱，如果沒有設計好能量傳遞路徑和方向就會導致輪胎侵入鉸鏈柱進而壓縮車內乘員生存空間，為此可在鉸鏈柱設計能量轉移結構。

4 車外行人安全指數

車外行人安全指數包含包含頭型沖擊試驗、柔性腿/上腿型沖擊保險杠試驗、上腿型沖擊WAD775mm試驗

其中頭型試驗包含兒童頭型試驗和成人頭型實驗，WAD1000mm到WAD2100mm和左右發動機罩側面基準線所圍起來的區域為頭型試驗區域;保險杠試驗區域（腿型試驗區）由保險杠上部基準線、保險杠下部基準線和保險杠角組成[6]。

C-IASI目前將上腿型沖擊WAD775mm試驗作為監測項，本節將從頭型實驗和柔性腿沖擊保險杠試驗分析其對汽車設計的影響。

4.1 頭型實驗

頭型試驗采用兒童/成人頭型以11.1m/s±0.2 m/s的速度沖擊車輛發動機罩等車輛前部結構，測量頭部傷害指標，評價指標為HIC15。由于作為廣泛評價頭部損傷指標的HIC值，在計算時只考慮加速度和作用時間因此在頭型試驗區域設計時應遵循以下原則;

①頭型實驗區域內的兩側翼子板剛度不宜過大;

②發動機罩蓋試驗區域下面要有足夠變形吸能空間，發動機罩蓋剛度要適中;

③前圍上部剛度不宜過大;

④雨刮總成安裝結構強度適中;

車輛兩側翼子板上部頭型試驗區域部分應設計足夠的變形空間且剛度不宜過大，以減小試驗時頭型加速度。發動機罩蓋剛度設計不能過大，可采用雙層結構，在夾層之間合理運用減震膠，在頭部碰撞發動機罩蓋過程中機罩機構對頭部加速度的影響通過應力波傳遞[7]，減震膠的合理運用可以有效減小加速度波形的幅值。同時罩蓋下面要設計足夠空間，如因發動機布置及總體設計所限，可使用主動式發動機罩，在碰撞過程中主動抬高發罩，以減小對行人頭部的傷害。

同時針對發動機艙內不同的布置方式可采取對發動機罩蓋筋板進行非對稱設計[8]，在下端吸能空間適宜且較為固定的區域采用長肋板形狀的內罩板結構（如發動機上端較為平整面積較大區域）;在吸能空間充裕的區域采用內罩板結構空缺的結構形式（如發動機周圍區域）;在吸能空間不充足的區域采用筋板交叉結構設計。罩蓋筋板的非對稱設計可以有效減小頭型撞擊時的HIC值。

4.2 柔性腿型實驗

柔性腿型實驗中，采用FLEX-PLI 柔性腿型以11.1m/s±0.2 m/s 速度沖擊車輛前保險杠，測量腿部傷害指標。在第一接觸時刻，柔性腿型的底端距地面基準平面高度為75 mm±10 mm[9]（見圖5）。

柔性腿型主要考察脛骨彎矩的得分取T1、T2、T3、T4 中最差的得分。韌帶伸長量的得分：當ACL/PCL（前/后交叉韌帶伸長量）小于限值，得分根據MCL（內側副韌帶伸長量）的限值進行評分，高低性能值見表1。在針對柔性腿型設計時要注意以下要點;

①在柔性腿型測試區域相關組件硬度降低;

②保險杠與前防撞橫梁之間要預留足夠空間;

③在腿型脛骨碰撞接觸區域的蒙皮格柵后面要有均勻吸能承載件;

④在膝蓋韌帶碰撞接觸區域的蒙皮格柵的外表面要連貫無突變;

碰撞中影響行人腿型的車輛前端裝置包括：前保險杠、前大燈、前橫梁及吸能裝置、下支撐、發動機罩等。對小腿傷害影響最大的是前橫梁吸能裝置和下支撐，吸能裝置位于防撞橫梁前端，主要作用是吸收腿型撞擊的能量同時會影響腿型姿態，下支撐位于橫梁下段，安裝在水箱下橫梁前段，其作用是影響腿型運動姿態[10]。

膝部韌帶伸長量與膝部上部與下部相對運動有關，在設計車輛前部結構時在車輛碰撞點中間格柵位置應適當降低吸能承載件剛度，增加膝關節下部侵入量來減小膝部韌帶拉伸量。在車輛兩側前大燈測試區域，應降低大燈安裝點剛度，使膝關節上部有一定侵入量以改善膝部韌帶拉伸量。

車輛前端與脛骨接觸位置結構剛度對筋骨彎矩值影響較大，設計時要采用低密度前保險杠泡沫或低硬度塑料吸能件，避免因剛度過大導致彎矩超標[11]。

5 車輛輔助安全指數對汽車設計的影響

自動緊急制動系統為車輛輔助安全指數的一個試驗工況，試驗規程引用IIHS 中“Autonomous Emergency Braking Test Protocol.Version 1”（2013 版）編制。試驗工況分為FCW 功能測試和AEB 功能測試，FCW 功能測試包含72km/h±1.6km/h 的速度對靜止目標車、低速目標車和減速目標車的測試工況;AEB 功能測試包含20km/h±1km/h 和40km/h±1km/h 對靜止目標車的測試工況，采集目標車車速、主車車速、兩車橫向距離、兩車縱向距離、橫擺角速度、FCW 報警時刻等數據[12]。

自動緊急制動系統（AEB）技術能有效預防因為車輛最追尾而造成的交通事故，是車輛主動安全領域的熱點技術。AEB系統利用傳感器感知車輛環境信息，結合本車運動狀態，判斷危險程度。當車輛存在碰撞風險時，AEB可以及時給予駕駛員提醒。緊急情況下AEB能主動控制車輛速度，避免碰撞或減輕碰撞的程度，從而減少事故的發生和損失。因此在車輛設計之初應該考慮配備AEB，以提高車輛主動安全性能。

6 總結

本文通過分析C-IASI的耐撞性與維修經濟性、車內乘員安全、車外行人安全、車輛輔助安全四項指數實驗規程及評價標準，反向闡述了車輛設計開發時應對方案，C-IASI作為目前國內標準要求最高的安全法規，對推動我國汽車安全技術升級有及重要的意義。更嚴苛的法規要求對應更先進的設計方法和更高的安全設計標準，將直接影響汽車安全各方面的設計。

參考文獻：（Reference）

[1]朱西產.（2001）.實車碰撞試驗法規的現狀和發展趨勢.汽車技術（4）.

[2]中國保險汽車安全指數規程，第1部分：耐撞性與維修經濟性指數（2017版）

[3]Rcar Design Guide[R].Version 1.1 Rcar，August 2008

[4]中國保險汽車安全指數規程，第2部分：車內乘員安全指數 正面25%偏置碰撞試驗規程（2017版）

[5]黃政平.（2011）.汽車正面偏置碰撞安全性研究.（Doctoral dissertation，湖南大學）.

[6]彭坤.（2019）.基于中日歐新車評價規程的行人保護試驗差異對比.中國汽車工程研究院

[7]張軼川，朱西產，& 苗強.（2010）.發動機罩減震膠的行人保護作用分析.汽車工程（4），293-298.

[8]李景濤，劉衛國，張金換，& 趙福全.（2013）.有利于行人保護的非對稱式發動機罩蓋的設計.汽車安全與節能學報，4（2），142-151.

[9]中國保險汽車安全指數規程，第3部分：車外行人安全指數 行人保護試驗規程（2017版）

[10]呂鋮瑋，楊海燕，呂曉江，周大永，& 劉衛國.（2013）.行人保護柔性腿型碰撞的車輛前端結構優化設計.汽車安全與節能學報（3），266-272.

[11]劉衛國，呂曉江，谷先廣，盧冬梅，周大永，& 孫立志.（2015）.基于euro-ncap評價規程行人柔性腿型碰撞試驗.汽車安全與節能學報，6（2），128-133.

[12]中國保險汽車安全指數規程，第4部分：車輛輔助安全指數 自動緊急制動系統試驗規程（2017版