車輛斜角碰撞中不同百分位假人傷害對比研究

武永強，張愛法，婁 磊

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

前言

斜角碰撞是道路交通事故中最常見、發生率極高的碰撞類型之一，如圖1所示。根據有關數據統計結果，正面碰撞交通事故中約80 %為斜角碰撞［1-2］，但針對車輛的正面碰撞工況，研究人員更多地是關注碰撞的重疊率，卻很少考慮碰撞角度。同時，汽車碰撞安全領域內現有的標準主要是針對汽車以保護50th假人為開發基準而制定，對5th假人和95th假人的保護重視程度明顯不足；而50th假人是基于20世紀70年代的“歐美人體”體征開發的，經過近50年的發展，“歐美人體”體征本身也發生了變化，且其無論是外在特征還是內在特性方面均與“中國人體”體征存有較大差異，即對于主要以50th假人為保護對象進行開發設計的車輛能否最優、最大范圍地保護我國駕乘人員的乘車安全仍值得商榷。由此可見，深入探究斜角碰撞工況中不同百分位假人的損傷特性對于完善我國汽車碰撞安全標準法規，進一步減少道路交通事故中的乘員傷亡具有非常重要的參考價值和實際意義。

圖1 交通事故現場圖

目前，汽車碰撞安全領域內涉及到斜角碰撞的標準以及針對斜角碰撞工況的研究還不多。GB 11552—2009《乘用車內部凸出物》中涉及到帶有一定角度的碰撞試驗驗證方法［3］，但它只是驗證碰撞過程中假人頭部是否會接觸到儀表板等內飾件，并未考量假人頭部傷害值以及假人其它部位損傷，即現行標準中的測評方法能否最優地保護駕乘人員的乘車安全有待進一步研究；蘭州交通大學牛衛中等［4］通過有限元模型仿真研究了某SUV在小重疊正面多個斜角碰撞工況中車體耐撞性的影響因素，得出碰撞角度約為15°時，車體的耐撞性最差；Rudd等［5］對安全帶參數在30°碰撞中對駕駛員胸部、臀部損傷的影響展開了研究；James等［6］對正面斜角碰撞中乘員損傷進行了分析，發現安全氣囊對乘員的保護效果較差；曹立波等［7-10］主要是通過有限元模型仿真模擬了車與車發生斜角碰撞的情況，結果驗證了在斜角碰撞工況中，假人損傷不容忽視。綜上，雖然有關車輛斜角碰撞的標準和研究還不多，但均驗證了斜角碰撞是一種比較危險的碰撞類型；且現有的少量研究均主要是通過仿真的手段進行模擬分析，缺乏真實的試驗數據支撐。

為進一步探究車輛斜角碰撞事故中駕駛員的損傷特性，通過搭建18°斜角碰撞工況試驗平臺，復現了斜角碰撞事故場景，并以試驗對比為基礎，建立了3種工況試驗方法，通過15個車型、69次試驗數據對比分析斜角碰撞工況中5th假人、50th假人和95th假人各部位的傷害情況。

1 斜角碰撞工況試驗平臺的搭建與試驗方法簡述

依托日本三菱重工生產的液壓伺服加速式汽車模擬碰撞裝置，搭建了18°斜角碰撞工況試驗平臺，復現了斜角碰撞事故場景，試驗平臺俯視示意圖如圖2所示。

圖2 18°斜角碰撞工況試驗平臺俯視示意圖

18°斜角碰撞工況試驗平臺主要由加速式模擬碰撞裝置液壓系統、滑車、試驗臺架3大部分組成。其中試驗臺架的搭建是最為關鍵的一環，根據斜角碰撞事故類型特點、加速式汽車模擬碰撞裝置的工作原理以及滑車的結構特征，本文中設計并制造了一種專用的試驗臺架，其固定底板上帶有與縱向中心線呈18°夾角且按照矩陣排列的螺孔。通過該試驗臺架便可實現車輛18°斜角碰撞效果，試驗臺架結構俯視示意圖如圖3所示。

圖3 試驗臺架結構俯視示意圖

試驗時，首先把裝有風窗玻璃、儀表板、轉向盤、氣囊和安全帶等約束系統及其它內飾等部件的白車身通過焊接的方式水平地固定在試驗臺架上；其次將臺架上的18°斜角螺孔調至與碰撞方向平行，且與滑車臺面上的螺孔一一對應，通過螺栓連接將試驗臺架固定在滑車上；然后將5th假人、50th假人和95th假人分別安置于駕駛員位置，并將假人調至正常駕駛姿態；接著將假人各部位的傳感器與滑車上的數據采集系統相連，用于采集碰撞試驗后假人各部位的傷害值；最后通過對試驗后3種假人各部位的損傷數據進行統計分析，對比研究18°斜角碰撞工況中不同百分位假人的損傷特性及其關聯關系。因此，基于搭建的18°斜角碰撞工況試驗平臺，建立了3種工況試驗方法，如表1所示。

表1 3種工況試驗方法

假人傷害是直接表征汽車安全性能優劣的重要參考依據之一。參照中國新車評價規程（China new car assessment program，C?NCAP）以及汽車正面碰撞的相關標準和研究，以假人的頭部3 ms合成加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度和大腿力等參數分別來表征碰撞過程中駕乘人員的頭頸部、胸腹部和腿部等部位的傷害情況。

為準確表征出不同百分位假人的損傷特性及差異，對3種工況分別進行了多次試驗，并以同一工況中同一損傷參數的所有試驗結果的平均值來表征假人各部位的損傷情況。同時，為更直觀地對比3種假人的損傷差異，本文中將各部位損傷參數的試驗結果按從小到大順序依次排列。

2 不同百分位假人運動對比分析

假人在碰撞過程中的運動特征與損傷特性之間有密不可分的聯系。本文以某一車型的3種工況試驗為例，從運動學的角度簡要對比分析18°斜角碰撞過程中5th假人、50th假人和95th假人的運動特征。為直觀地分析假人的運動特征，結合試驗錄像，并截取其中3種假人在碰撞過程中幾處關鍵時刻的運動姿態，如圖4～圖6所示。

圖4 5th假人不同時刻的運動姿態

圖5 50th假人不同時刻的運動姿態

圖6 95th假人不同時刻的運動姿態

其中（a）表示碰撞發生前一瞬間的假人狀態；（b）表示假人與氣囊開始接觸時刻的假人狀態；（c）表示氣囊完全展開時刻的假人狀態；（d）表示開始反彈時刻的假人狀態。

由圖4~圖6可知，在碰撞前一瞬間，5th假人由于身材較小，試驗時一般將座椅調至最高最前位置，即假人離轉向盤和儀表板等內飾件距離最近；同理，50th假人和95th假人試驗時，座椅分別處在中間和最后最下的位置，即假人離轉向盤和儀表板等內飾件的距離也越遠。發生碰撞后，車身受到阻力急劇做減速運動，而假人由于慣性繼續向前，與車身發生相對運動，最初由于受到安全帶的作用，主要表現為假人的頭部會快速向前，身體發生前傾；在進行到20 ms時，安全氣囊已展開并與5th假人的胸部開始接觸，而50th假人和95th假人的胸部與氣囊接觸的時刻略有延遲，分別發生在碰撞后30和45 ms時刻，這主要是由于假人起始位置離轉向盤較遠造成的。隨著碰撞過程的進行，氣囊逐漸完全展開，5th假人的胸部在此過程中已經與轉向盤的下緣發生了擠壓，導致5th假人的胸部發生較大壓潰；而50th假人和95th假人由于距離轉向盤較遠，且在氣囊和安全帶共同約束的作用下，假人的胸部離轉向盤的下緣還有一段距離。同時，圖中還可以看出，5th假人和50th假人的膝部與儀表板雖然已經接觸，但小腿與大腿間的角度還呈鈍角，并未發生劇烈的撞擊，這也是由于斜角碰撞過程中，假人的右腿先與儀表板發生了撞擊，消耗了大部分能量，表現為左大腿力小于右大腿力；而此時95th假人的左腿膝部已經完全接觸到儀表板，且已被完全卡死。隨后氣囊開始慢慢泄氣，假人由于慣性繼續向前運動直至最前位置。從不同百分位假人的運動對比中可以發現，這個過程中假人的頭部相對于胸部發生了較大的彎曲，即假人的頭部出現了明顯的點頭運動，造成頸部彎矩明顯增大，主要是由于在安全帶和氣囊的共同約束下，假人的胸部運動逐漸趨緩并停止向前運動，尤其是身材較小的5th假人的胸部已經完全被轉向盤阻擋并擠壓，造成5th假人的胸部壓縮量最大；此后假人開始反彈。

3 不同百分位假人傷害結果對比分析

結合假人在斜角碰撞過程中的運動特征，以50th假人各部位的傷害結果為基準，對比分析18°斜角碰撞工況中5th、50th和95th3種假人的頭部3 ms合成加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度和腿部力等傷害指標及其關聯關系。

3.1 假人頭部3 ms合成加速度對比分析

假人頭部3 ms合成加速度是表征駕駛員頭部傷害程度的主要指標之一，試驗結果如圖7和圖8所示。

圖7 假人頭部3 ms合成加速度

圖8 不同百分位假人頭部3 ms合成加速度平均值

由圖7可以看出，5th假人頭部3 ms合成加速度最大，50th假人最小。圖8更加直觀地展現了3種假人頭部3 ms合成加速度的平均差異情況，分別為59.03g、52.62g和55.78g；相比于50th假人，5th假人和95th假人的頭部3 ms合成加速度分別高出12.2%和6.0%，表明在18°斜角碰撞工況中，50th假人頭部受到損傷風險較小。這是由于目前在汽車安全性能開發過程中均是以最優保護50th假人為目標進行匹配設計，尤其是針對致死率最高的頭部做了更多的防護措施。其中，氣囊和安全帶等約束系統部件間的相互匹配效果對于駕駛員頭部的保護發揮了極其重要的作用，這也是50th假人頭部在碰撞過程中的表現好于5th假人和95th假人的主要原因之一。從試驗結果中還得出，5th假人和95th假人頭部3 ms合成加速度數值雖然高于50th假人，但損傷程度相差不大，這主要是由于氣囊和安全帶沒有達到最優的匹配效果造成的，后期可以通過優化氣囊和安全帶的匹配參數達到對5th假人和95th假人的最佳保護。

3.2 假人頸部彎矩My對比分析

頸部彎矩My是表征碰撞過程中駕駛員頸部損傷程度的主要指標之一，試驗結果如圖9和圖10所示。

圖9 假人頸部彎矩My

圖10 不同百分位假人頸部彎矩My平均值

由圖9和圖10可知：5th假人頸部彎矩My最小，50th假人最大，3種假人頸部彎矩My的平均值分別為28.63、41.83和36.58 N·m。相比于50th假人，5th假人和95th假人的頸部彎矩My分別降低了31.6 %和12.6%，這表明3種假人在18°斜角碰撞工況下，5th假人頸部受到損傷風險較小。這是由于在碰撞瞬間，車輛速度驟然降低，安全帶和氣囊等約束系統收到信號后開始起效，將假人軀干緊緊地束縛在座椅上，而假人由于慣性作用持續向前運動，受安全帶對胸部的約束作用，頭部相對胸部向前運動，頸部彎矩My在預緊階段負向逐漸增大；隨后假人頭部與氣囊接觸，氣囊向后方施力，緩沖了假人頭部運動，而胸部繼續向前運動，造成頭部相對胸部發生向后向上旋轉，致使頸部彎矩My負向增大明顯；隨著氣囊泄氣，頭部與胸部相對位移減小，趨于平衡，頸部彎矩My由負向逐漸變為正向增加，直至假人回彈結束。而5th假人身材較小，試驗中座椅需調至最前最上的位置，致使假人頭部和胸部距離轉向盤最近，在發生碰撞的過程中，5th假人頭部與氣囊接觸最早，向前的沖擊并不大，同時由于安全帶對其有效保護，造成頭部與軀干運動受阻，即阻止了頭部與軀干發生較大彎曲。

3.3 假人胸部壓縮量對比分析

胸部壓縮量是評價駕駛員胸部損傷程度的重要參考指標之一，試驗結果如圖11和圖12所示。

圖11 假人胸部壓縮量

圖12 不同百分位假人胸部壓縮量平均值

從圖11和圖12可以看出：5th假人胸部壓縮量最大，50th假人和95th假人基本相同，3種假人的胸部壓縮量平均值分別為45.92、34.24和34.81 mm。相比于50th假人，5th假人和95th假人胸部壓縮量分別高34.1%和1.6%；從圖11中還可以得出，5th假人胸部壓縮量波動范圍最大；表明在18°碰撞工況試驗中，5th假人胸部受到損傷風險最大。這是由于5th假人身材較小，在碰撞初期，腰部安全帶緊緊將乘員束縛在座椅上，極大限制了假人軀干的運動；但假人由于慣性，快速向前運動，造成胸部相對脊椎產生較大運動，隨著碰撞過程進行，較小的5th假人的胸部最早與轉向盤發生接觸，隨后由于轉向盤的反向擠壓，造成胸部壓縮量增加更為明顯。而50th假人和95th假人胸部壓縮量試驗結果基本相同，只是95th假人的胸部壓縮量曲線比50th假人延遲，這是由于胸部受到阻礙產生較大的壓縮變形，而95th假人較大，試驗時坐姿位置相對靠后，胸部與轉向盤間的距離較大，即發生較大壓縮的時刻相對靠后。

3.4 假人骨盆合成加速度對比分析

骨盆合成加速度是衡量約束系統對駕駛員骨盆保護效果的重要依據之一，試驗結果對比如圖13和圖14所示。

圖13 假人骨盆合成加速度

圖14 不同百分位假人骨盆合成加速度平均值

圖13和圖14所示的試驗結果表明：50th假人骨盆合成加速度最大，5th假人次之，95th假人最小。3種假人的骨盆合成加速度平均值分別為55.72g、67.55g和50.31g。相比于50th假人，5th假人和95th假人的骨盆合成加速度分別降低了17.5%和25.5%；表明在18°斜角碰撞中，中等身材的駕駛員骨盆受到損傷風險更大。這是由于5th假人身材較小，在碰撞初期，安全帶緊緊將乘員束縛在座椅上，極大限制了假人軀干的運動，同時對于5th假人，試驗時將座椅調至最前最上，致使假人膝部與車內飾件間距離較短，在劇烈的碰撞過程中，有限的車內空間限制了膝部的自由運動；同理，由于95th假人身材較大，也使假人的膝部運動空間受到限制，當膝部與車內飾件接觸后，反作用力增大，減緩了骨盆的沖擊，導致骨盆加速度減小。

3.5 假人大腿力對比分析

大腿力是表征駕駛員下肢在碰撞過程中受傷程度的主要指標之一，試驗結果對比如圖15～圖17所示。

圖15 假人左大腿力

從圖15～圖17可以看出：95th假人的左大腿力傷害值遠大于5th假人和50th假人；相比于50th假人，5th假人和95th假人左大腿力分別高了31.8 %和456.8%。這表明在18°碰撞工況試驗中，95th假人左大腿受到損傷風險最大；同理，相比于50th假人，5th假人和95th假人右大腿力分別降低了71.4 %和62.6%，表明在18°碰撞工況中，50th假人的右大腿受到損傷的風險最大。從圖17中還可知，50th假人的左右腿受力差別較大。一般而言，假人越大，慣性沖擊越大，而由試驗結果發現，相比于50th假人，身材更大的95th假人右大腿力反而更小，這是由于車身的縱向中心線與碰撞方向呈18°夾角，在碰撞過程中，假人會向車輛內側移動，由于95th假人質量較大，慣性較大，且腿部運動空間有限，造成左腿膝部先與汽車內飾發生二次碰撞，產生較大的撞擊力，能量發生較大程度的傳遞和消耗，大大緩沖了右腿的沖擊。

圖17 不同百分位假人大腿力平均值

4 結論

搭建了18°斜角滑臺碰撞工況試驗平臺，復現了斜角碰撞事故場景，并以試驗對比為基礎，建立了3種工況試驗方法，通過15個車型、69次試驗數據對比分析了18°斜角碰撞工況中5th假人、50th假人和95th假人各部位的運動特征和傷害情況，結論如下。

（1）通過大量的斜角碰撞試驗，驗證了斜角碰撞是一種比較危險的碰撞類型。這為完善汽車碰撞安全相關標準提供了數據支撐和技術支持，對車企在優化車型設計方面具有重要的參考價值。

（2）試驗結果顯示身材較小的駕駛員上半身受傷風險較大，身材較大的駕駛員下半身受傷風險較大。表明斜角碰撞中不同百分位駕駛員均可能會受到不同程度的傷害。

（3）18°斜角碰撞試驗中，5th假人頭部和胸部損傷指標均高于50th假人和95th假人，表明身材較小的駕駛員頭部和胸部在斜角碰撞事故中發生損傷的風險更大。

（4）18°斜角碰撞試驗中，50th假人的頸部和骨盆損傷指標均高于5th假人和95th假人，表明中等身材的駕駛員頸部和骨盆在斜角碰撞事故中發生損傷的風險較大。

（5）18°斜角碰撞試驗中，50th假人的右大腿力和95th假人的左大腿力傷害值最大，表明身材較大的駕駛員腿部受到傷害的風險更大，且中等身材的駕駛員兩條大腿受傷程度差異較大，右大腿受傷風險遠大于左大腿。