基于某車型的不同乘員性別遠端保護響應差異分析

楊明俊，卜曉兵，郭慶祥

（1.戴姆勒大中華區投資有限公司，北京100000，中國；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300，中國）

目前，汽車側面碰撞安全開發主要集中在對碰撞側駕乘人員的傷害保護，而且世界上各大主流評級機構均出臺了相應的評價規程[1-3]。然而國外有統計表明，大約30%的側面碰撞傷害是發生在遠端乘員身上，其中有43%的傷害達到了AIS3+[4]；而國內根據2011—2022 年CIDAS 數據統計，約49%的側面碰撞發生在遠端，并且約36%的傷害達到AIS3+。國內外學者針對遠端乘員保護特性也進行了許多深入的研究。其中2005 年，K.Digges 通過IIHS 碰撞工況的乘員仿真指出，改進現有MADYMO 假人模型來評估遠端碰撞環境的安全性能很有必要[5]；2014 年，Y.Narayan 通過分析NASS-CDS 中2009—2012 年的碰撞事故數據，研究了受約束的前座乘員在遠側碰撞中的碰撞特征和傷害模式，該發現對提高遠端乘員安全性有重要作用[6]；2017 年，A.M.Edwards 通過模擬仿真試驗，研究評估了充氣安全帶及肩帶固定位置等對遠端側面柱碰過程中Hybrid III 和 THOR-M 假人運動學和碰撞傷害指標的影響,結果表明充氣式安全帶有減輕乘員頸部傷害的潛力[7]；2018 年，S.Kalaga 通過對遠端乘員ES-2re 假人未系安全帶和系安全帶2 種情況的乘員運動學及傷害進行對比，指出安全帶的重要性[8]；2019年，S.Umale 通過使用THOR 50th 男性假人進行配備與未配備中央安全氣囊的滑臺對比試驗，研究了中央安全氣囊在側碰遠端乘員保護的有效性，結果表明中央安全氣囊能有效降低因接觸侵入結構而受傷的風險[9]；2021 年，C.Visvikis 通過使用Q10兒童假人進行了14 次不同兒童約束裝置的滑臺試驗，研究了不同兒童約束系統在側碰遠端碰撞過程中保護兒童頭部的能力[10]；2021 年，D.Perez-Rapela 通過配備遠端安全氣囊的滑臺試驗，研究新型遠端專用安全氣囊在抑制和預防遠端碰撞傷害方面的有效性，并評估了 WorldSID 假人對遠端安全氣囊存在的反應[11]；2022 年，國內學者建立THOR 假人的滑臺仿真模型并進行了12 次不同環境設置的仿真試驗，分析了碰撞角度、碰撞速度和D 形環位置對遠端碰撞過程中乘員胸部損傷的影響[12]?？梢钥闯觯壳暗难芯恐袑ε猿藛T的考慮鮮有提及。而隨著汽車的普及，國內的女性駕駛員占比逐年增加，根據公安部交通管理局數據可知，2020 年達到了約32%,這意味著男性與女性駕駛員的比例接近2：1。因此覆蓋不同性別的遠端乘員安全措施應該得到開發者及相應機構的重視。

2020 年，歐盟新車認證程序中心（European New Car Assessment Program，Euro NCAP）[2]正式引入了遠端乘員保護并應用側面滑臺試驗評估前排乘員的傷害，其中評估對象僅為全球側碰50 百分位（WorldSID 50th）男性乘員；中國新車評價規程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）2021 年版[3]的側面可移動變形壁障（advanced european mobile deformable barrier，AE-MDB ）工況中引入了非撞擊側的遠端傷害監控，采用EuroSID-2 50 百分位（ES-2 50th）男性乘員進行評估，但目前規程只做為監測項還沒有詳細的評分細則。顯然以上主流的消費者評級機構在遠端乘員保護上均未對女性乘員有相應的要求。由于男性與女性生理構造及乘坐姿態等存在差異，針對不同性別乘員在遠端乘員保護工況下響應差異性開展研究很有必要，對促使更全面地考慮碰撞過程中不同類別的遠端乘員保護安全有重要意義。

為了深入研究側碰遠端乘員保護中不同性別乘員在碰撞過程中的響應差異，本文基于Euro NCAP 2020遠端乘員保護試驗方法，并根據側碰遠端乘員的運動及其響應原理解析，從碰撞損傷結果和碰撞響應時間2 個方面對50 百分位男性乘員（WorldSID 50th）和5 百分位女性乘員（small size side impact dummy secondgeneration,SID IIs 5th）的響應差異進行研究與分析。

1 基于Euro NCAP 2020 遠端乘員保護試驗方法

本文參考Euro NCAP 2020 遠端乘員保護試驗方法，采用滑臺方式進行試驗，如圖1 所示?；_試驗輸入波形通過提取某車型AE-MDB 側碰工況下非碰撞側B 柱加速度波形，并按轉換計算公式Ax,sled=1.035Ay,veicle進行轉換(Ax,sled為滑臺試驗x向加速度,Ay,veicle為側碰工況下非碰撞側B 柱y向加速度),使得滑臺試驗加速度波形與實車碰撞波形相當。另外,在滑臺駕駛員側分別放置WorldSID 50th 男性假人和SID IIs 5th 女性假人[13-14],分別對乘員頭部、頸部及胸腹部位進行遠端乘員保護評價[15-16]。

圖1 側碰遠端乘員保護試驗方法示意圖

側碰滑臺試驗的環境件配置如圖2 所示，包括帶頭枕的前排座椅、中控臺扶手、目標乘員及預緊式安全帶[17]等?；_準備過程中對某量產車型車身進行加固，按規程要求在副駕駛乘員座椅與中控臺和B 柱之間填充泡沫，使座椅在滑臺試驗過程中保持穩定。

圖2 基于Euro NCAP 2020 遠端乘員保護滑臺試驗設置

滑臺試驗中選取AE-MDB 側碰試驗工況非碰撞側的B 柱波形(如圖3 所示)作為滑臺的目標加速度，通過液壓閥控制輸出則可得到滑臺的響應加速度。

圖3 滑臺試驗加速度波形

2 側碰遠端乘員保護響應原理解析及試驗矩陣

2.1 側碰遠端乘員保護響應原理解析

在汽車發生側碰時候，遠端乘員并未直接受到碰撞接觸力。由于三點式安全帶主要約束乘員軀干的縱向運動，對于乘員側向的約束力相對較小。因此，假定乘員的運動為各部位在慣性力作用下圍繞骨盆質心P的側傾運動，如圖4 所示。由于座椅腰托，中控臺扶手等對乘員的限制，乘員運動過程中軀干的運動會逐漸被約束，而頭頸部則會繼續發生旋轉直至反彈[18-20]。

圖4 側碰遠端乘員運動模型

圖4 中P點為乘員骨盆質心位置；C點為乘員胸部質心位置；αc為上軀干角度；N為下頸部質心位置；H為頭部質心位置；αh為頭部轉角；Lc為胸部質心到下頸部質心距離；Ln為頸部到頭部質心距離。

由剛體運動學原理和矩陣乘法原理可得乘員頸部質心點N相對胸部質心點C的運動方程如式(1)和式(2)所示：

同理可得乘員頭部質心點H相對頸部質心點N運動方程如式(3)和式(4)所示：

根據乘員的受力分析矩陣模型有：

其中，mh為乘員頭部質量；Fy為乘員頸部施加給頭部的y方向的力，即剪切力；Fz為頸部施加給頭部的z方向的力，即拉伸力；Jh為頭部質心轉動慣量；Mocx為枕骨骨節施加給頭部的繞x軸力矩；Mocy為枕骨骨節施加給頭部的繞y軸力矩；為頭部角加速度；dy為枕骨骨節至頭部y方向距離；dz為枕骨骨節至頭部z方向距離。

從上面公式可以看出，側面碰撞過程中影響遠端乘員各部位響應的因素不僅與碰撞車輛在側向的加速度有關，還與乘員自身各部位的體型尺寸、質量、轉動慣量以及相對中央扶手的相對位置有關。

2.2 WorldSID 50th 男性乘員與SID IIs 5th 女性乘員試驗矩陣

目前最具代表性以及使用較廣的側碰假人為WorldSID 50th 男性假人和SID IIs 5th 女性假人，因此分別在主駕駛位置放置此2 種類別假人代表不同性別乘員進行試驗對比研究。

根據Euro NCAP 2020 遠端乘員保護規程以及美國公路安全保險協會（Insurance Institute for Highway Safety,IIHS）側碰假人擺放要求，WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員在前排乘坐時的基準座椅位置分別為P1和P4，如圖5 所示。為了更好地發現不同類別乘員在側碰遠端試驗中規律性的差異表現，在基準位置進行小距離調整座椅位置并進行多次試驗，以此對比不同位置下不同性別乘員的試驗結果，分析不同乘員之間的響應差異。

圖5 WorldSID 50th 男性和SID IIs 5th 女性乘員座椅位置

本文試驗包含3 次WorldSID 50th 男性乘員滑臺試驗和2 次SID IIs 5th 女性乘員滑臺試驗。根據假人標定要求，試驗前對WorldSID 50th 男性側碰撞假人按照ISO 15830 和WG5 N1041 的規范進行準備及標定，SID IIs 5th 女假人按照CFR 572 中V 部分的規定進行標定，以保證試驗結果可靠性。遠端乘員保護試驗矩陣的座椅設置及實際滑臺試驗過程中非碰撞側B 柱y向碰撞加速度如表1 所示。

表1 遠端乘員保護試驗矩陣

WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員在試驗中的乘坐姿態及各個關鍵關節測量尺寸對比如圖6所示。可以看出，相較于男性乘員，女性乘員姿態特點為：坐姿靠前，乘員軀干角度較小，頸部較修長而腰椎較短。

圖6 WorldSID 50th 男性和SID IIs 5th 女性乘員乘坐姿態

3 側碰遠端乘員保護運動姿態對比分析

在試驗中由于WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th女性乘員的乘坐姿態及各個關鍵關節尺寸存在差異，因此側面碰撞過程中不同性別的遠端乘員運動姿態響應有所區別。

3.1 遠端乘員y 向運動姿態對比

將某款車型5 次滑臺試驗中不同乘員在0、60、130 ms 時刻的y向運動姿態（如圖7 所示）進行對比分析，可以得到如下規律及差異：

1）對于乘員運動初期，相同時間內SID IIs 5th 女性乘員比WorldSID 50th 男性乘員偏轉位移較大，如圖7b 所示。

2）由于頸部結構差異，SID IIs 5th 女性乘員比WorldSID 50th 男性乘員最大頭部轉角要小，先到達頭頸部的轉動極限位置，如圖7c 所示。

圖7 遠端乘員y 向運動姿態對比

3）WorldSID 50th男性乘員比SID IIs 5th女性乘員更早地脫離安全帶對上軀干的約束，這對于限制WorldSID 50th 男性乘員y向位移更不利。

3.2 遠端乘員x 向運動姿態對比

對不同乘員分別在0、140、200 ms 時刻的x向運動姿態（如圖8 所示）進行對比分析，可得到如下規律及差異：

圖8 遠端乘員x 向運動姿態對比

1）對于頭頸部姿態，SID IIs 5th 女性乘員在到達頭頸部轉角最大后，其頭部主要往x負方向運動；WorldSID 50th 男性乘員則相反，頭部主要往x正方向運動。

2）對于軀干與手臂姿態，SID IIs 5th 女性乘員的安全帶有從肩膀上滑脫趨勢，但依然對乘員軀干有約束作用，且乘員手臂大體往x正方向運動；WorldSID 50th 男性乘員的安全帶完全從肩膀上滑脫，安全帶對上軀干約束削弱，且安全帶干涉乘員手臂運動，導致其手臂往x負方向運動。

4 側碰遠端乘員保護損傷對比分析

目前Euro NCAP 2020 遠端乘員保護試驗及評價規程只規定了WorldSID 50th 男性乘員的評價指標，對于女性乘員的評價指標并未出臺，因此，本文為了分析不同類別乘員之間響應差異性的規律，對WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員采用相同的評價指標進行分析研究[21-23]。

4.1 頭部損傷對比

碰撞過程中，頭部3 ms 合成加速度是表征乘員頭部未發生直接接觸時的重要損傷指標；圖9 為WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員在不同座椅位置下的頭部3 ms 合成加速度對比，其中圖8a 為頭部損傷結果對比，9b 為頭部加速度響應過程對比，分析可知有如下規律及差異：

1）對于頭部3 ms 合成加速度（a3m）損傷結果，乘員性別之間的表現差異較小，即使乘員座椅位置小范圍移動情況下也無大變化。

2）對于頭部3 ms 合成加速度響應時間，乘員性別之間存在一定的差異。如圖9b 所示，同等的頭部3 ms 合成加速度水平，SID IIs 5th 女性乘員響應時間比WorldSID 50th 男性乘員響應時間提前約12 ms。分析原因為女性乘員體型及體重相比男性乘員要小，慣性力較小。這一特征也提示說明，在開發遠端乘員保護措施的時候，如開發遠端保護氣囊，需要綜合考慮不同乘員性別帶來的頭部運動響應時間的差異性。

圖9 頭部損傷實驗結果對比

4.2 頸部損傷對比

頸部損傷表征指標有頸部力（Fz）和頸部彎矩（M），其中頸部力分為上頸部力和下頸部力。圖10a 和圖10b分別為頸部力損傷結果及響應曲線對比。分析可知有如下規律及差異：

圖10 頸部損傷實驗結果對比

1）對于頸部力損傷結果，SID IIs 5th 女性乘員上下頸部力均比WorldSID 50th 男性乘員的要小，其中女性乘員上頸部力比男性乘員平均小約36%，下頸部力平均小約20%。其原因主要為女性乘員頭部質量較小。

2）對于頸部力Fz響應時間，以上頸部力響應曲線為例。女性乘員比男性乘員更快到達頸部力最大值，在約91 ms 達到最大值，而男性乘員約104 ms 達到最大值，即男性乘員頸部最大損傷的時間滯后。

WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員頸部繞x軸彎矩(Mx)的實驗結果如圖11 所示，分析可知有如下規律及差異：

圖11 頸部繞x 軸彎矩(Mx)實驗結果對比

1）對于頸部彎矩Mx損傷結果，女性乘員上下頸部彎矩損傷結果均比男性乘員平均小約24%。

2）對于Mx的響應時間，女性乘員下頸部彎矩響應時間比男性乘員響應時間提前約12 ms。

WorldSID 50th 男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員頸部繞y軸彎矩(My)實驗結果對比如圖12 所示。頸部伸展彎矩是乘員頸部最不耐受的一種彎矩。分析可知有如下規律及差異：

圖12 頸部繞y 軸彎矩(My)實驗結果對比

1）對于頸部伸展彎矩損傷結果，女性乘員上頸部彎矩損傷結果與男性乘員幾乎一致；而下頸部的損傷結果乘員類別之間差異很大，其中SID IIs 5th 女性乘員的下頸部彎矩平均為WorldSID 50th 男性乘員的2.2 倍。這主要是SID IIs 5th 女性乘員的頸部結構導致側碰過程中頸部有比較明顯的繞y軸擺動，而WorldSID 50th男性乘員擺動幅度較小。

2）對于頸部伸展彎矩（My）的響應時間,同等水平的下頸部彎矩，SID IIs 5th 女性乘員的下頸部伸展彎矩比男性乘員響應更快。

4.3 胸部損傷對比

胸部損傷指標主要是胸部上中下肋骨的壓縮變形量（ΔSc）。實驗結果如圖13 所示，可見WorldSID 50th男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員的胸部肋骨壓縮變形量基本一致，并不表現出性別差異，但男性乘員胸部損傷指標對乘員乘坐位置較敏感。

圖13 胸部損傷實驗結果對比

4.4 腹部損傷對比

腹部損傷的主要指標是腹部上下肋骨的壓縮變形量(ΔSa)。實驗結果如圖14 所示，分析可知有如下規律及差異：

圖14 腹部損傷實驗結果對比

1）對于腹部損傷結果，不同乘員性別之間腹部上下肋骨壓縮變形量有明顯區別，其中女性乘員的腹部上肋骨壓縮變形量比男性乘員平均小43%，下肋骨平均小62%。這與2 種類別乘員的體型及座椅位置與中央扶手相對位置有關，也與安全帶預緊對乘員姿態約束作用有關。

2）對于腹部損傷損傷響應時間，WorldSID 50th男性乘員和SID IIs 5th 女性乘員均在約70 ms 處達到最大峰值，響應時間一致。

5 結論

本研究對側碰遠端乘員運動及其響應原理進行了解析，并基于Euro NCAP 2020 遠端乘員保護試驗及評價規程，通過某車型5 次側碰滑臺試驗結果，對于不同性別乘員運動姿態以及男性乘員（WorldSID 50th）和女性乘員（SID IIs 5th）依據各部位評價指標得到的碰撞損傷結果和碰撞響應時間進行了對比分析。結果表明，基于某車型的不同性別乘員遠端保護響應差異呈現如下規律和趨勢。

1）以頭部3ms 合成加速度評價損傷，WorldSID 50th 男性乘員與SID IIs 5th 女性乘員響應時間相當；但SID IIs 5th 女性乘員響應時間比WorldSID 50th 男性乘員響應時間提前約12 ms。

2）以乘員頸部彎矩評價損傷，SID IIs 5th 女性乘員下頸部彎矩最大約為WorldSID 50th 男性乘員的2.2倍；SID IIs 5th 女性乘員響應時間比WorldSID 50th 男性乘員響應時間提前約12 ms。

3）以胸腹部壓縮變形量評價損傷，SID IIs 5th 女性乘員胸部肋骨壓縮變形量與WorldSID 50th 男性乘員基本一致，而腹部壓縮變形量平均比男性乘員小約50%；響應時間無差異。

通過以上分析，對基于某車型側面遠端乘員保護試驗中男性乘員（WorldSID 50th）和女性乘員（SID IIs 5th）各部位的響應差異有了深入了解，為研究不同性別乘員在側碰遠端保護中的響應提供了基礎數據,為未來深入開發側碰遠端乘員保護方案提供了一定的的技術支持。