基于碰撞試驗的遠(yuǎn)端乘員保護研究

劉曉東，李君杰，崔 東，方 銳

基于碰撞試驗的遠(yuǎn)端乘員保護研究

劉曉東，李君杰，崔 東，方 銳

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

側(cè)面碰撞是一種常見的交通事故形式，碰撞近端和遠(yuǎn)端都會出現(xiàn)大量的人員傷亡。以往的研究多集中于近端碰撞側(cè)，對遠(yuǎn)端非側(cè)碰撞側(cè)的研究相對不足。Euro NCAP自2020年起將FAR- SIDE測試納入評價范圍，主要通過兩個滑臺試驗，對遠(yuǎn)端假人傷害和側(cè)向偏移進行評價。文章對FAR-SIDE測試的試驗方法和評價標(biāo)準(zhǔn)進行解析，并通過進行滑臺試驗、分析試驗中假人運動和傷害過程，對遠(yuǎn)端碰撞乘員保護進行了研究。

遠(yuǎn)端乘員保護；碰撞試驗；傷害分析

前言

汽車側(cè)面碰撞是一種發(fā)生頻率高、傷亡人數(shù)多的交通事故。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，世界上約30%的嚴(yán)重交通事故都與側(cè)面碰撞相關(guān)[1]。在我國，造成死亡和重傷的事故中，側(cè)碰事故數(shù)約占36％，側(cè)碰造成的人員傷亡也達(dá)到36％[2]。

汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)薄弱、吸能空間不足，側(cè)面碰撞給車內(nèi)乘員帶來的傷害難以控制[3]。以往的研究多集中于碰撞中的近端乘員，對遠(yuǎn)端側(cè)碰撞的研究相對較少，沒有得到足夠的重視[4-5]。長期以來，尤其在我國，汽車設(shè)計中主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、配置側(cè)面氣囊及氣簾等形式來減少側(cè)面碰撞中近端乘員遭受的傷害，為遠(yuǎn)端乘員保護設(shè)計的安全措施十分有限。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)端碰撞的死亡風(fēng)險與近端碰撞不分上下[6-7]，12歲以上前排乘員的MAIS3+級傷害，42%發(fā)生在遠(yuǎn)端碰撞中[8]。

歐洲新車安全評價協(xié)會Euro NCAP于2018年引入遠(yuǎn)端乘員保護評估規(guī)程，并于2020年正式納入評價體系。本文對Euro NCAP下FAR-SIDE測試試驗與評價方法進行解析，并按照規(guī)程進行了滑臺試驗。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，分析了FAR-SIDE碰撞中假人運動與傷害過程，以此對遠(yuǎn)端碰撞乘員保護進行研究。

1 Euro NCAP遠(yuǎn)端防護解析

1.1 FAR-SIDE測試試驗規(guī)程[9]

Euro NCAP下，F(xiàn)AR-SIDE測試主要通過兩個滑臺試驗進行評估，如圖1所示，臺車中心線與行駛方向成75°±3°。

圖1 滑臺試驗示意圖

試驗中車輛駕駛員側(cè)是非碰撞側(cè)，置放一名WorldSID 50百分位男性假人，前排副駕側(cè)是撞擊側(cè)。通過AEMDB和POLE實車中的非撞擊側(cè)B柱向加速度，放大1.035倍作為滑臺試驗加載。

圖2 偏移等級示意圖

滑臺試驗需要測量假人的“偏移量”，以評價假人向車輛被撞一側(cè)移動的程度。在白車身上標(biāo)記四條偏移線，每條線的內(nèi)側(cè)邊緣應(yīng)用作偏移限制。紅色線為最大侵入線，分別標(biāo)記了AEMDB和POLE碰撞車內(nèi)門板的最大侵入量；橙色線為撞側(cè)座椅中心線；黃色線在撞擊側(cè)座椅中心線內(nèi)側(cè)125 mm；綠色線距撞擊側(cè)座椅中心線內(nèi)側(cè)250 mm。通過固定在滑臺上的至少5臺高速攝像機，來觀測評價假人的頭部“偏移等級”，如圖2所示。此外除了滑臺試驗，對于配置了中央安全氣囊等遠(yuǎn)端碰撞保護措施的車型，還需要通過雙占位實車試驗來驗證保護措施的有效性。

1.2 FAR-SIDE評價規(guī)程

Euro NCAP下，F(xiàn)AR-SIDE規(guī)程不僅評價遠(yuǎn)端乘員的傷害水平，同時對頭部偏移量提出要求，以避免雙乘員頭頭間的接觸傷害。每項滑臺試驗的滿分為12分，得分由假人偏移等級和傷害數(shù)據(jù)共同決定。

將假人分為四個身體區(qū)域進行評估：頭部、頸部、胸腹部、骨盆和腰椎。假人的偏移等級分為綠色、黃色、橙色、紅色和封頂區(qū)（如圖2所示），偏移等級決定了每個身體區(qū)域的得分分配上限。有遠(yuǎn)端保護措施時，按表1進行得分分配，沒有遠(yuǎn)端保護措施時，按表2進行。

表1 不同偏移等級下分值分配一

極值紅橙黃綠 ≤125 mm＞125 mm 頭部002344 頸部044344 胸部000344 總分04691212

表2 不同偏移等級下分值分配二

極值紅色橙色黃色綠色 頭部00344 頸部04344 胸部00344 總分0491212

每個區(qū)域，將采集到的假人傷害數(shù)據(jù)，按FAR- SIDE評價標(biāo)準(zhǔn)計算身體各區(qū)域具體得分。在最終ENCAP得分計算中，遠(yuǎn)側(cè)碰撞評估分配分值為4分，即每項滑臺試驗分配2分。將單項試驗得分按比例壓縮，計算最終得分。

2 試驗分析

2.1 試驗準(zhǔn)備

按照ENCAP下FAR-SIDE評價規(guī)程要求，基于某SUV車型，進行了兩項滑臺試驗。試驗脈沖為該車型AEMDB和POLE實車試驗B柱加速度脈沖。車身與滑臺裝置焊接固定，車內(nèi)部部件包括如下總成結(jié)構(gòu)：

（1）駕駛員和乘客前排座椅；

（2）中控臺，包括全通道飾件、手制動總成、變速桿總成和儲物箱；

（3）儀表板總成，包括儀表板、轉(zhuǎn)向管柱和方向盤；

（4）安全帶和固定裝置附件；

（5）撞擊側(cè)車門內(nèi)飾總成。

圖3 FAR-SIDE滑臺試驗

2.2 試驗結(jié)果

按照WorldSID假人傷害結(jié)果，如表3所示。

表3 FAR-SIDE試驗假人傷害值

INJURY性能限值POLEAEMDB 高低極值 頭部HIC1550070070012647 A3ms7280803927 頸部上Fz 3.74 1.651.14 Mx162248 51.0744.61 My 50 23.7917.17 下Fz 3.74 Mx162248 My [100] 胸腹胸壓28505012.9913.76 腹壓47656522.1413.02 骨盆腰椎趾骨Fy2.8 0.650.60 腰椎Fy2.0 0.860.93 腰椎Fz3.5 2.601.59 腰椎Mx120 63.0270.38

兩次滑臺試驗中，WorldSID假人各部位傷害值均沒有超出要求高性能限制要求。POLE滑臺試驗中，傷害值整體比AEMDB滑臺試驗結(jié)果更大。通過試驗錄像，觀察假人的頭部偏移程度，POLE滑臺試驗中偏移等級為紅色；AEMDB滑臺試驗中偏移等級為橙色，如圖4所示。

圖4 頭部最大偏移（POLE左、AEMDB右）

對比兩次試驗加載（圖5）可知，POLE滑臺試驗加載脈沖峰值更大，是AEMDB的1.5倍，碰撞更加劇烈。

圖5 兩次滑臺試驗加載對比

按照規(guī)程計算得分，POLE滑臺試驗得分0.167分，AEMDB滑臺試驗得分0.5分，總得分0.667分。雖然傷害值沒有超出高性能限制要求扣分，但頭部偏移量決定了各部位得分上限，對最終得分產(chǎn)生了較大影響。

2.3 假人運動姿態(tài)及傷害過程分析

以POLE滑臺試驗為例，結(jié)合錄像和假人傷害曲線，對試驗中假人運動和傷害過程進行分析。假人運動按照時間順序分為如下幾個階段：

圖6 0 ms、35 ms假人姿態(tài)

（1）0 ms～35 ms（圖6），臺車加速運動，座椅與安全帶對假人束縛作用較小，假人向撞擊側(cè)滑移。觀察傷害曲線（圖10）可知，此時骨盆加速度較小，各項傷害值均處于較低狀態(tài)。

（2）35 ms～75 ms，假人開始接觸并擠壓中控臺，接觸部位在骨盆及腰部區(qū)域。骨盆加速度快速增加，68 ms達(dá)到峰值，腰椎彎矩Mx也在相近時刻達(dá)到峰值。骨盆、腹部區(qū)域，骨盆恥骨側(cè)向力、腰椎側(cè)向力、腹部側(cè)向壓縮量都開始增加，75 ms左右達(dá)到峰值狀態(tài)。

圖7 57 ms、75 ms假人姿態(tài)

由于軀體下端受力運動，慣性作用下，軀體上端發(fā)生一定的側(cè)向傾斜，假人內(nèi)部產(chǎn)生一定的軸向拉力。觀察傷害值曲線，腰椎軸向力、頸部軸向力及頭部向加速度從57 ms左右開始提升。慣性作用下，頭部運動滯后于軀干，造成頸部出現(xiàn)彎曲（如圖7所示），該階段頸部側(cè)向彎矩Mx出現(xiàn)正向波動。由于運動方向與假人橫向有一定角度（15°），頸部還會產(chǎn)生一定的前向彎曲，頸部彎矩My提升并出現(xiàn)一次峰值。

總體而言，在此階段骨盆及腹部傷害達(dá)到峰值，而頭部、頸部及胸部傷害仍處于相對較低階段。安全帶在假人側(cè)向傾斜過程中，從肩部滑離。

（3）75 ms～100 ms左右，假人繼續(xù)繞中控臺發(fā)生側(cè)向旋轉(zhuǎn)，支撐區(qū)域上移至胸部，腹部與腰椎與中控臺作用逐漸減弱，骨盆開始反向回彈。胸部傷害增加，側(cè)向壓縮量于91 ms達(dá)到峰值。軀干下端對軀干上端、軀干對頭頸部的軸向拉力增加，腰椎軸向力、頸部軸向力及頭部向及合成加速度在100 ms左右同時達(dá)到峰值狀態(tài)。

在這個階段，軀干側(cè)向偏移達(dá)到最大。

圖8 100 ms、122 ms假人姿態(tài)

（4）100 ms～150 ms（圖8），假人軀干側(cè)向旋轉(zhuǎn)減弱，頭部開始繞頸部下端側(cè)向旋轉(zhuǎn)，頸部彎矩再次提升并出現(xiàn)二次峰值。122 ms時，頭部側(cè)向偏移達(dá)到最大。

（5）150 ms～200 ms，假人頭部觸底，軀干非撞擊側(cè)在慣性作用下向前扭轉(zhuǎn)（圖9），造成胸部中上區(qū)域?qū)χ锌嘏_擠壓作用有一定程度增加。

圖9 150 ms、200 ms假人姿態(tài)

（6）200 ms以后，假人整體回彈。

假人各部位主要傷害曲線如圖10所示：

經(jīng)以上分析可以得出，POLE滑臺試驗中，由于座椅與安全帶約束作用較為有限，假人側(cè)向撞擊中控臺，并繞中控臺出現(xiàn)較大的偏轉(zhuǎn)。假人骨盆和腰椎區(qū)域側(cè)向力、胸腹部壓縮變形是直接受中控臺擠壓造成的。腰椎軸向力、頸部彎矩與軸向力、頭部加速度是假人繞中控臺偏轉(zhuǎn)過程中，軀干上下端、軀干與頭頸部之間的軸向拉伸與慣性作用，共同造成的。

在沒有接觸其他硬結(jié)構(gòu)的情況下，中控臺由于與假人發(fā)生直接接觸，是影響傷害狀態(tài)的重要部件；中控臺結(jié)構(gòu)剛度與向高度，影響假人側(cè)向受力，也影響著假人的側(cè)向旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。同時，滑臺加載脈沖，影響中控臺與假人相互作用的強弱程度。POLE滑臺試驗下脈沖波峰比AEMDB滑臺試驗更大，相互作用更強，假人傷害與偏移量更大。

各部位傷害值峰值出現(xiàn)的時間先后，總體呈現(xiàn)由下到上的順序，骨盆、腰椎最先出現(xiàn)，腹部、胸部次之，頭頸部最后出現(xiàn)。

AEMDB滑臺試驗中，假人的運動與傷害，也遵循相似的過程。但AEMDB滑臺試驗中胸部變形量峰值是在第在5階段出現(xiàn)的（圖11）。

圖11 AEMDB滑臺試驗胸部傷害曲線

3 結(jié)論

本文對Euro NCAP下FAR-SIDE測試試驗與結(jié)果評價規(guī)程進行解析，結(jié)合滑臺試驗對滑臺試驗中假人運動與傷害過程進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）滑臺試驗中，假人傷害并未超出Euro NCAP高性能限制，但由于假人偏移等級影響，最終評價得分較低。

（2）試驗中假人與中控臺發(fā)生接觸，并繞中控臺側(cè)向旋轉(zhuǎn)，中控臺結(jié)構(gòu)對假人運動與傷害影響較大。

（3）加載脈沖對滑臺試驗結(jié)果影響較大，POLE滑臺試驗中假人傷害與偏移等級更大。

（4）汽車研發(fā)過程中，側(cè)面碰撞B柱脈沖控制相對困難，需合理設(shè)計中控臺的高度與剛度，以改善假人傷害、控制假人運動姿態(tài)與側(cè)向偏移。

（5）試驗中安全帶、座椅沒有對假人側(cè)向運動產(chǎn)生有效束縛，增加中央安全氣囊等遠(yuǎn)端保護配置以控制假人偏移程度變得尤為重要。

[1] Mcneil A,Haberl J,Holzner M,et al.Current Worldwide Side Impact Activitiee-Divergence versue Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design,2005.

[2] 王祥.汽車側(cè)面碰撞安全性設(shè)計與優(yōu)化[D].長沙:湖南大學(xué), 2009.

[3] 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報[Z].2008,4.

[4] 張瑞文,周澄靖,陳高軍,等.Far-side側(cè)面碰撞研究進展[C]//中國汽車工程學(xué)會年會暨展覽會,2020.

[5] 馬春生,張金換,黃世霖,等.基于試驗設(shè)計的汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)改進[J].汽車工程,2014,36(2):195-198.

[6] Gabler H C,Fitzharris M,Scully J,et al.Far Side Impact Injury Risk for Belted Occupants in Australia and the Uniter states, 2005.

[7] Pintar F A,Yoganandan N,Stemper B D,et al.Compasion of PMHS,WorldSID,and THOR-NT responses in simulated far side impact[J].Stapp Car Crash Journal,2007(51):313-360.

[8] Kwon D H,Hachamovitch R.Characteristics of the injury environment in FAR-SIDE crasher.[J].Annual Proceedings, 2005,49(2):69-76.

[9] Euro NCAP.Euro NCAP2020版碰撞測試規(guī)程[Z].2020.

Research on FAR-SIDE Occupant Protection Based on Collision Test

LIU Xiaodong, LI Junjie, CUI Dong, FANG Rui

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300300 )

Side collision is a common form of traffic accidents, large number of casualties occur in both near side and far side of the collision. Previous studies were more focused on the near side of the collision, and relatively insufficient on the far side. Euro NCAP has incorporated the far-side assess in its evaluation scope from 2020, which is implemented mainly through two sled tests. In this paper, the test method and evaluation standard of far-side assess were analyzed. By conducting the sled tests, and analyzing the process of movement and injury of the dummy in the collision, the occupant protection in far side impact was studied.

Far-side occupant protection; Collision test; Injury analyze

A

1671-7988(2022)01-113-05

U467

A

1671-7988(2022)01-113-05

CLC NO.: U467

劉曉東，工學(xué)碩士，汽車被動安全工程師，就職于中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.026