移動漸進變形壁障碰撞試驗中駕駛員小腿傷害研究

張俊南 余海龍

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

1 前言

歐洲新車評價程序（European New Car Assess?ment Program，Euro NCAP）于2020年引入了正面50%重疊移動漸進變形壁障（Mobile Progressive Deform?able Barrier，MPDB）碰撞測試項目[1]。部分車型在該項測試中存在駕駛員小腿傷害超標導致的丟分情況。

針對這一問題，國內外學者多從仿真角度分析碰撞過程中假人小腿的傷害機理，通過有限元建模，并結合某單一車型驗證模型，用于假人對應位置傷害的預測[2-7]。本文選取20組車型的試驗數據，從統計角度分析造成駕駛員腿部傷害超標的主要原因，為車輛結構優化提供參考。

2 Euro NCAP MPDB碰撞測試項目

2.1 試驗方法

MPDB 碰撞測試項目中壁障車質量為1400 kg，試驗車輛與壁障車分別以50 km/h 的速度進行碰撞，重疊率為50%。在試驗車駕駛員位置放置第50百分位的THOR 假人，乘員位置放置第50 百分位的Hybrid Ⅲ假人，后排分別放置Q6 和Q10 兒童假人，碰撞形式如圖1所示。

圖1 正面50%重疊MPDB碰撞測試碰撞形式

2.2 假人小腿傷害指標

Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中，規定駕駛員THOR 假人小腿評價指標包括脛骨指數（Tibia Index，TI）和脛骨壓縮力（Tibia Compression，TC），如表1所示。

表1 Euro NCAP MPDB碰撞測試項目駕駛員小腿傷害評價指標

THOR 假人小腿脛骨壓縮力通過小腿力傳感器直接采集；脛骨指數由小腿力傳感器采集到的力載荷和力矩載荷計算得到。指標主要反映垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上、下部位的彎曲力矩導致小腿骨、腳踝等受到傷害的情況[8-9]。作用在小腿上的力與力矩如圖2所示。

2.3 假人傷害結果統計

隨機抽取20款進行了Euro NCAP MPDB碰撞測試的車型，駕駛員小腿傷害評價得分情況如圖3所示。

圖3 駕駛員腿部傷害評價得分

在Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中，駕駛員小腿得分最高為4 分。20 款車型中，有19 款車型駕駛員THOR 假人小腿/腳部被扣分，假人腿部傷害統計結果如表2、表3所示。

表2 假人左、右腿部傷害統計結果

表3 假人腿部罰分情況統計結果

在Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中，駕駛員假人腿部被罰分情況較為突出，且腿部被罰分的主要原因是小腿脛骨指數超標。

3 脛骨指數分析

3.1 脛骨指數

小腿脛骨指數為：

其中：

式中，MR為Mx和My的合成力矩；Mx、My分別為繞x軸、y軸的彎曲力矩；(MC)R為臨界彎矩；Fz為z向的軸向壓縮力；(FC)z為z向臨界壓縮力。

3.2 假人脛骨指數分析

由于駕駛員假人右小腿脛骨指數丟分情況最為嚴重，本文重點針對駕駛員THOR 假人右小腿脛骨指數進行分析。由式（1）可知，脛骨指數主要受到脛骨壓縮力、作用在脛骨上繞x軸和繞y軸的彎曲力矩的影響。

20款車型駕駛員右小腿脛骨指數如表4所示，小腿脛骨指數越大，假人受到的傷害越大，其得分越低。

表4 右小腿脛骨指數統計結果

由表4 可知，MR/(MC)R所占脛骨指數平均比例為91.75%，Fz/(FC)z所占脛骨指數平均比例僅為8.25%，如圖4所示。

圖4 右小腿脛骨指數組成占比統計

由式（2）可知，Mx或My過大都有可能導致合成力矩MR過大。由統計結果可知，My占MR的平均比例為91.05%，Mx占MR的平均比例僅為8.95%，如圖5所示。

圖5 右小腿MR組成占比統計

統計結果表明，MPDB 碰撞測試項目駕駛員小腿脛骨指數超標主要受小腿合成力矩MR影響，其中彎曲力矩My過大是主要原因。

4 小腿受力分析

Euro NCAP MPDB 碰撞工況為正面碰撞，碰撞過程中假人的軀干、腿部的主要運動方向為車輛縱向[10]。腿部、腳部受載荷方向、運動方向以及關節結構等因素的影響，小腿主要沿車輛縱向運動。

4.1 小腿受力分析

碰撞過程中，腳部向前運動受到限制，而臀部和膝蓋的整體前移迫使小腿繞踝關節和膝關節轉動，導致小腿產生彎曲力矩My。在此過程中，容易出現加速踏板向后移動的情況，這會增加腳部受到的載荷，迫使腳部向后運動，小腿受到的彎曲力矩My隨之加劇，如圖6所示。

圖6 右小腿受力分析

某車型MPDB 碰撞試驗腿部力曲線如圖7 所示。從時間來看，小腿彎曲力矩My在第53 ms 左右達到峰值-120.14 N·m，而大腿壓縮力在第58 ms 左右開始由正向轉為負向增大，在第64 ms 左右達到峰值-1.75 kN。這說明大腿在第58 ms 以后接觸儀表板，小腿彎曲力矩My在此之前已經達到最大值，可以排除大腿撞擊儀表板對小腿彎曲力矩My的影響。從受力方向來看，小腿彎曲力矩My從碰撞開始后即向負向增大，說明小腿繞膝蓋向后轉動，其原因是加速踏板對腳踝施加向后的載荷。

4.2 加速踏板位移分析

碰撞過程中假人右側小腿彎曲力矩My與假人腳部受到的載荷直接相關，加速踏板的位移對小腿傷害產生重要影響。20 款車型中假人小腿傷害和加速踏板的位移情況如表5所示。

表5 右小腿傷害和加速踏板位移統計

按加速踏板x向位移由小到大進行排序，得到加速踏板x向位移與駕駛員右小腿彎曲力矩My、脛骨指數的關系如圖8、圖9所示。

圖8 小腿力矩My與加速踏板位移的關系

圖9 小腿脛骨指數與加速踏板位移的關系

在MPDB 碰撞測試項目中，隨著加速踏板向后位移的增大，小腿受到的彎曲力矩My有明顯增大的趨勢，且小腿脛骨指數隨彎曲力矩My的增大同步增大。

5 結束語

在Euro NCAP MPDB 碰撞工況中，駕駛員右側小腿部位受傷風險較高，主要由脛骨指數超標導致，其主要原因是脛骨受到的彎曲力矩過大。造成小腿脛骨彎曲力矩過大的原因是加速踏板位移對腳部的沖擊，碰撞過程中加速踏板位移越大，小腿脛骨指數越大，得分越低。

為降低小腿傷害，可以考慮通過加強車身結構或調整踏板強度，緩解腳部受到的由加速踏板施加的載荷沖擊。