偏置碰撞中駕駛員假人腳掌翻轉(zhuǎn)對(duì)小腿傷害的影響

商恩義　岳國(guó)輝　劉珍?！O保衛(wèi)

（浙江吉利汽車研究院有限公司浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州311228）

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偏置碰撞中駕駛員假人腳掌翻轉(zhuǎn)對(duì)小腿傷害的影響

商恩義岳國(guó)輝劉珍海孫保衛(wèi)

（浙江吉利汽車研究院有限公司浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州311228）

【摘要】針對(duì)左舵和右舵兩款車型正面偏置碰撞試驗(yàn)中駕駛員假人左小腿下端所受傷害進(jìn)行了研究，對(duì)造成腳掌翻轉(zhuǎn)的影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，擱腳板向內(nèi)侵入將會(huì)造成假人左腳掌上翻，車體轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)造成假人腳掌外（內(nèi)）翻，當(dāng)假人腳掌翻轉(zhuǎn)超過(guò)踝關(guān)節(jié)損傷容限時(shí)，將導(dǎo)致假人小腿傷害加重。指出，擱腳板的設(shè)計(jì)和布置應(yīng)充分考慮碰撞時(shí)對(duì)腳掌翻轉(zhuǎn)的影響，要保證前防撞梁的完整性和抗撞擊性；規(guī)劃傳力路徑時(shí)，要保證左、右B柱下速度差值小于2 m/s。

1　前言

在中國(guó)新車星級(jí)評(píng)價(jià)程序（C-NCAP）和歐洲新車評(píng)價(jià)程序（Euro-NCAP）中均規(guī)定了64 km/h正面40 %偏置碰撞試驗(yàn)[1，2]，在該偏置碰撞試驗(yàn)中，假人小腿是失分重點(diǎn)部位。日前，對(duì)于造成假人小腿傷害的原因研究較少，普遍認(rèn)為是由小腿與儀表板等前方內(nèi)飾件發(fā)生撞擊造成，通常通過(guò)增加膝部氣囊來(lái)解決此問(wèn)題。但事實(shí)上，偏置碰撞試驗(yàn)中假人腳掌常常發(fā)生上翻、內(nèi)翻或外翻，當(dāng)腳掌翻轉(zhuǎn)造成假人腳踝部活動(dòng)超過(guò)其損傷容限時(shí)將造成踝關(guān)節(jié)損傷。如在擺錘撞擊試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)腳掌上翻45°時(shí)，踝關(guān)節(jié)處發(fā)生骨性骨折或韌帶斷裂概率為50 %，腳掌內(nèi)翻和外翻為60°時(shí)，發(fā)生骨折或韌帶斷裂損傷的概率為50 %[3～5]。因此，當(dāng)試驗(yàn)中假人腳掌翻轉(zhuǎn)達(dá)到踝關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍時(shí)，必將增加對(duì)小腿的傷害?；诖耍疚膶?duì)腳掌翻轉(zhuǎn)對(duì)假人小腿傷害的影響進(jìn)行了研究。

2　小腿傷害形式和評(píng)價(jià)方法

正面偏置碰撞試驗(yàn)用假人小腿內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[6，7]，在小腿上部和下部嵌有載荷傳感器。試驗(yàn)時(shí)假人左小腿擺放姿態(tài)如圖2所示。

碰撞過(guò)程中，假人腳底因受到擠壓和摩擦將產(chǎn)生斜向上方的合力F，該力在載荷傳感器位置產(chǎn)生力F′，同時(shí)產(chǎn)生彎矩M[8]。力F′和力矩M可能造成小腿剪切斷或折斷，因此，試驗(yàn)中通常采集假人小腿上部和小腿下部（圖1中傳感器位置）各3個(gè)方向的力（Fx、Fy、Fz）及x、y方向的彎矩（Mx、My），以評(píng)價(jià)假人小腿上部和下部所受到的傷害。力和彎矩的方向規(guī)定[9]為：剪切力Fx以腳踝向前、膝蓋向后為正；橫向剪切力Fy以腳踝向右、膝蓋向左為正；軸向力Fz以受拉為正；Mx以膝蓋不動(dòng)、腳踝向左為正；My以膝蓋位置向后、腳踝向前為正[10]。

圖2　假人左小腿擺放姿態(tài)

C-NCAP中，評(píng)價(jià)假人小腿傷害的指標(biāo)包括直接測(cè)量得到的小腿軸向力Fz及通過(guò)彎矩和力計(jì)算得到的小腿脛骨性能指標(biāo)TI，其中，F(xiàn)z對(duì)應(yīng)的高性能指標(biāo)（對(duì)應(yīng)滿分）和低性能指標(biāo)（對(duì)應(yīng)零分）分別為2 kN和8 kN；TI對(duì)應(yīng)的高性能指標(biāo)和低性能指標(biāo)分別為0.4 和1.3。

TI計(jì)算式為：

式中，Mr為合成彎矩，由計(jì)算得出；Mc為臨界彎矩，取為225 N·m；（Fc）z為z向臨界壓縮力，取為35.9 kN。

目前，在正面全寬碰撞試驗(yàn)中，假人小腿上部傷害指標(biāo)要比小腿下部指標(biāo)高[10]，但是，在偏置碰撞試驗(yàn)中，往往是假人小腿下部傷害指標(biāo)偏高，偏高的傷害指標(biāo)通常是TI。式（1）和式（2）表明，TI主要是受Fz、Mx和My的影響，而Mx和My反映了小腿發(fā)生“骨折”的程度，與腳掌翻轉(zhuǎn)程度密切相關(guān)。

3　偏置碰撞試驗(yàn)中腳掌翻轉(zhuǎn)對(duì)小腿傷害的影響

3.1假人腳掌上翻對(duì)小腿傷害的影響

在某款左舵車的某次開發(fā)試驗(yàn)（試驗(yàn)L）中，駕駛員假人左小腿下部性能指標(biāo)如圖3所示。由圖3可看出，當(dāng)碰撞至124 ms時(shí)，TI值最大，為0.649 5，僅得2.89分（滿分為4分）。失分原因?yàn)椋涸谂鲎矔r(shí)間為120～140 ms內(nèi)，Mr/Mc曲線產(chǎn)生明顯突變，即Mr產(chǎn)生突變。

3.1.1Mr突然增大原因分析

圖3　試驗(yàn)L中駕駛員假人左小腿下部性能指標(biāo)曲線

通過(guò)分析碰撞過(guò)程中駕駛員假人左小腿下部Mx曲線和My曲線（圖4）可知，在碰撞時(shí)間為120～140 ms內(nèi)，Mx和My均明顯增大，但My增大更明顯，這是Mr增大的主要影響因素。

3.1.2My產(chǎn)生突變?cè)蚍治?/p>

圖4　試驗(yàn)L中駕駛員假人左小腿下部Mx和My曲線

在碰撞過(guò)程中，小腿作為具有較高強(qiáng)度的“短棒”，其上部傳感器測(cè)得的剪切力Fx與下部傳感器測(cè)得的彎矩My必將存在一定聯(lián)系。已知小腿上、下傳感器間距約為0.235 m，當(dāng)腳掌下的腳踏板或擱腳板嚴(yán)重侵入，小腿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且小腿上部未發(fā)生碰撞或只發(fā)生輕微碰撞時(shí)，則有My=0.235Fx；當(dāng)假人腳下踩實(shí)，大腿前沖，膝部受到向前及向下的作用力時(shí)，小腿將產(chǎn)生對(duì)折的趨勢(shì)，此時(shí)My≈0.12Fx[11]。令Fx作用下的彎矩My′=k1Fx（k1為Fx作用下小腿產(chǎn)生繞y軸彎矩時(shí)的距離），通過(guò)試取k1值使My′≈My，則可依據(jù)k1值的大小判斷小腿受到傷害的具體情況。當(dāng)k1取0.235時(shí)，試驗(yàn)L中My與My′的關(guān)系如圖5所示。

由圖5看出，在碰撞試驗(yàn)進(jìn)行至120～140 ms內(nèi)，My與My′吻合較好，表明k1取0.235是合適的，反映了碰撞中擱腳板及假人左腳下部防火墻可能發(fā)生嚴(yán)重侵入，該侵入造成假人左腳腳掌上翻，且翻轉(zhuǎn)角度超過(guò)腳踝損傷容限，最終導(dǎo)致小腿下傳感器位置產(chǎn)生的My突然增大。3.1.3擱腳板部位變化分析

圖5　試驗(yàn)L中假人左小腿下部My與My′關(guān)系曲線

碰撞前、后駕駛員假人左腳下部擱腳板照片分別見(jiàn)圖6和圖7。對(duì)比圖6和圖7可看出，碰撞后儀表板前端面已發(fā)生上翹，制動(dòng)踏板已向后下方侵入，擱腳板已向右上方扭轉(zhuǎn)侵入。

3.1.4仿真研究

圖6　碰撞前假人左腳下部擱腳板照片

圖7　碰撞后假人左腳下部擱腳板照片

為確認(rèn)擱腳板侵入造成假人腳掌上翻進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)中，碰撞前假人左腳及左小腿姿態(tài)如圖8所示，碰撞至120 ms時(shí)假人左腳及左小腿姿態(tài)如圖9所示。

圖8　碰撞前假人左腳及左小腿姿態(tài)

與圖8相比，圖9中擱腳板后侵、上翻，同時(shí)，假人左腳腳后跟與擱腳板底部緊貼，腳掌也上翻，且伴有輕微外翻。

由上述分析可知，試驗(yàn)中造成駕駛員假人左小腿下TI值偏大的主要原因是擱腳板向后侵入造成前腳掌上翻，且上翻超過(guò)了踝關(guān)節(jié)的損傷容限。腳踝在損傷容限內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，TI最大值為0.137 4（突變前），遠(yuǎn)小于高性能限值（0.4）；腳踝超過(guò)損傷容限運(yùn)動(dòng)時(shí)，TI值達(dá)到0.649 5，約為突變前的4.7倍，被扣掉1.11分，該結(jié)果表明試驗(yàn)L中假人左腳掌上翻超過(guò)腳踝損傷容限是造成小腿失分嚴(yán)重的主要原因。

3.2假人腳掌外（內(nèi)）翻對(duì)小腿傷害的影響

以某款右舵車在開發(fā)過(guò)程中所進(jìn)行的某次正面偏置碰撞試驗(yàn)（試驗(yàn)S）為例，研究假人腳掌外（內(nèi)）翻對(duì)小腿傷害的影響。

試驗(yàn)S中駕駛員假人左小腿下部性能指標(biāo)如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)S中駕駛員假人左小腿下部性能指標(biāo)曲線

由圖10可看出，在碰撞進(jìn)行至89 ms時(shí)，TI值達(dá)到最大，為1.059，得分為1.07，失分為2.93分，失分相當(dāng)嚴(yán)重。失分原因?yàn)椋涸谂鲎策M(jìn)行至75～105 ms之間時(shí)，Mr/Mc曲線產(chǎn)生明顯突變，即Mr明顯增大。

3.2.1 Mr突然增大的主要影響因素

通過(guò)Mx曲線和My曲線（圖11）來(lái)分析Mr突然增大的主要影響因素。由圖11可看出，在碰撞進(jìn)行至75～105 ms之間時(shí)，Mx和My均增大，但Mx增大更明顯，即假人左小腿下部Mr突然增大的主要影響因素是Mx突然增大，因此，需要對(duì)Mx突然增大的影響因素進(jìn)行研究。

3.2.2 Mx產(chǎn)生突變?cè)蚍治?/p>

Mx可由Fy和Fz的作用產(chǎn)生，但因正面偏置碰撞中Fy通常較小，因此主要由Fz作用產(chǎn)生。在碰撞過(guò)程中，F(xiàn)z將沿假人小腿軸心線向下作用，當(dāng)假人小腿軸心線與腳底支撐點(diǎn)之間存在距離時(shí)，將對(duì)假人小腿下部產(chǎn)生彎矩Mx，因此，Mx的大小除與Fz的大小有關(guān)之外，也與小腿軸心與腳底支撐點(diǎn)之間的距離有關(guān)。

圖11　試驗(yàn)S中駕駛員假人左小腿下彎矩曲線

令假人小腿軸心線到腳底支撐點(diǎn)的距離為k2，假人小腿下部Fz在距離k2時(shí)產(chǎn)生的x向彎矩為Mx′，則有Mx′= k2Fz。試取k2值建立Mx與Mx′之間的關(guān)系，當(dāng)Mx和Mx′近似相等時(shí)，則可確認(rèn)碰撞過(guò)程中k2值。假人踝關(guān)節(jié)中心到腳底距離約為100 mm，當(dāng)假人腳掌外翻至腳底與小腿軸心線近似平行時(shí)，該距離即近似為小腿軸心線到腳底支撐點(diǎn)之間的最大距離，則假人腳掌在外（內(nèi)）翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，小腿軸心線到腳底支撐點(diǎn)之間的最大距離近似為100 mm。

通過(guò)分析試驗(yàn)S中k2值來(lái)研究碰撞過(guò)程中假人左腳掌的翻轉(zhuǎn)情況。將k2值取為95 mm，則試驗(yàn)S中駕駛員假人左小腿下部Mx與Mx′之間的關(guān)系如圖12所示。

圖12　試驗(yàn)S中駕駛員假人左小腿下部Mx與Mx′關(guān)系曲線

圖12中，當(dāng)k2取95 mm時(shí)，在碰撞進(jìn)行至75～105 ms時(shí)，Mx與Mx′吻合較好，表明碰撞過(guò)程中腳掌發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，因k2取值接近100 mm，小腿軸心線與腳底面幾乎平行，所以翻轉(zhuǎn)相當(dāng)嚴(yán)重。該外翻導(dǎo)致假人左小腿下部Mx突然增大，最終造成Mr突然增大。試驗(yàn)后經(jīng)檢查假人踝關(guān)節(jié)已不能運(yùn)轉(zhuǎn)，需要進(jìn)行維修。

3.2.3假人左腳掌翻轉(zhuǎn)情況分析

由圖12可看出，在碰撞開始后的前75 ms，Mx為負(fù)，在75 ms后Mx為正，且Mx為正值后幅值增加迅速。該現(xiàn)象表明，在75 ms前，假人腳底支撐點(diǎn)處于小腿軸心線右側(cè)；在75 ms后，支撐點(diǎn)從小腿軸心線右側(cè)突然轉(zhuǎn)至左側(cè)，且翻轉(zhuǎn)較快、程度較大，在碰撞89 ms時(shí)刻為假人腳掌翻轉(zhuǎn)最大時(shí)刻。

另外，通過(guò)高速攝像分析假人左腳掌翻轉(zhuǎn)情況。碰撞前假人左腳及左小腿姿態(tài)錄像截圖如圖13所示，碰撞至89 ms時(shí)刻假人左腳及左小腿姿態(tài)錄像截圖如圖14所示。

圖13　碰撞前駕駛員假人左腳及左小腿姿態(tài)錄像截圖

圖14　碰撞至89 ms時(shí)刻假人左腳及左小腿姿態(tài)錄像截圖

比較圖13和圖14可看出，碰撞過(guò)程中假人左腳外翻嚴(yán)重，驗(yàn)證了基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性。

由上述分析可知，對(duì)于試驗(yàn)S，假人腳掌正常外翻過(guò)程中，假人左小腿下部TI最大值為0.134 7（突變前），僅為高性能指標(biāo)的1/3；但當(dāng)外翻超過(guò)踝關(guān)節(jié)的損傷容限后，TI最大值達(dá)到1.059，為突變前的7.9倍。該結(jié)果表明假人腳掌外翻超過(guò)腳踝損傷容限將導(dǎo)致小腿TI發(fā)生突變?cè)龃?，最終將造成假人小腿在星級(jí)評(píng)價(jià)中嚴(yán)重失分。

4　假人腳掌翻轉(zhuǎn)的影響因素分析

4.1假人腳掌上翻的影響因素

試驗(yàn)L完成后，車體前端變形情況如圖15所示，右側(cè)吸能盒與前防撞梁的變形情況如圖16所示。

由圖15可看出，碰撞后前防撞梁斷裂，且碰撞側(cè)變形明顯；由圖16可看出，車體右側(cè)的防撞梁與吸能盒的連接點(diǎn)開裂，吸能盒引導(dǎo)槽完好，碰撞中沒(méi)有參與變形吸能。由此表明，碰撞試驗(yàn)L中前防撞梁失效，沒(méi)有起到向兩側(cè)傳遞碰撞力作用及防撞作用，導(dǎo)致碰撞能量主要由碰撞側(cè)變形吸收，碰撞側(cè)后移量較大，后侵變形嚴(yán)重，最終造成擱腳板上端部位發(fā)生后侵、上翻。在假人前沖、腳底與擱腳板貼緊的情況下，擱腳板上翻必將造成腳掌上翻。

4.2假人腳掌外（內(nèi)）翻的影響因素

圖16　碰撞后車體右前端變形情況

在偏置碰撞過(guò)程中，當(dāng)假人膝部與儀表板接觸后，伴隨假人繼續(xù)前沖，假人腳掌通常將抬起，而當(dāng)臀部發(fā)生回彈、胸部前撲下壓后，假人腳掌則向下回落。在假人腳掌下落過(guò)程中，如果假人相對(duì)車體發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)，則通常會(huì)出現(xiàn)假人腳下踩到擱腳板或腳踏板邊緣的情況，進(jìn)而導(dǎo)致假人腳掌發(fā)生內(nèi)翻或外翻。而假人相對(duì)車體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與偏置碰撞過(guò)程中車體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。

在偏置碰撞試驗(yàn)中，車體通常要發(fā)生以偏置剛性壁障碰撞側(cè)棱邊為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，左舵車為逆時(shí)針?lè)较?，右舵車為順時(shí)針?lè)较颉Ｒ?guī)定車體前、后方向?yàn)閤向，向前為正。試驗(yàn)過(guò)程中采集左、右B柱下x方向的加速度，試驗(yàn)后積分成速度（以下稱B柱下速度），則車體的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)左、右B柱下x方向的速度差值反映，差值出現(xiàn)越早車體轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生越早，差值越大車體轉(zhuǎn)動(dòng)越快。收集了24組假人小腿傷害值基本沒(méi)有失分的偏置碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)這些試驗(yàn)中左、右B柱下的速度差值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，車體碰撞反彈后，碰撞側(cè)B柱下速度通常為-2 m/s左右，即反彈速度為2 m/s左右，而非碰撞側(cè)的B柱下速度通常為0左右，即左、右B柱下速度差值約為2 m/s左右。因此可認(rèn)為，當(dāng)左、右B柱下速度差值小于2 m/s時(shí)，碰撞中假人腳掌的翻轉(zhuǎn)較小，不會(huì)超過(guò)腳踝的損傷容限。

試驗(yàn)S結(jié)束后，將左、右B柱下x向速度進(jìn)行積分，對(duì)積分后的速度進(jìn)行比較，如圖17所示，碰撞后車體底部前端照片如圖18所示。

由圖17可看出，碰撞10 ms后，左、右B柱下端開始出現(xiàn)速度差，至70 ms后速度差增幅明顯，最大速度差值達(dá)到3.4 m/s，速度差值不但出現(xiàn)早且差值較大，必將導(dǎo)致車體發(fā)生快速旋轉(zhuǎn)。由圖18可看出，相對(duì)于副車架左側(cè)，副車架右側(cè)侵入明顯，該結(jié)果表明碰撞過(guò)程中車體左、右兩側(cè)受力明顯不均，必將造成車體在碰撞過(guò)程中發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)。

圖17　左、右B柱下x向速度曲線

圖18　碰撞后車體底部前端照片

綜上所述，在試驗(yàn)S的碰撞過(guò)程中，車體左、右兩側(cè)傳力不均造成了左、右B柱下端速度差偏大，車體旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，進(jìn)而造成假人相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生過(guò)度偏轉(zhuǎn)，假人腳掌在下踩過(guò)程中踩偏，進(jìn)而發(fā)生外翻。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)左舵、右舵兩款車正面偏置碰撞試驗(yàn)中駕駛員假人左小腿下端傷害進(jìn)行研究，以及對(duì)造成腳掌翻轉(zhuǎn)的影響因素進(jìn)行探討，結(jié)果表明，在偏置碰撞過(guò)程中，擱腳板向內(nèi)侵入將會(huì)造成駕駛員假人左腳掌上翻，車體轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)造成假人腳掌外（內(nèi)）翻，當(dāng)腳掌翻轉(zhuǎn)超過(guò)踝關(guān)節(jié)的損傷容限時(shí)，將導(dǎo)致假人小腿傷害指標(biāo)迅速上升。因此，在擱腳板設(shè)計(jì)和布置過(guò)程中，要充分考慮碰撞時(shí)對(duì)腳掌翻轉(zhuǎn)的影響，同時(shí)，也要保證前防撞梁的完整性和抗撞擊性。另外，在規(guī)劃傳力路徑時(shí)，應(yīng)將偏置碰撞過(guò)程中的碰撞力盡可能向兩側(cè)平均傳遞，確保左、右B柱下速度的差值小于2 m/s，以此降低碰撞過(guò)程中車體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年10月24日。

Influence of Sole Flexion of Driver Dummy to Tibia Injuries in Frontal Offset Impact Test

Shang Enyi, Yue Guohui, Liu Zhenhai, Sun Baowei
（Geely Automobile Research Institute, Zhejiang key Laboratory of Automobile Safety Technology, Hangzhou 311228）

【Abstract】The driver dummy’s left lower leg in two frontal offset impact tests of LHD and RHD are investigated, and the influencing factors that cause the sole flexion are analyzed. The results show that footrest intrusion will cause upper flexion of the left sole, whereas movement of the vehicle body will cause exterior (interior) flexion of the dummy’s sole; once the dummy’s sole flexion goes beyond the injury tolerance limit of ankle, injury of the dummy’s lower leg aggravates. It is pointed out in the paper that design and arrangement of the footrest shall fully take into account of the influence on sole flexion in collision, the integrity and crashworthiness of the anti-collision beam must be assured; when planning force transfer path, the velocity difference between left B pillar and right B pillar must be lower than 2 m/s.

Key words:Automobile，F(xiàn)rontal offset impact，Driver dummy，Sole flexion，Tibia injury

中圖分類號(hào):U467.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）01-0047-05

主題詞:汽車偏置碰撞駕駛員假人腳掌翻轉(zhuǎn)小腿傷害