車輛彈起式機蓋技術(shù)及其測試法規(guī)研究

劉 洋 孫小光 楊占軍 陳現(xiàn)玲 師玉濤 楊勁松

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 前言

行人與車輛發(fā)生碰撞時，往往導(dǎo)致行人嚴重受傷，尤其是行人頭部與車輛發(fā)動機蓋發(fā)生碰撞后可導(dǎo)致行人死亡，因此改善汽車發(fā)動機蓋的行人保護性能對于行人安全至關(guān)重要，從而使得對彈起式發(fā)動機蓋技術(shù)的研究逐漸得到重視。

彈起式機蓋技術(shù)的關(guān)鍵在于行人檢測觸發(fā)的精確性[1]，以及其能否在現(xiàn)實交通事故中檢測到身材各異的行人并發(fā)揮效用。目前，雖然各車輛研發(fā)機構(gòu)開展了大量的彈起式發(fā)動機蓋系統(tǒng)研究，但都缺乏依據(jù)統(tǒng)一法規(guī)對整個系統(tǒng)的有效性進行檢測。為保證彈起式機蓋的精確性和有效性[2，3]，Euro NCAP（歐洲新車評價規(guī)程）明確了測試法規(guī)要求，測試方法包括物理試驗和數(shù)值仿真分析。本文針對彈起式機蓋技術(shù)，并結(jié)合Euro NCAP對彈起式機蓋測試法規(guī)要求，采用仿真與試驗相結(jié)合的研究手段，將彈起式機蓋設(shè)計與法規(guī)融為一體提出了彈起式機蓋設(shè)計統(tǒng)一要求。

2 彈起式機蓋技術(shù)簡介

彈起式機蓋由行人碰撞檢測系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成，如圖1所示。

行人碰撞檢測系統(tǒng)用于檢測行人是否與車輛發(fā)生碰撞，主要由傳感器 （加速度傳感器或壓力傳感器）、攝像頭組成。

電腦控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部件，其功能是將檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分類、識別、判斷并向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)指令，該系統(tǒng)中存儲了能夠激活執(zhí)行系統(tǒng)的條件，通過將行人碰撞檢測系統(tǒng)的信號進行分析并檢查是否與激活條件匹配，從而實現(xiàn)執(zhí)行系統(tǒng)的觸發(fā)。如采用加速度傳感器組合作為行人碰撞檢測系統(tǒng)時，電腦控制系統(tǒng)在存儲能夠激活執(zhí)行系統(tǒng)條件過程中，需要輸入多種物體與車輛發(fā)生碰撞的加速度曲線（包括行人），若某些物體與人體具有相似的碰撞加速度曲線時，采用攝像頭對碰撞物體進行區(qū)分，圖2為某車型彈起式機蓋電腦控制系統(tǒng)的觸發(fā)條件。

執(zhí)行機構(gòu)用于將機蓋彈起，其作用類似促動器，主要類型包括氣缸式、液壓活塞式、壓縮彈簧式、電動缸及火藥頂升器等。其中氣缸與液壓活塞需要布置能量源，由于車輛機艙內(nèi)部空間狹小，這2種方式難以應(yīng)用。目前彈起式機蓋執(zhí)行機構(gòu)主要采用壓縮彈簧式或火藥頂升器。

3 彈起式機蓋系統(tǒng)原理與標定

3.1 工作原理

彈起式機蓋工作原理如圖3所示。檢測車輛與行人碰撞的傳感器安裝在車輛前部，傳感器實時采集碰撞信號并將信號傳遞至電腦控制系統(tǒng)，電腦控制系統(tǒng)對傳感器發(fā)出的信號進行運算，識別是否有行人與車輛發(fā)生碰撞，一旦識別出行人與車輛將要發(fā)生碰撞，則電腦控制系統(tǒng)發(fā)出指令給執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)接收指令后將機蓋后端頂起，行人頭部此時與發(fā)動機蓋碰撞。

3.2 系統(tǒng)標定

彈起式機蓋標定是指采集各種物體與車輛前保險杠發(fā)生碰撞的加速度曲線并存儲在電腦控制系統(tǒng)中，作為判斷是否激活執(zhí)行系統(tǒng)的條件。在彈起式機蓋標定過程中，采用沖擊器發(fā)射各種物體撞擊靜止車輛，通過車輛前保險杠內(nèi)部安裝的加速度傳感器采集加速度曲線。沖擊器可采用液壓式、氣動式或蓄能彈簧式，其應(yīng)能夠瞬間將物體加速到所要求的速度。彈起式機蓋在任何溫度下（常溫、低溫和高溫）都應(yīng)具備完成動作的能力。標定時需要將車輛放置于能模擬各種溫度的特定溫度箱內(nèi)，如圖4所示。

標定中需要的物體包括兩類，一類是使執(zhí)行系統(tǒng)激活的物體，包括 TRL－LLI（剛性腿模塊）、FLEXPLI（柔性腿模塊）、PDI－1、PDI－2 等。 其中 PDI是由Concept公司生產(chǎn)的具有最低門檻值的行人模塊，PDI－1模擬 6歲兒童假人，PDI－2模擬 5%女性假人，如圖5所示。這些物體與車輛發(fā)生碰撞的加速度曲線是電腦控制系統(tǒng)激活執(zhí)行系統(tǒng)的必要條件。第2類物體是指那些不激活執(zhí)行系統(tǒng)的物體，包括籃球、樹枝、小動物、垃圾桶等，圖7為發(fā)射小動物試驗。在標定過程中，需要將上述物體與車輛發(fā)生碰撞的加速度曲線進行輸入，這些物體與車輛發(fā)生碰撞的加速度曲線不會使電腦控制系統(tǒng)激活執(zhí)行系統(tǒng)。

另外，安裝有彈起式機蓋的車輛需要進行必要的道路誤作用試驗，因車輛在行駛過程中，會遇到坑洼路段或撞擊路肩等情況，由路面顛簸等 （如路肩路、科隆路、斜路肩、上斜坡）引起的車輛加速度不應(yīng)使彈起式機蓋激活。

4 彈起式機蓋測試方法研究

為保證彈起式機蓋系統(tǒng)的有效性和可靠性，根據(jù)Euro NCAP對車輛彈起式機蓋檢測要求，并結(jié)合對彈起式機蓋測試與開發(fā)的經(jīng)驗，彈起式機蓋必須滿足表1中的測試技術(shù)條件。

表1 彈起式機蓋測試技術(shù)條件

4.1 CAE仿真

彈起式機蓋車輛安裝的傳感器必須能夠識別一系列行人假人，包括6歲兒童假人、5百分位女性假人、50百分位男性假人、95百分位男性假人等。在CAE仿真中，每個假人都應(yīng)與車輛進行2次撞擊，在2次撞擊中只要有1次系統(tǒng)不識別即可判斷為HTD假人。

仿真中假人姿態(tài)應(yīng)符合以下要求。

a. 假人站姿要求。假人的站姿應(yīng)使其面部朝向垂直于車輛縱向中心平面的方向，保證車輛撞擊行人側(cè)面。假人的雙腿呈前后打開狀態(tài)，后側(cè)腿首先與保險杠接觸，腳后跟之間的距離滿足表2中的要求。如果車輛的造型導(dǎo)致假人前側(cè)腿首先與車輛保險杠接觸，則仍采用上述假人姿態(tài)進行擺放。

表2 模型中行人假人腳后跟之間距離規(guī)定 mm

b.H點高度要求。假人穿鞋垂直站立在地面上，使其H點距地面的高度滿足表3中的要求。

表3 模型中行人H點與地面之間的距離 mm

c. 摩擦因數(shù)。假人腳部與地面之間的摩擦因數(shù)應(yīng)為 0.3±0.1。

信息流可以通過不同的渠道得到。動態(tài)認知邏輯也可以模擬在群中的私人交流(考慮電子郵件bcc和cc)、復(fù)雜度的問題，可用于處理說謊和欺騙。

d. 測試速度。撞擊速度應(yīng)為能激活彈起式機蓋執(zhí)行機構(gòu)的最低車速。對應(yīng)每個假人的撞擊位置有2個，一個位于車輛中心線處（點1），另一個位于保險杠內(nèi)部防撞梁區(qū)域最外側(cè)位置（點2），如果彈起式機蓋的寬度（Wb）大于防撞梁的寬度（Ab），則需要添加附加點（點3）進行測試，如圖7所示。

仿真輸出的參數(shù)包括保險杠侵入量（D）、保險杠受力（F）、能量（E）和有效質(zhì)量（Me）等，依據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合傳感器類型顯示仿真模擬用假人與物理試驗中模塊的相關(guān)性，判斷HTD。HTD確定后，選擇合適的物理假人進行物理試驗。對于大部分車型，HTD一般為6歲兒童假人，故目前Euro NCAP選擇PDI模塊進行HTD物理測試，用于代表6歲兒童假人。

4.2 物理試驗

通過物理試驗對行人碰撞檢測系統(tǒng)和電腦控制系統(tǒng)的有效性進行驗證，選擇PDI-1作為碰撞模塊進行檢測系統(tǒng)驗證，見圖8，同時需要剛性腿沖擊器進行沖擊測試。PDI-1和剛性腿沖擊車輛前保險杠時，彈起式機蓋應(yīng)該彈起，物理試驗類型見表4。

物理試驗前需要進行如下準備：記錄碰撞及機蓋彈起過程的高速攝像機；確定試驗后撞擊位置所使用油彩；測試模塊飛行速度所用測速儀；執(zhí)行系統(tǒng)觸發(fā)時間顯示設(shè)備 （可用燈泡并聯(lián)到執(zhí)行系統(tǒng)）；彈起式機蓋彈起時間顯示儀器。

表4 物理試驗類型

進行沖擊試驗時，剛性腿或柔性腿模塊重約13.4 kg，安裝在設(shè)備推進器表面，以40 km/h速度、水平方向沖擊碰撞點，模塊不必安裝傳感器；也可使用等質(zhì)量的代替物進行測試。

彈起式機蓋的行人碰撞檢測系統(tǒng)能夠識別所有沖擊器并能夠觸發(fā)使機蓋彈起。若HTD假人與機蓋撞擊后機蓋能夠完全彈起，并且能夠保持在最大展開位置，則說明機蓋完全具備設(shè)計的保護行人的功能。如果機蓋在HTD假人頭部與機蓋撞擊后彈起或是不能永久保持在最大彈起位置，則說明機蓋不具備設(shè)計的保護行人的功能，甚至可能對行人造成更嚴重的傷害。

4.3 低于使執(zhí)行機構(gòu)彈起的車速測試

在低于使執(zhí)行機構(gòu)彈起的車速情況下，彈起式機蓋將按照設(shè)計不發(fā)生彈起，因相對于未安裝彈起式機蓋的車輛，安裝有彈起式機蓋的車輛其下方機構(gòu)相對復(fù)雜，這些機構(gòu)充當了硬點，固其對行人保護性能較差。因此，在此情況下，安裝彈起式機蓋的車輛在機蓋不彈起的情況下也要能夠?qū)π腥祟^部提供最低限度保護。Euro NCAP要求，在規(guī)定區(qū)域（圖9中深色網(wǎng)格點區(qū)域）應(yīng)滿足傷害值HIC＜1 350, 其中2/3的網(wǎng)格點的HIC≤1 000。

4.4 高車速測試

4.4.1 行人碰撞動力學(xué)分析

使用3歲兒童假人、6歲兒童假人、5%女性假人、50%男性假人、95%男性假人進行車輛碰撞動力學(xué)分析，撞擊速度分別為20km/h、40km/h和60km/h。試驗結(jié)果表明，不同身高假人碰撞結(jié)果不同，身高944 mm的3歲兒童假人頭部會與車輛保險杠發(fā)生碰撞，彈起式機蓋將不會對3歲兒童假人起保護作用，碰撞后會被撞飛；身高1 140 mm的6歲兒童假人頭部會與車輛的機蓋前緣發(fā)生碰撞，彈起式機蓋彈起高度足夠保護6歲兒童假人，故應(yīng)將6歲兒童作為彈起式機蓋保護的最小對象；5%女性假人和50%男性假人會與車輛的機蓋中部和后部產(chǎn)生碰撞，他們是彈起式機蓋的重點保護對象；95%男性假人會與車輛擋風(fēng)玻璃碰撞，故彈起式機蓋無法保護身材較高的假人。試驗結(jié)果還表明，車輛以60 km/h的速度撞擊6歲兒童假人時，假人頭部將會在假人與車輛碰撞零時刻后的第35 ms撞擊機蓋，因此彈起式機蓋從檢測行人到機蓋抬升到指定位置的時間最多為35 ms；假人身材愈高、速度愈低，則頭部撞擊機蓋時刻距假人與車輛碰撞時刻所需時間愈長。

假設(shè)彈起式機蓋從檢測行人到機蓋彈起需要30 ms，則可得到假人與車輛碰撞零時刻到頭部與機蓋發(fā)生碰撞時刻之間差值的關(guān)系，如圖10所示。

4.4.2 測試規(guī)程與要求

對安裝有彈起式機蓋的車輛，當車速達到設(shè)計值時，該車輛與行人發(fā)生碰撞后機蓋才能彈起，設(shè)計車速一般為20～50 km/h。Euro NCAP官方規(guī)定，當以50 km/h車速（彈起式機蓋彈起速度高限值）進行物理測試時，要求彈起式機蓋必須彈起，但對彈起的時間和高度沒有要求，利用表4中的HTD進行物理測試即可。

4.5 行人身體載荷造成機蓋變形的測試

彈起式機蓋與被動式機蓋相比缺少周圍支撐點的支撐（如減振膠塊），彈起式機蓋下方空間增大，如果機蓋強度不足，則在行人身體與車輛發(fā)生接觸而頭部尚未與機蓋發(fā)生碰撞時，由于行人身體沖擊機蓋會導(dǎo)致機蓋出現(xiàn)變形，此時會對行人的頸部造成傷害，因此Euro－NCAP要求頭部不應(yīng)被過度的機蓋變形所傷害。

當行人上半身施加載荷至機蓋且頭部與機蓋剛剛接觸時，通過測量分別處于彈起和非彈起狀態(tài)下機蓋與頭部接觸點在豎直方向載荷位移，完成行人身體載荷造成機蓋變形的測試。2種狀態(tài)下機蓋在頭部與機蓋接觸點位置豎直方向的載荷位移之差，不得超過機蓋在該點因彈起所產(chǎn)生高度變化值的75%，如圖 11 所示。 圖中 Z（1）和 Z（2）分別為未彈起機蓋和彈起機蓋狀態(tài)下由于身體載荷對機蓋頭部碰撞點產(chǎn)生的Z向壓潰位移；h（2）為彈起機蓋上某點因彈起所產(chǎn)生的高度變化值。由上述要求可知，Z（2）－Z（1）＜75%h（2）。

5 結(jié)束語

發(fā)動機彈起式機蓋技術(shù)的應(yīng)用可有效減少車輛對行人的傷害程度。分析了彈起式機蓋技術(shù)原理，以及Euro NCAP對彈起式機蓋測試法規(guī)要求，通過采用仿真與試驗相結(jié)合的研究手段，將彈起式機蓋設(shè)計與法規(guī)融為一體，為彈起式機蓋設(shè)計提出了統(tǒng)一要求。

1 劉庭志.基于行人保護的彈起式發(fā)動機罩研究與開發(fā)：[碩士論文].廣州：華南理工大學(xué),2012.

2 魏政君.基于行人保護的彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)的應(yīng)用研究：[碩士論文].廣州：華南理工大學(xué),2013.

3 Dominique Cesari.行人保護和車輛設(shè)計.汽車工程學(xué)報,2011,1（4）：366～371.