正面小區(qū)域碰撞討論

李燦民，陳永光，陳東樂

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

正面小區(qū)域碰撞討論

李燦民，陳永光，陳東樂

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

伴隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于汽車的安全性能也日益關(guān)注。在碰撞安全法規(guī)上，目前最嚴(yán)苛的當(dāng)屬美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS提出的正面小區(qū)域碰撞。本文先介紹該碰撞測(cè)試的緣由、背景及測(cè)試工況，而后通過現(xiàn)有的實(shí)車測(cè)試報(bào)告及仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)正面小區(qū)域碰撞過程中的碰撞力傳遞、能量傳遞、左側(cè)B柱加速及車輛入侵量進(jìn)行說明與分析，并總結(jié)出為什么在市多款車型在該碰撞測(cè)試下成績(jī)不優(yōu)秀及對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出方案。

正面碰撞；被動(dòng)安全；小區(qū)域碰撞；車輛入侵；能量傳遞；碰撞力傳力

CLC NO.:U467.3 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-102-03

前言

近幾年隨著中國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，中國(guó)已超越美國(guó)成為世界第一大汽車產(chǎn)銷國(guó)，2013年中國(guó)汽車產(chǎn)銷分別為2212萬輛和2200萬輛，汽車產(chǎn)銷雙雙超過2200萬輛，蟬聯(lián)全球第一。巨大的汽車保有量也帶來了嚴(yán)峻的交通安全問題。幸運(yùn)的是，如今汽車在科研機(jī)構(gòu)及廠商的調(diào)試下，各方面性能都有了很大的提高，就拿汽車被動(dòng)安全中的碰撞安全來說，現(xiàn)在市場(chǎng)上的90%汽車都能通過新車評(píng)價(jià)規(guī)程N(yùn)CAP（New Car Assessment Program）的100% 正面剛性壁碰、40%正面偏置可變形壁碰、側(cè)面可變形移動(dòng)壁碰、側(cè)面柱撞以及行人保護(hù)和后面碰撞測(cè)試考驗(yàn)。這些在碰撞測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)秀的車輛為何在現(xiàn)實(shí)的交通事故中還造成那么大的人員傷亡。[1]

1、正面小重疊碰撞測(cè)試

1.1 事故類型

根據(jù)IIHS對(duì)事故的統(tǒng)計(jì)，正面40%重疊率碰撞占到24%，這個(gè)有相應(yīng)的40%正面偏置可變形壁碰測(cè)試來模擬，在低強(qiáng)度正面碰撞事故中，雖然它也達(dá)到了19%，但是其事故的傷亡率低，因此對(duì)于其討論就少。值得注意的是，在小區(qū)域重疊率碰撞中，其所占的比例達(dá)到24%，與正面40%重疊率壁碰并列第一，如圖1所示[2]。事故分析說明，小區(qū)域碰撞更能模擬真實(shí)的汽車碰撞情況，且暫無出臺(tái)相應(yīng)的碰撞法規(guī)，因此，IIHS即開展了小重疊率碰撞測(cè)試。

圖1 正面交通事故中同類型事故所占比例

1.2 測(cè)試工況介紹

車輛以（64.4±1)Km/h的速度撞擊剛性壁障(壁障高度為1524mm，倒角半徑為150 mm)，車輛與壁障的重疊率為25%，駕駛員位置放置一個(gè)HybridⅢ50%男性假人用以測(cè)量假人傷害。[3]如圖2所示：

圖2 小區(qū)域碰撞測(cè)試工況

2、碰撞過程分析

本文是根據(jù)汽車實(shí)車碰撞及計(jì)算機(jī)仿真軟件得到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析概括和總結(jié)，得出汽車在小區(qū)域碰撞條件的汽車的結(jié)構(gòu)變化量及相關(guān)參數(shù)在碰撞過程中的變化。

圖3 碰撞力傳遞圖

2.1 車身傳遞力路徑分析端開始傳遞，傳遞到前擋板，經(jīng)過輪胎到懸架系統(tǒng)后傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)防火層，最后傳遞到車身上。上縱梁幾乎不參與碰撞過程中傳力過程，下縱梁只起到部分的作用[4]。如圖3所示。

2.2 碰撞過程中能量分析

在碰撞過程中，能量吸收分布如圖4所示。緩沖吸能區(qū)是零部件壓潰后變形區(qū)域，該吸能區(qū)為主要吸能區(qū)。

通過傳遞力的路徑的分析，相比于其他的兩種碰撞來說，小區(qū)域碰撞區(qū)域集中在汽車車角的一側(cè)，幾乎繞開了保險(xiǎn)杠、防撞梁、吸能盒、縱梁等主要的吸能部件[5]，碰撞的能量不能夠被合理的吸收，且前擋板、輪胎及懸架系統(tǒng)吸收的能量相對(duì)有限，很大一部分能量直接傳遞到車身上，乘員艙直接將這些能量吸收，因此會(huì)發(fā)生較大的載荷沖擊而產(chǎn)生較大的變形量，因此小區(qū)域碰撞對(duì)乘員艙的破壞程度比其他兩種碰撞測(cè)試破壞車程度相對(duì)來說要更大些，對(duì)人體的損傷也更大。

汽車碰撞過程中，碰撞力的傳遞主要是通過保險(xiǎn)杠、防撞梁、吸能盒、縱梁、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、副車架、上縱梁傳遞到整個(gè)乘員艙。相對(duì)于正面40%重疊率可變形壁碰及100%剛性壁碰來講，小區(qū)域碰撞具有碰撞力傳遞不規(guī)律的特點(diǎn)。小區(qū)域碰撞的傳遞力就比較的特別，碰撞力經(jīng)過保險(xiǎn)杠橫梁的一

圖4 吸能分區(qū)

2.3 左側(cè)B柱加速度分析

我們通過對(duì)陳可明的“國(guó)內(nèi)某車型小偏置正面碰撞的全面評(píng)估中”的左側(cè)B柱加速分析可以得出小區(qū)域碰撞的加速度峰值要比正面40%重疊率可變性壁碰的峰值來得大，這將會(huì)對(duì)乘員艙的乘客產(chǎn)生極大的傷害。造成小區(qū)域碰撞加速度峰值高的主要原因是因?yàn)榕鲎策^程中，緩沖吸能區(qū)及過渡吸能區(qū)的主要部件沒有參與吸能工作，或者說是參與吸收碰撞能量的部件吸收率不足，導(dǎo)致較大的能量直接傳遞到安全區(qū)中，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度峰值。[6]

值得注意的是，由于小區(qū)域碰撞不具有對(duì)稱性，沖擊作用力不會(huì)通過汽車的型心，因此將產(chǎn)生一個(gè)力矩，使得車輛繞著垂直軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)于乘客上身的傷害將是頭部與方向盤或者車門框左側(cè)區(qū)域甚至是A柱發(fā)生碰撞，此時(shí)安全氣囊無法提供必要的保護(hù)，對(duì)乘員的頭部將產(chǎn)生極大的損傷。

2.4 車身入侵量分析

在小區(qū)域重疊率碰撞過程中，車身門框前緣向后的位移量大，這會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)的儀表盤橫梁及方向盤向后移動(dòng)，且轉(zhuǎn)向盤管柱也將向后移動(dòng)，對(duì)駕駛員的胸部頭部產(chǎn)生極大的傷害。再者，由于輪胎和懸架系統(tǒng)因變形而向后位移，進(jìn)而影響剎車踏板、離合器踏板和油門踏板的向后移動(dòng)，因此對(duì)乘員下肢產(chǎn)生極大的入侵傷害。[7]在嚴(yán)重的乘員艙變形情況下，不利于駕駛員的逃生，為后續(xù)救援造成了不便。如圖5所示：

圖5 車輛入侵實(shí)圖

3、小區(qū)域重疊率碰撞結(jié)果探討

通過對(duì)在已經(jīng)測(cè)試車型報(bào)告及仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察分析，在小區(qū)重疊率碰撞測(cè)試中，測(cè)試成績(jī)不理想，多款在100%正面剛性壁碰和正面40%重疊率偏置壁碰表現(xiàn)出色的車輛在該測(cè)試中表現(xiàn)成績(jī)不佳。出現(xiàn)該問題的原因主要由以下幾個(gè)方面：

3.1 車輛結(jié)構(gòu)不夠完整

安全籠式(safety cages)的出現(xiàn)，極大的保證了車身在正面碰撞或者中度偏置碰撞過程中不會(huì)產(chǎn)生較大的變形量，甚至說車身不變形[8]。小區(qū)域碰撞發(fā)生時(shí)，碰撞接觸點(diǎn)就發(fā)生了改變，撞擊主要集中在車頭邊角的1/4面積的區(qū)域，碰撞力直接沖擊輪胎、懸架系統(tǒng)后傳遞到防火墻，使得輪胎侵入乘員艙，對(duì)駕駛員的下肢產(chǎn)生傷害。此外，門框的較大變形量將導(dǎo)致儀表盤后移，對(duì)乘員的上半身也將產(chǎn)生傷害。

3.2 安全保護(hù)系統(tǒng)不能正常發(fā)揮作用

當(dāng)車輛發(fā)生小區(qū)域碰撞過程中，由于碰撞作用不對(duì)稱，往往會(huì)發(fā)生偏移，乘客伴隨了車輛的偏移而撞擊到車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。由于轉(zhuǎn)向柱及駕駛員座安全氣囊發(fā)生偏移，乘客可能會(huì)錯(cuò)過氣囊保護(hù)，頭部和胸部直接撞擊撞擊方向盤左側(cè)及車門框。再者側(cè)氣囊和頭部保護(hù)氣簾和胸部保護(hù)氣囊有可能沒有爆開，或者爆開的太晚以及氣囊的保護(hù)面積不夠而起不到保護(hù)作用。

3.3 二次碰撞損傷

由于小區(qū)域重疊率碰撞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)矩，車輛在碰撞后可能會(huì)在該轉(zhuǎn)矩下改變運(yùn)動(dòng)方向而造成二次碰撞。二次碰撞時(shí)，由于車輛的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不完整，提供不了完整的安全保障，因此會(huì)對(duì)乘員產(chǎn)生二次傷害。

4、總結(jié)

小區(qū)域重疊率碰撞更加的接近實(shí)際事故中的情景，且其對(duì)乘員的傷害是很嚴(yán)重的，因此對(duì)于汽車制造商來說是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。通過對(duì)小區(qū)域重疊碰撞的分析，我們可以從以下幾個(gè)方面來提高車輛的安全性能。1.考慮到縱梁在小區(qū)域重疊率碰撞過程中不參加作用，我們考慮將縱梁前端添加個(gè)分支，做成類似Y性結(jié)構(gòu)，增加碰撞過程中接觸面積，進(jìn)而達(dá)到分解力和吸能的作用。2.加強(qiáng)車門框的強(qiáng)度，使其在碰撞過程中變形量小，以減少后移量。3.對(duì)轉(zhuǎn)向管及剎車踏板的優(yōu)化，減少其后移對(duì)乘員的損傷。4.優(yōu)化安全保護(hù)系統(tǒng)，充分考慮安全氣囊是否能及時(shí)展看，且能否覆蓋方向盤左側(cè)位置。

[1] Hallman J J,Yoganandan N, Pintar F A, et al. Injurydifference between small and large overlap frontal crashes[C]// 55th Annals of Advances in Automotive Medicine.

[2] Sherwood C P, Nolan J M, Zuby D S. Characteristics ofsmall overlap crashes [C]// Proc the 21th Int’l Tech Confon the Enhanced Safety of Vehicles, Germany, 2009, PaperNo. 09-0423.

[3] Insurance Institute for Highway Safety (IIHS). SmallOverlap Frontal Crashworthiness Evaluation Crash TestProtocol (Version I), IIHS secretary [S]. Oct, 2012.

[4] 劉珍海,喬磊磊,正面小重疊碰撞工況模擬研究與實(shí)車優(yōu)化分析,汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)[J]，2012年,第3卷第4期.

[5] 郭正輝等,汽車安全新挑戰(zhàn)—小偏置正面碰撞,汽車與配件[J], 2013-13-(No.4).

[6] 陳可明,胡麗君,胡晏殊,國(guó)內(nèi)某車型小偏置正面碰撞的全面評(píng)估,汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)[J],2013年,第4卷第1期.

[7] 王占強(qiáng),再出狠招獨(dú)家揭秘IIHS小區(qū)域重疊偏置碰撞試驗(yàn).世界汽車.[J],2013(02).

[8] 賈江偉,SUV多數(shù)不過關(guān)中級(jí)車逆襲25%偏置碰撞大考析.產(chǎn)品可靠性報(bào)告.[J],2013(08).

Small-area frontal-impact discuss for a vehicle

Li Canmin, Chen Yongguang, Chen Dongle
（Institute of transportation, Chongqing jiaotong university, Chongqing 400074）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.035

With the continuous development of automobile technology, there are growing concerns for car safety performance is also.On the collision safety regulations, at present the most severe is the insurance institute for highway safety IIHS collision on the front of the small area is put forward.First introduced in this paper that the cause of the crash test, background and test conditions, and then through the existing real vehicle test report and in the process of simulation test data for small area positive collision collision force transfer, energy transfer, acceleration and the vehicle on the left side of the B column invasion by description and analysis, and why is summarized in the city, many models under the collision test result is not good, and the improvement of vehicle structure scheme is put forward.

frontal-impact; Small-area impact; Vehicle invasion; energy pass; Collision force transfer

U467.3

B

1671-7988(2016)01-102-03

李燦民，就讀于重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院。