快遞專用電動三輪車行人碰撞事故傷害研究[1]

文/趙汝濤 繆文泉 吳 斌

快遞專用電動三輪車行人碰撞事故傷害研究[1]

文/趙汝濤 繆文泉 吳 斌

快遞專用電動三輪車在非機(jī)動車道行駛中與行人發(fā)生碰撞的幾率很大。本文參考國內(nèi)外的行人保護(hù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，從動力學(xué)角度對碰撞過程進(jìn)行簡化，研究快遞專用電動三輪車與行人發(fā)生碰撞時的事故特征，可能導(dǎo)致的行人傷害情況和死亡風(fēng)險，并提出相應(yīng)的措施。

快遞專用電動三輪車 行人保護(hù) 事故特征

如果定義快遞專用電動三輪車（以下簡稱“快遞三輪車”）為非機(jī)動車，在非機(jī)動車道、混合車道以15 km/h的速度行駛，與行人、騎車人發(fā)生碰撞的幾率要遠(yuǎn)高于其他車輛。由于其重量和外廓尺寸與汽車存在明顯差異，兩者的碰撞模式和碰撞特征也相差甚大。為了方便分析，本文以快遞三輪車和行人碰撞為基本模型，進(jìn)行事故傷害特征分析。

汽車與行人碰撞對行人造成的傷害，世界各國早已開展研究。2003年11月，歐盟頒布世界上第一個行人碰撞法規(guī)——Directive 2003/102/EC，提出了碰撞事故中對行人保護(hù)強(qiáng)制性法規(guī)要求。目前國外的Euro-NCAP、GTR、IIHS等組織和機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了獨(dú)立的行人保護(hù)評價體系，旨在避免行人在碰撞事故中受傷。我國于2013年開始實施GB/T 24550-2009《汽車碰撞時對行人的保護(hù)》，本文參考此法規(guī)設(shè)計了快遞三輪車的行人保護(hù)碰撞分析試驗。

一、快遞三輪車與行人碰撞事故特征分析

快遞三輪車在非機(jī)動車道、小區(qū)混合車道行駛，與行人、自行車騎車人發(fā)生碰撞的幾率要遠(yuǎn)高于關(guān)注行人保護(hù)設(shè)計的普通乘用車。如圖1所示，在設(shè)計之初，此類電動車幾乎不考慮碰撞事故中車輛對行人的保護(hù)功能，所以一旦發(fā)生交通事故，行人受傷的概率和程度會大幅增加。

圖1 快遞專用電動三輪車示例

對比普通汽車設(shè)計，快遞電動三輪車無發(fā)動機(jī)罩蓋、前保險杠等薄覆蓋件，造型比傳統(tǒng)汽車車輛前端更短，接觸面更豎直；前輪外伸缺少保險杠包裹，會與行人身體發(fā)生接觸產(chǎn)生撞擊或碾壓，對比見圖2。

圖2 普通汽車和快遞三輪車與行人的碰撞過程

1.碰撞過程的特征和分析

根據(jù)圖2對比，發(fā)現(xiàn)快遞三輪車在與行人發(fā)生碰撞過程的特征和差異如下：

① 第一碰撞接觸點(diǎn)。普通乘用車首次接觸的撞擊點(diǎn)在小腿膝蓋附近，而快遞三輪車的第一撞擊點(diǎn)有兩種情況：一是在小腿下半部分的脛骨位置；二是在小腿上半部分的股骨位置。

② 人體旋轉(zhuǎn)角度。普通轎車的前端為發(fā)動機(jī)罩蓋，重心位置較低，人體旋轉(zhuǎn)的角度較大，而快遞三輪車前端無發(fā)動機(jī)罩蓋，重心位置較高，所以旋轉(zhuǎn)角度很小。

③ 頭部撞擊位置。普通轎車前端包絡(luò)線較長，頭部的撞擊位置集中在發(fā)動機(jī)罩蓋和擋風(fēng)玻璃下端，撞擊A柱的可能性較小?？爝f三輪車前端較短，頭部撞擊位置集中在擋風(fēng)玻璃上，撞擊A柱的可能性較大。

④ 車輛內(nèi)部乘員傷害。普通轎車內(nèi)部前排配備有安全帶和安全氣囊，在碰撞中能較好地保護(hù)乘員，避免撞擊硬點(diǎn)；快遞三輪車成本很低，沒有安全帶，在碰撞中乘員與車輛的撞擊受傷可能性更大。

2.計算機(jī)模擬事故

通過計算機(jī)模擬快遞三輪車與行人發(fā)生碰撞事故，如圖2所示?？爝f三輪車設(shè)計最大質(zhì)量約為500 kg，與重量為75 kg的行人發(fā)生碰撞時，碰撞相容性差，大部分能量被行人吸收造成傷害。快遞三輪車與行人碰撞過程中的動力學(xué)分析主要存在如下三個過程：

① 第一階段。行人頭部、腿部與快遞三輪車前端發(fā)生碰撞，造成行人頭部和腿部的傷害。

② 第二階段。被撞行人被車體反彈，與地面發(fā)生碰撞，造成頭部的傷害。

③ 第三階段。碰撞后行人發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)和側(cè)移，被撞行人更容易滑倒在其他車道。

本研究參考GB/T 24550-2009要求，考慮實際中行人與快遞三輪車撞擊的不同特點(diǎn)，對試驗流程及操作進(jìn)行有針對性的設(shè)計。

二、行人與快遞三輪車碰撞一次傷害特征分析

快遞三輪車的頭部撞擊危險區(qū)域包括：A柱、駕駛員投影擋風(fēng)玻璃區(qū)域等。危險區(qū)域如圖3線條標(biāo)識。根據(jù)圖3區(qū)域面積對比分析，發(fā)生行人頭部碰撞時，撞擊危險區(qū)域概率為75%。

腿部危險區(qū)域分析：如圖3線條區(qū)域的硬點(diǎn)較多，且下部屬于中空區(qū)域，與小腿撞擊時會使小腿產(chǎn)生明顯的彎矩和位移（骨折危險）。

圖3 快遞三輪車頭部和腿部危險區(qū)域劃分

1. 行人頭部碰撞試驗的傷害分析

快遞三輪車以設(shè)計車速15 km/h為頭部撞擊試驗速度。按圖4選擇試驗快遞三輪車頭部試驗點(diǎn)，試驗中，設(shè)計行人與電動車的X軸0°（平行直接碰撞）、與X軸成45°（夾角）兩種工況進(jìn)行討論。行人保護(hù)頭部試驗均參考GB/T 24550-2009要求進(jìn)行。試驗結(jié)果見表1。

圖4 劃分區(qū)域并選擇試驗快遞三輪車頭部試驗點(diǎn)

表1 本次頭部試驗基本情況

快遞三輪車碰撞速度為15 km/h時，頭部HIC值約在500~600之間，根據(jù)圖5頭部HIC與AIS指標(biāo)之間的關(guān)系，可知上述試驗中頭部的傷害等級為AIS2，容易造成腦震蕩、視網(wǎng)膜脫落等危險傷害。

圖5 HIC與AIS指標(biāo)的關(guān)系

表2 AIS傷害等級情況描述

2. 行人腿部碰撞試驗的傷害分析

腿部試驗主要包括大腿試驗和小腿試驗。在此碰撞中的主要傷害在小腿的撞擊和變形。因此，本試驗選用柔性腿模型進(jìn)行小腿試驗。試驗區(qū)域為圖6中的Y3和Y4點(diǎn)位置，此高度為小腿上半部分股骨直接接觸區(qū)域。試驗結(jié)果如表3所示。

圖6 腿型試驗區(qū)域

表3 腿部試驗情況介紹

觀察圖7中Y4點(diǎn)試驗的全過程，在撞擊初始時，膝蓋和股骨首先接觸車身，產(chǎn)生彎矩和位移，后續(xù)脛骨部位接觸產(chǎn)生力矩。通過腿部的試驗結(jié)果，結(jié)合試驗的視頻動畫，可見腿部受到傷害最嚴(yán)重的階段是行人與車輛的第一次碰撞階段。撞擊時小腿的上下兩部分會分別撞擊到車輛上產(chǎn)生彎矩。如果彎矩傷害值較大，膝蓋內(nèi)部韌帶位移變形量也會增加較多；如果撞擊到硬點(diǎn)位置，則會造成腿部骨折。

圖7 小腿撞擊試驗過程截圖

三、行人與地面碰撞的二次傷害分析

由于車輛重量遠(yuǎn)大于行人，被撞人體承受車體的彈力發(fā)生反彈運(yùn)動，可以簡化為初速度——反彈速度（15 km/h）繞身體支點(diǎn)（腳部）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，倒向地面。因為快遞三輪車主要是低速運(yùn)行，且外覆蓋面堅硬平直，如果忽略碰撞的能量吸收，被撞行人的反彈速度最高為15 km/h。根據(jù)反彈的速度和被撞行人的落點(diǎn)情況，快遞三輪車與頭部倒地的情況，可分成如表4所示的四種情況。

被撞行人與地面撞擊極為危險，選取速度最低、傷害較輕的工況3（頭部高度為0.5~0.6 m、反彈速度為0 km/h），驗證自由落體運(yùn)動時頭部的傷害水平。將上述第二階段的碰撞過程簡化為豎直方向上的自由落體運(yùn)動：即頭部自由落體運(yùn)動，通過傷害值判定此階段中頭部的受傷程度。試驗設(shè)計如圖8。

表4 碰撞后行人倒地分析km/h

圖8 自由落體原理和試驗圖

基于速度等效原則，在此設(shè)置落體的高度從500~600 mm之間變化，根據(jù)設(shè)計的試驗流程進(jìn)行頭部自由落體試驗，對每次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。

表5 自由落體試驗結(jié)果

在前述試驗中如果行人被撞后，再以11.3～12.3 km/h的速度與地面產(chǎn)生二次碰撞，頭型HIC值大于1 500。如前分析，工況3是四種倒地情況中撞擊速度最低的，故在真實的交通事故情況下的傷害會十分嚴(yán)重，極容易出現(xiàn)死亡現(xiàn)象（AIS5+，AIS6）。

四、碰撞發(fā)生的其他衍生事故分析

當(dāng)碰撞結(jié)束，人體受車體反彈力會發(fā)生橫向的旋轉(zhuǎn)和側(cè)移，滑倒在相鄰車道，易遭受其他車輛的第三次撞擊和碾壓。如圖9所示，此時行人已經(jīng)受到傷害，如果再遭受其他車輛的撞擊和碾壓，會有生命危險。

圖9 第三次碰撞示意圖

五、結(jié) 語

經(jīng)對快遞三輪車與行人發(fā)生事故碰撞時的三個階段的分析，快遞三輪車與行人碰撞時跟汽車相比：頭部撞擊危險區(qū)域的概率更高，小腿與快遞三輪車的首次撞擊位置會更高。以15 km/h的速度與行人發(fā)生碰撞，一次碰撞會造成行人(或自行車乘員)頭部腦震蕩傷害的概率為AIS2+，腿部存在骨折風(fēng)險；頭部的二次碰撞試驗傷害遠(yuǎn)大于一次碰撞，造成的生物力學(xué)傷害等級會達(dá)到AIS4+（重度腦震蕩或死亡），存在嚴(yán)重的死亡危險。

綜上所述：快遞三輪車在非機(jī)動車道、混合車道行駛，鑒于其相對龐大的體型，與非機(jī)動車或行人產(chǎn)生碰撞的事故率很高。為了更好地保障行人安全，建議對此類型快遞三輪車的造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如：快遞三輪車的前輪需要由薄覆蓋件包裹，避免與行人發(fā)生直接接觸；縮短三輪車前輪的外伸長度，可以降低碰撞后行人的腿部彎折風(fēng)險；車輛內(nèi)部配備安全帶，可以有效地保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

Based on the pedestrian protection laws and regulations at home and abroad, and by simplifying the collision process from the perspective of dynamics, this paper studies the characteristics of accident which happen between electric tricycle for express service use and pedestrians. Furthermore, the paper analyses the potential pedestrian injury and risk of death due to collision between electric tricycles for express service use and pedestrians.

Express electric tricycle; Pedestrian protection; Accident characteristic

（作者單位：上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司）

注：[1] 上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目：上海市汽車安全檢測專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺（編號：16DZ2291000）