25%小偏置碰撞中后排乘員前傾量測(cè)量方法研究

于瀟 鄭萌

中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司 重慶市 401122

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故數(shù)量也在急劇攀升，據(jù)調(diào)查，在有汽車參與的交通事故中，正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞所占比例分別是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高，而小偏置碰撞又是正面碰撞中對(duì)駕乘人員傷害性較大的碰撞類型之一。因此，開展對(duì)25%小偏置碰撞中乘員前傾量測(cè)量方法的深入研究，已成為當(dāng)下汽車安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。

目前，車輛碰撞試驗(yàn)仍是衡量車輛被動(dòng)安全性能最直接也是最有效的手段，這是由于絕大對(duì)數(shù)的交通事故都是由碰撞所致，因此，通過對(duì)“汽車碰撞試驗(yàn)”的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，能夠真實(shí)的了解車輛在道路交通事故中對(duì)駕乘人員的保護(hù)程度。美國(guó)作為最早頒布小偏置碰撞法規(guī)的國(guó)家，于2012年8月，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)頒布了小偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，這是第一部對(duì)小偏置碰撞工況做出詳細(xì)要求并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)的測(cè)試體系。隨后，在2016年，我國(guó)在參考IIHS 偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多輪論證分析，最終提出了中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(C-IASI)測(cè)試評(píng)價(jià)體系。這是我國(guó)第一部包含25%小偏置碰撞的試驗(yàn)規(guī)程。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)、學(xué)者都對(duì)25%小偏置碰撞中涉及的車輛結(jié)構(gòu)、碰撞策略等進(jìn)行了優(yōu)化分析，但隨著偏置碰撞相關(guān)規(guī)程的不斷完善，會(huì)逐步引入對(duì)后排乘員的狀態(tài)監(jiān)控，目前行業(yè)內(nèi)就后排乘員前傾量測(cè)量方法的研究仍屬于空白，因此，本文以正面25%偏置碰撞評(píng)價(jià)規(guī)程為基礎(chǔ)，通過建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，利用位移傳感器及角度傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，對(duì)25%小偏置碰撞中乘員前傾的測(cè)量方法進(jìn)行研究。

2 小偏置碰撞試驗(yàn)的介紹

我國(guó)在根據(jù)IIHS 頒布的小偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出了中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（C-IASI），C-IASI 規(guī)程包括正面25%偏置碰撞試驗(yàn)，如下圖1 所示，為25%偏置碰撞工況示意圖，試驗(yàn)車輛以64.4km/h±1km/h 的速度、25%±1%的重疊率（駕駛員側(cè)）正面撞擊固定剛性壁障，剛性壁前端是半徑為150mm 弧度為115 的圓弧柱，駕駛員由Hybrid III 50%男性假人代替。在碰撞試驗(yàn)中，采集假人傷害數(shù)據(jù)、車體結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)、假人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而對(duì)試驗(yàn)車型的安全性能進(jìn)行評(píng)估。

圖1 小偏置碰撞工況的示意圖

其中，試驗(yàn)工況中涉及的壁障為剛性壁障，壁障固定于車輛牽引方向駕駛員側(cè)的地面上，其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖2、3 所示。距離為。

圖2 壁障頂部和軸側(cè)視圖

圖3 壁障側(cè)面和正面視圖

3 模型的建立

在車輛碰撞試驗(yàn)中，由于慣性力的存在，乘員的前傾時(shí)間約為300ms，對(duì)后排乘員前傾量的測(cè)量，實(shí)則是測(cè)量頸部支架位置的空間位移量（峰值約400mm）。由于傳統(tǒng)拉線式位移測(cè)量方法的局限性，因此文中提出新的測(cè)量方法：本方法中所測(cè)量的位移并不是直接經(jīng)過傳感器測(cè)量得出，而是通過建立車輛三維坐標(biāo)系構(gòu)建位移解算模型，將采集到的位移數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而獲取乘員在車輛坐標(biāo)系X、Y、Z 方向的前傾量。

參考C-IASI 偏置碰撞規(guī)程中坐標(biāo)系的定義，取車輛后排中心為原點(diǎn)，建立車輛三維坐標(biāo)系，從前向后為X 軸的正方向，從左向右為Y 軸的正方向，Z 軸垂直向上，如下圖4 所示，后排假人頸部支架安裝在距離Z 軸的Y 軸正方向上，兩個(gè)角度傳感器分別位于X 軸、Z 軸方向上，位移傳感器位于Z 軸上，且與原點(diǎn)的

圖4 位移解算模型

由上述所構(gòu)建的模型可得，在后排假人前傾過程中，具體的位移解算公式如下：

式中：

D:乘員前傾方向（X）解算位移；

D:乘員前傾方向（Y）解算位移；

D:乘員前傾方向（Z）解算位移；

Δ:位移傳感器的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)量；

:位移傳感器固定安裝點(diǎn)到假人頸部支架固定點(diǎn)的距離；

:角度傳感器的測(cè)量值；

:角度傳感器的測(cè)量值；

:角度傳感器的初始值；

:角度傳感器的初始值；

其中，為了消除安裝造成的解算誤差，在試驗(yàn)開始時(shí)測(cè)量得到各角度傳感器初始值，在解算公式中，對(duì)測(cè)量結(jié)果加以修正。其次，在實(shí)際裝配過程中，略等于0，而在實(shí)際測(cè)試中，此解算模型可以測(cè)量乘員前傾過程中所有方向的位移量，即空間位移量，也可以基于指定某平面來解算投影在平面內(nèi)的位移量。

4 測(cè)量方法的確定

4.1 測(cè)量模塊的確定

在本文所提出的乘員前傾量測(cè)量方法中，原始數(shù)據(jù)的測(cè)量模塊主要由兩個(gè)角度傳感器和一個(gè)位移傳感器組成。為了減小假人受到?jīng)_擊時(shí)，假人對(duì)測(cè)量模塊的反作用力，位移傳感器需具備低阻力的特點(diǎn)；為了提高測(cè)量精度，減小試驗(yàn)誤差，角度傳感器需具備高精度的特點(diǎn)，具體的選型如下表1 所示。

表1 傳感器的選型

為降低測(cè)量模塊對(duì)假人的作用，整個(gè)測(cè)量模塊固定于支撐桿上，如下圖5 所示，為測(cè)量模塊裝配的三維示意圖。

圖5 測(cè)量模塊裝配圖

測(cè)量模塊通過螺紋固定于安裝支架上，支架采用極輕、高強(qiáng)度鋁合金或者碳纖維材質(zhì)，可上下伸縮并配有把手進(jìn)行固定。此外，還配備吸盤支架固定于側(cè)窗玻璃處，從而實(shí)現(xiàn)全自由度鎖定。支撐桿可以通過強(qiáng)力吸盤固定于車內(nèi)空間，也可通過在車頂打孔布置螺紋固定的方案，加強(qiáng)支撐桿的固定能力。

此外，測(cè)量模塊測(cè)量端即位移傳感器的拉桿球頭位置固定于假人頸部支架位置上，頸部支架測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于固定支架的相對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量。固定支架可通過調(diào)節(jié)的方案與整車坐標(biāo)系重合，如下圖7 所示。

圖7 連接示意圖

4.2 電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

文中提出的乘員前傾量測(cè)量方法，所涉及的電氣系統(tǒng)采用直流12V供電，由位移傳感器、

圖6 支撐桿

傳感器信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和計(jì)算，生成測(cè)量端的空間軌跡?？梢灾付ㄆ矫鎸?duì)空間軌跡進(jìn)行投影，也可直接生產(chǎn)空間軌跡圖，輸出空間軌跡位移量。相較于拉線測(cè)量方案，可獲得空間位移曲線，且精度更高。

5 總結(jié)

本文在25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出一種后排乘員前傾量的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)的拉線式位移測(cè)量方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本方法中所測(cè)量的位移并不是直接經(jīng)過傳感器測(cè)量得出，而是通過建立車輛三維坐標(biāo)系構(gòu)建位移解算模型，將采集到的原始位移數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而獲取乘員在車輛坐標(biāo)系X、Y、Z 方向的前傾量；

（2）測(cè)量方案中高精度傳感器與信號(hào)采集系統(tǒng)的引入，極大的提升了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)運(yùn)算的準(zhǔn)確度；

此方法的提出旨在解決后排乘員前傾量測(cè)量的難題，為偏置碰撞中后排乘員狀態(tài)的監(jiān)控提供方法依據(jù)。