某輕型客車行人保護(hù)改進(jìn)的試驗(yàn)研究

胡 偉， 魏春德， 覃禎員， 張永春

(1.重慶車輛檢測(cè)研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401122;2.中通客車控股股份有限公司, 山東 聊城 252000)

行人安全保護(hù)是汽車安全領(lǐng)域非常重要的組成部分，行人保護(hù)設(shè)計(jì)與車輛前端布置、造型、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)[1-4]。國外高校和研究機(jī)構(gòu)早在上世紀(jì)便開始了對(duì)交通事故中行人生物損傷機(jī)理的分析，并致力于行人保護(hù)法規(guī)的研究[5-7]。目前歐美多國已將行人保護(hù)法規(guī)作為強(qiáng)制性要求，使得各大汽車企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮車輛的行人保護(hù)作用[8-9]。行人與汽車發(fā)生碰撞時(shí)，受到中度傷害的各部位中，下肢的比例最高，接近40%[10-11]。本文基于GTR 9評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)某輕型客車進(jìn)行行人剛性腿碰撞試驗(yàn)和結(jié)果分析，并提出了較低成本的車輛前端結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。

1 行人剛性腿型試驗(yàn)評(píng)估

1.1 剛性腿沖擊模型

剛性腿沖擊模型由2個(gè)外覆泡沫的剛性圓管組成，分別模擬大腿長骨和小腿長骨。圓管直徑為(70±1)mm，2根圓管之間由可變形的模擬膝蓋關(guān)節(jié)片連接。圓管外面包覆有25 mm的模擬肌肉和6 mm的模擬皮膚，模擬肌肉由CF-45型ConforTM泡沫制成，模擬皮膚由氯丁(二烯)橡膠泡沫制成。剛性腿沖擊模型總長度為(926±5)mm，總質(zhì)量為(13.4±0.2)kg。在小腿的非碰撞側(cè)距離膝部中心以下(66±5)mm處有單軸向的加速度傳感器，用來測(cè)量小腿上端加速度；在腿型模擬膝蓋處裝有電位計(jì)傳感器和電位桿機(jī)構(gòu)，用來測(cè)量膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角、膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移[12-13]。

1.2 試驗(yàn)及評(píng)估

根據(jù)GTR 9《關(guān)于機(jī)動(dòng)車碰撞時(shí)對(duì)行人及弱勢(shì)道路使用者加強(qiáng)保護(hù)和減輕嚴(yán)重傷害的認(rèn)證統(tǒng)一規(guī)定》，下腿型試驗(yàn)時(shí)膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角度不大于19°，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移不大于6 mm，小腿上端加速度應(yīng)不大于170g。

按照GTR 9小腿碰撞區(qū)域劃分規(guī)則，選取LL1、LL2、LL3 3處碰撞位置進(jìn)行剛性腿型碰撞試驗(yàn)，如圖1所示。剛性腿型碰撞試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖2所示，3處碰撞點(diǎn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 碰撞區(qū)域劃分及選點(diǎn)位置

(a) LL1點(diǎn)(前保險(xiǎn)杠左側(cè))

(b) LL2點(diǎn)(前保險(xiǎn)杠中部)

(c) LL3點(diǎn)(前保險(xiǎn)杠右側(cè))

位置代號(hào)小腿上端加速度g膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角度/(°)膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移/mmLL1191.511.1155.524LL222314.9285.661LL3291.514.2963.119

1.2.1 小腿上端加速度分析

由圖2可知，LL1點(diǎn)的小腿上端加速度曲線在5 ms左右達(dá)到第一個(gè)峰值，約80g，意味著小腿首先與保險(xiǎn)杠接觸；隨著剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，小腿上端加速度在16 ms左右達(dá)到最大值，約191.5g，超過小腿上端加速度限值約12.6%。說明LL1點(diǎn)處車輛前端結(jié)構(gòu)剛度較大。之后小腿開始反彈，在29 ms左右達(dá)到波谷，小腿與車輛分離。29 ms以后的曲線是由小腿反彈過程中的擺動(dòng)引起的，呈衰減趨勢(shì)。

LL2點(diǎn)處的曲線與LL1點(diǎn)曲線趨勢(shì)類似，也存在加速度峰值超標(biāo)問題，LL2點(diǎn)處小腿上端加速度峰值超過限值約31%。

LL3點(diǎn)處小腿上端加速度曲線在11 ms左右達(dá)到第一個(gè)峰值，約291.5g，超出標(biāo)準(zhǔn)限值約71.5%；之后小腿在15 ms達(dá)到反向峰值，該反向峰值的出現(xiàn)是由于小腿反彈后跌落至地面引起。

因此需要改進(jìn)車輛前端結(jié)構(gòu)，以改善小腿與車輛前端的接觸剛度。建議采用緩沖吸能結(jié)構(gòu)避免剛度過強(qiáng)導(dǎo)致?lián)p傷超標(biāo)。

1.2.2 膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角分析

由圖2可知，小腿在LL1點(diǎn)先與前保險(xiǎn)杠泡沫接觸，到15 ms左右達(dá)到峰值，約11.115°；之后小腿的反彈，膝部彎曲角度出現(xiàn)震蕩衰減。LL2點(diǎn)在26 ms左右達(dá)到峰值，約14.928°。LL3點(diǎn)在23 ms左右達(dá)到峰值，約14.296°。車輛對(duì)膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角滿足GTR 9要求。

1.2.3 膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移分析

從圖2可知,LL1點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在7 ms左右達(dá)到正向峰值，約4 mm；隨著剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在19 ms左右達(dá)到反向最大，為5.524 mm。LL2點(diǎn)在9 ms左右達(dá)到第一個(gè)峰值，約2.2 mm；隨著剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在19 ms左右達(dá)到反向最大，為5.661 mm。LL3點(diǎn)在11 ms左右達(dá)到正向峰值，為3.119 mm；隨著剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在15 ms左右達(dá)到反向最大，約為0.24 mm。車輛對(duì)膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移滿足GTR 9要求，但接近標(biāo)準(zhǔn)限值。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及結(jié)果

在車輛前防撞橫梁處及縱梁前端安裝薄壁鋼結(jié)構(gòu)，如圖3所示；尺寸為66 mm×90 mm×120 mm，厚度為 0.7 mm,薄壁鋼材料的屈服強(qiáng)度為200 MPa。圖4為薄壁鋼安裝后車輛前部結(jié)構(gòu)圖。參照未安裝薄壁剛時(shí)試驗(yàn)工況重新進(jìn)行試驗(yàn)。3處碰撞點(diǎn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

圖3 薄壁鋼結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 薄壁鋼安裝示意圖

2.1 小腿上端加速度分析

改進(jìn)后LL1點(diǎn)處小腿上端加速度在5.7 ms左右達(dá)到峰值，為134.8g；隨后小腿與車輛分離，小腿上端加速度逐漸衰減。添加薄壁鋼吸能結(jié)構(gòu)后，填充了保險(xiǎn)杠與車輛橫、縱梁之間的間隙，對(duì)小腿沖擊起到了緩沖吸能的作用。小腿上端加速度在LL1處相對(duì)改進(jìn)前下降了約30%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。LL2點(diǎn)處小腿上端加速度在11 ms左右達(dá)到第一個(gè)峰值，為115.3g；隨著剛性腿侵入量增大，小腿上端加速度在15 ms左右達(dá)到反向最大峰值，約22g。當(dāng)剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，小腿上端加速度在21 ms左右達(dá)到第二個(gè)峰值，約102g。添加薄壁鋼結(jié)構(gòu)后，LL2處小腿上端加速度相對(duì)于改進(jìn)前下降約48%。LL3點(diǎn)處小腿上端加速度在6 ms左右達(dá)到峰值，為85.9g，相對(duì)于改進(jìn)前下降約70%。

2.2 膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角分析

添加薄壁鋼后LL1點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角在18 ms左右達(dá)到峰值，為10.719°，相對(duì)改進(jìn)前下降約4%；LL2點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角在14 ms左右達(dá)到峰值，為5.494°，相對(duì)改進(jìn)前下降約63%；LL3點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角在15 ms左右達(dá)到峰值，約4.81°，相對(duì)于改進(jìn)前下降約66%。

2.3 膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移分析

添加薄壁鋼后LL1點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在10 ms左右達(dá)到最大峰值，約4.133 mm，相對(duì)于改進(jìn)前下降約25%；LL2點(diǎn)處膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在10 ms左右達(dá)到第一個(gè)峰值，為4.359 mm，相對(duì)改進(jìn)前下降約23%。隨著剛性腿侵入量進(jìn)一步增大，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在17 ms左右達(dá)到反向最大，約2 mm。LL3點(diǎn)處的膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移在22 ms左右達(dá)到峰值，為1.558 mm，相對(duì)于改進(jìn)前下降約50%。

表2 改進(jìn)后剛性腿碰撞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

本文在剛性腿型碰撞試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：在人-車碰撞的過程中， 汽車前端結(jié)構(gòu)對(duì)腿部損傷的影響非常大，合理地選取材料和結(jié)構(gòu)對(duì)控制柔性腿的各項(xiàng)傷害指標(biāo)尤為重要。