不同類型偏置碰撞的駕駛員腿部傷害對(duì)比研究

匡芳 陳林 劉宏達(dá) 張慧云 陳琳

摘要：為了探討不同類型偏置碰撞下駕駛員腿部傷害的差異性，本文在對(duì)C-NCAP40%偏置碰撞及IIHS 25%小偏置碰撞兩種不同類型偏置碰撞試驗(yàn)的試驗(yàn)工況、假人腿部評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)某乘用車車型在上述兩種試驗(yàn)下駕駛員的腿部傷害指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比研究，并從碰撞力的傳遞路徑對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：由于碰撞中車身與壁障重疊率的不同導(dǎo)致不同的碰撞力傳遞路徑，最終導(dǎo)致車身變形的差異。其中，25%小偏置碰撞對(duì)車身的破壞程度極大，試驗(yàn)后駕駛員側(cè)的A柱嚴(yán)重變形，車身結(jié)構(gòu)大量侵入到車內(nèi)生存空間，故其假人腿部傷害值大于另外兩種正面碰撞，尤其是駕駛員左腿傷害值。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，最大程度保證駕駛艙腿部生存空間，才能有效提高小偏置碰撞中乘員的安全性能。

關(guān)鍵詞：腿部傷害;小偏置碰撞;C-NCAP;IIHS

中圖分類號(hào)：U471.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0065-05

匡芳

畢業(yè)于重慶大學(xué)碩士研究生，工作于國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心[襄陽(yáng)】，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全。

引言

隨著汽車碰撞安全性能日益受到關(guān)注，汽車的碰撞安全性也成為了消費(fèi)者評(píng)估汽車性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。各國(guó)政府相繼制定了汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)規(guī)程，包括100%正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、40%正面偏置碰撞、側(cè)面柱撞以及行人保護(hù)等。

正面碰撞作為交通事故中一項(xiàng)多發(fā)類型，日漸受到人們的關(guān)注。各國(guó)法規(guī)先后將正面碰撞納入到評(píng)價(jià)體系，但是法規(guī)只包括100%正面碰撞和40%偏置碰撞，而現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常發(fā)生的一類特殊的正而碰撞一小偏置正而碰撞卻未被任何安全性法規(guī)及評(píng)價(jià)規(guī)程納入其中。小偏置碰撞是指車輛與壁障間的重疊率小于30%的正面碰撞。據(jù)美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）統(tǒng)計(jì)，小偏置碰撞在正面碰撞死亡事故中約占1/4。

2012年，IIHS提出了車輛與壁障重疊率為25%的小偏置碰撞試驗(yàn)，同年8月正式頒布了25%小偏置碰撞的試驗(yàn)規(guī)范和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其公布的試驗(yàn)結(jié)果，只有少數(shù)車輛能夠在25%小偏置碰撞試驗(yàn)中獲得“優(yōu)”，大部分車輛只能獲得“及格”或“差”。

小偏置正面碰撞作為一種損傷性能更大的碰撞類型，對(duì)汽車的碰撞安全性能提出了更高的要求。為提高車輛在小偏置正面碰撞中的安全性，最大限度減小乘員傷亡，開(kāi)展小偏置正面碰撞的安全性相關(guān)研究工作必不可少。

本文在對(duì)C-NCAP 40%正面偏置碰撞及IIHS25%小偏置正面碰撞兩種不同類型碰撞碰撞試驗(yàn)的試驗(yàn)工況、假人腿部評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)某乘用車車型在上述兩種試驗(yàn)下駕駛員的腿部傷害指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比研究，并從碰撞力的傳遞路徑對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。

1試驗(yàn)工況

圖1是兩種不同偏置碰撞的試驗(yàn)示意圖。IIHS25%小偏置正面碰撞中，試驗(yàn)車以64.4-1⁺¹km/h的速度撞擊剛體壁障，車輛前端與壁障的重疊率為車寬的25%。其中，剛體壁障與車輛接觸處有一個(gè)半徑為150 mm的倒角，同時(shí)，該壁障被固定在剛體墻上。C-NCAP中的40%正面偏置碰撞中，試驗(yàn)車以64-1⁺¹km/h的速度撞擊可變形壁障，車輛前部與壁障重疊部分為車輛寬度的40%。

試驗(yàn)中，小偏置碰撞中使用了一個(gè)HybridⅢ50百分位的男性假人在駕駛員位置;40%正面偏置碰撞中使用了兩個(gè)HybridⅢ50百分位的男性假人在前排駕駛員位置和乘員位置。

2假人腿部評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)IIHS制定的小偏置正面碰撞的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，大腿評(píng)價(jià)指標(biāo)有膝一大腿一髖關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)KTH、脛骨一大腿位移（膝部位移）;小腿的評(píng)價(jià)指標(biāo)有小腿軸向力、脛骨指數(shù)及腳部加速度，其中，KTH是由大腿壓縮力積分計(jì)算而來(lái)。根據(jù)C—NCAP制定的40%正面偏置碰撞中對(duì)假人的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，大腿評(píng)價(jià)指標(biāo)有大腿壓縮力、膝部位移;小腿的評(píng)價(jià)指標(biāo)有小腿軸向壓縮力及脛骨指數(shù)。與C-NCAP中40%正面偏置碰撞相比，IIHS小偏置正面碰撞對(duì)腿部的評(píng)價(jià)指標(biāo)多了一項(xiàng)腳部加速度。

式中：MX為x向彎矩;My為Y向彎矩;Myadj為修正后的Y向彎矩;（MC）R為臨界彎矩，取值225Nm;FZ為軸向壓縮力;（FC）z為臨界壓縮力，取值35.9kN。

其中，標(biāo)準(zhǔn)在考察中膝部位移、小腿軸向力、小腿脛骨指標(biāo)均取峰值，大腿力則連續(xù)計(jì)算軸向壓縮力，考察累計(jì)曲線。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1假人大腿及膝部試驗(yàn)結(jié)果

圖2是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員大腿壓縮力的對(duì)比曲線。可以明顯看出，相較于40%]E面偏置碰撞，25%小偏置碰撞的左大腿壓縮力與之相比較差異則非常明顯，其峰值達(dá)到6.63kN。不同于左大腿壓縮力，兩種兩種不同類型偏置碰撞的右大腿壓縮力間的差異很小，大小基本一致。

圖3是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員膝部位移的對(duì)比曲線。同大腿壓縮力相似，相較于40%正面偏置碰撞，25%小偏置碰撞的左腿膝部位移非常大，峰值達(dá)到16.2mm，而二者的右腿膝部位移量都比較小，均在2mm內(nèi)。

綜上，可以看出對(duì)于上述兩種不同類型偏置碰撞，其腿部傷害值的差異主要體現(xiàn)在左腿上，右腿各傷害值的差異并不明顯。

3.2假人小腿試驗(yàn)結(jié)果

由于二者差異主要體現(xiàn)在左腿上，故本文只列舉了駕駛員的左腿傷害值對(duì)比曲線。

圖4、5、6分別是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員小腿軸向力Fz、小腿彎矩Mx、小腿彎矩My的對(duì)比曲線。從圖中可以明顯看出，無(wú)論是左上小腿還是左下小腿，25%小偏置碰撞中駕駛員的小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My的數(shù)值明顯比40%偏置碰撞中的數(shù)值要大，最大軸向力Fz是40%偏置碰撞的三倍。

從公式（2）中可以知道，小腿脛骨指標(biāo)的大小與小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My三者均有關(guān)系。在其他條件相同的情況下，三者中任意一個(gè)越大，小腿脛骨指標(biāo)就會(huì)越大。對(duì)于上述三種正面碰撞，25%小偏置碰撞的小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My均比40%偏置碰撞中相應(yīng)數(shù)值要大的多。所以，最終25%小偏置碰撞的駕駛員左小腿的脛骨指標(biāo)比40%偏置碰撞大很多。

表1是兩種不同類型偏置碰撞的駕駛員小腿脛骨指標(biāo)的對(duì)比。從表1中可以看出，25%小偏置碰撞的駕駛員左小腿脛骨指標(biāo)明顯比40%偏置碰撞的大，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述分析的正確性。并且，同小腿軸向力類似，對(duì)于25%小偏置碰撞而言，駕駛員左小腿的脛骨指標(biāo)明顯比右小腿脛骨指標(biāo)大。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7是兩種正面碰撞后的車輛狀態(tài)圖。之所以會(huì)出現(xiàn)上述試驗(yàn)中25%小偏置碰撞的左腿各評(píng)價(jià)指標(biāo)遠(yuǎn)大于40%正面偏置碰撞，與碰撞中碰撞力的傳遞路徑有很大關(guān)系。100%～面碰撞主要考察車輛的約束系統(tǒng)，而偏置碰撞則主要考察的是車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。100%正面碰撞中碰撞力主要通過(guò)前縱梁、副車架以及雙側(cè)上邊梁三條路徑傳遞;40%偏置碰撞中碰撞力則主要通過(guò)前縱梁、副車架以及單側(cè)上邊梁等路徑傳遞;25%小偏置碰撞中剛性壁障與車輛的碰撞避開(kāi)了前縱梁，因此，碰撞力在車體前端結(jié)構(gòu)的主要傳遞路徑僅剩上邊梁一條。作為正面碰撞中的主要吸能結(jié)構(gòu)，前縱梁在整車碰撞過(guò)程中吸收的能量隨著車身與壁障重疊率的下降而降低。40%正面偏置碰撞中僅駕駛員一側(cè)前縱梁參與到變形吸能過(guò)程;而在25%小偏置碰撞中，碰撞位置偏向于駕駛員側(cè)車角，完全從縱梁繞過(guò)，前縱梁僅在z軸方向產(chǎn)生少量彎曲變形，沒(méi)能承受正面的碰撞力而產(chǎn)生縱向壓潰變形，整個(gè)碰撞過(guò)程中基本沒(méi)有起到吸能作用，所有的正面碰撞力將由縱梁之外的結(jié)構(gòu)承受。沒(méi)有縱梁這個(gè)主要受力構(gòu)件，車身在碰撞中產(chǎn)生巨大的侵入量，破壞程度要遠(yuǎn)高于40%正面偏置碰撞，這些侵入量使原本狹小的假人下肢空間被進(jìn)一步壓縮。試驗(yàn)中，車門框以及駕駛員側(cè)A柱都發(fā)生了嚴(yán)重的變形，車門框及A柱較大的后移量引起儀表板橫梁的后移，加大了駕駛員左腿的傷害。

鑒于上述分析，小偏置正面碰撞對(duì)于車身結(jié)構(gòu)及駕駛艙腿部空間的維持提出了更高的要求。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，保證駕駛艙腿部生存空間，才能在碰撞中有效保護(hù)乘員。

5結(jié)論

對(duì)于本文中兩種不同類型的偏置碰撞，由于車身與壁障重疊率的不同導(dǎo)致碰撞中產(chǎn)生不同的碰撞力傳遞路徑，最終導(dǎo)致車身變形的差異。其中，25%小偏置碰撞對(duì)車身的破壞程度極大，試驗(yàn)后駕駛員側(cè)的A柱嚴(yán)重變形，車身結(jié)構(gòu)大量侵入到車內(nèi)生存空間，故其假人腿部傷害值遠(yuǎn)大于40%正面偏置碰撞，尤其是駕駛員左腿傷害值。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，最大程度保證駕駛艙腿部生存空間，才能有效提高小偏置碰撞中乘員的安全性能。