某SUV車型小偏置和40%偏置碰撞中駕駛員傷害分析

黃志剛，王立民，劉燦燦，張山

某SUV車型小偏置和40%偏置碰撞中駕駛員傷害分析

黃志剛，王立民，劉燦燦，張山

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

為研究小偏置（SOB）碰撞試驗和40%偏置碰撞試驗中駕駛員傷害特點，基于SOB和C-NCAP 2018版評分標(biāo)準(zhǔn)對兩個試驗中假人傷害進行分析。結(jié)果表明，小偏置試驗相比40%偏置試驗碰撞更加劇烈，乘員艙侵入量更大，與此同時，假人各部位傷害相比40%偏置碰撞更加嚴(yán)重。試驗結(jié)果可為車型、約束系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

被動安全；小偏置碰撞；40%偏置碰撞；假人傷害

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車保有量逐漸增多，汽車碰撞事件得到了人們越來越多的重視。汽車碰撞試驗是驗證汽車被動安全的重要手段之一，針對汽車碰撞，世界各國頒布了汽車碰撞法規(guī)，此外，新車評價規(guī)程（NCAP）也逐漸完善。中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）經(jīng)過發(fā)展，2018版正式頒布。

汽車正面碰撞試驗形式主要有100%正面碰撞、40%偏置碰撞，經(jīng)過統(tǒng)計，事故車輛重疊率為30%～40%時受傷率最高。在實際重大汽車碰撞事故中，小重疊碰撞事故占到了汽車碰撞事故的25%，但此類碰撞形式未列入各國碰撞法規(guī)和新車評價規(guī)程中[1]，為研究此類碰撞形式，公路安全保險協(xié)會（IIHS）于2012-08頒布了小偏置試驗方法和試驗評價準(zhǔn)則[2]。

對于40%偏置和小偏置兩種試驗形式，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的實車碰撞試驗，但鮮有兩種試驗形式的假人傷害對比分析。本文基于IIHS小偏置試驗規(guī)程以及GB/T 20913—2007試驗規(guī)程，選取某SUV車型進行實車碰撞試驗并按照不同評價標(biāo)準(zhǔn)進行分析，對比不同試驗類型假人傷害和車身加速度大小，由于C-NCAP 2018版標(biāo)準(zhǔn)相比GB/T 20913—2007評價更加嚴(yán)苛，所以參考2018版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)分析40%偏置試驗中假人傷害。

通過分析可以直觀研究不同正面碰撞事故類型下駕駛員傷害特點，同時為汽車設(shè)計提供參考。

1 小偏置及40%偏置碰撞形式

小偏置試驗碰撞形式如圖1所示，試驗車輛以速度（64.4±1.0）km/h正面撞擊一剛性壁障[3]，碰撞時，車輛前端與壁障的重疊率在（25±1）%車輛寬度范圍內(nèi)，壁障下邊緣與地面接觸。試驗中所用的假人為Hybrid III 50%男性假人，該試驗主要模擬車輛撞擊電線桿、樹木和另一輛車碰撞工況。小偏置碰撞假人傷害評價指標(biāo)如表1所示。

40%偏置碰撞形式如圖2所示，試驗中壁障為固定可沖擊變形壁障，試驗車速度為56.0～57.0 km/h，試驗車與壁障的重疊率在40%車輛寬度±20 mm范圍內(nèi)。試驗車輛前排駕駛員和乘員分別放置一個Hybrid III 50%男性假人，用來測量前排假人傷害。試驗中所用蜂窩率與ECER94中所使用蜂窩率一致，蜂窩率下邊緣距離地面200 mm。

表1 SOB假人傷害指標(biāo)

部位傷害指標(biāo)參考限值優(yōu)秀及格差 頭HIC15700560700840 頸部NIJ1.000.81.001.2 頸部拉力/kN3.32.63.34.0 頸部壓縮力/kN4.03.24.04.8 胸胸部加速度（3 ms）/g60607590 胸部壓縮量/mm﹣50﹣50﹣60﹣75 壓縮速度/（m/s）﹣8.2﹣6.6﹣8.2﹣9.8 粘性指標(biāo)VC/（m/s）1.00.81.01.2 下肢膝-大腿-髖損傷風(fēng)險KTH/（%） 51525 脛骨-大腿骨位移/mm-15-12-15-18 脛骨軸向力/kN﹣8.0﹣4.0﹣6.0﹣8.0 脛骨指數(shù)TI（上、下）1.000.801.001.20 腳部加速度/g150150200260

圖1 小偏置碰撞形式

圖2 40%偏置碰撞形式

2 試驗假人傷害分析

試驗車型選擇國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的SUV，車輛整備質(zhì)量為1 777 kg（前軸861 kg，后軸916 kg），車輛寬度為1 835 mm。分別按照SOB以及40%偏置碰撞兩種試驗形式進行試驗，下面分別對兩種試驗假人傷害進行分析。

2.1 小偏置試驗

2.1.1 頭部傷害研究

小偏置試驗中，假人頭部傷害采用頭部傷害指數(shù)進行評價，由假人頭部合成加速度在一定時間內(nèi)的積分得到，按照以下公式計算：

式（1）（2）中：R為頭部質(zhì)心合成加速度；X，Y，Z分別為頭部質(zhì)心三個方向的加速度。

小偏置試驗中，2－1=15 ms，計算碰撞過程中15的最大值并進行評價。在小偏置碰撞過程中的假人頭部合成加速度如圖3所示，根據(jù)碰撞過程中高速攝像圖可以觀察氣囊在不同碰撞時刻展開形態(tài)以及與假人接觸情況，如圖4所示。當(dāng)=89 ms時，頭部合成加速度達到最大值51.2 g，此時假人頭部與氣囊接觸最充分；當(dāng)碰撞時間在173～280 ms時，可以看到，頭部加速度曲線有一個小的尖峰。試驗后假人照片如圖5所示，假人頭部顏色染在了圓圈所示車身結(jié)構(gòu)上，假人頭部在與氣囊充分接觸后發(fā)生側(cè)向甩動，與車輛A柱發(fā)生了二次碰撞。通過頭部合成加速度曲線，求得15 ms內(nèi)最大傷害指數(shù)15=228（82～97 ms），低于小偏置優(yōu)秀限值650，所以頭部評價為優(yōu)秀。

圖3 SOB假人頭部合成加速度

圖4 不同時刻假人姿態(tài)

圖5 試驗后假人照片

2.1.2 頸部傷害研究

由表1可知，小偏置試驗中頸部傷害需要研究頸部傷害指數(shù)ij[4]、頸部軸向張力及頸部壓力。其中頸部軸向張力及頸部壓力是按照時間累積曲線進行評價的，其表示在碰撞過程中某一大小的力所持續(xù)的時間。

ij按照下式進行計算：

式（3）中：z為軸向力；y為頸部彎矩；int和int為軸向力和頸部彎矩的臨界值，不同形式下的ij按照表2進行計算。

表2 不同形式計算取值

Nij頸部軸向力頸部彎矩FintMint Ncf壓縮力F＜0M＞0﹣6 106 N310 Nm Nce壓縮力F＜0M＜0﹣6 106 N310 Nm Ntf拉伸力F＞0M＞06 806 N﹣135 Nm Nte拉伸力F＞0M＜06 806 N﹣135 Nm

經(jīng)過計算，不同碰撞時刻的頸部傷害指數(shù)ij如圖6所示，其中ce（37.7 ms）=0.015，cf（23 ms）=0.005，te（65.2 ms）=0.131，tf（85 ms）=0.278。在4個指數(shù)中，最大值為碰撞時刻為85 ms，tf=0.278，此數(shù)值小于SOB要求的0.8，所以針對ij，評價結(jié)果為優(yōu)秀。

頸部壓縮力和頸部拉力還要按照累計傷害曲線進行 評價，頸部軸向壓縮力和頸部拉力的累積傷害曲線如圖7和圖8所示，觀察后可知，軸向壓縮力最大值為0.038 kN（17 ms），軸向拉力最大值為1.655 kN（85 ms），累積傷害曲線均在限值以下，按照IIHS SOB規(guī)范要求，頸部傷害指標(biāo)評價結(jié)果為優(yōu)秀。

2.1.3 胸部傷害研究

根據(jù)IIHS-sob試驗評分規(guī)程，胸部傷害評價要考察胸部壓縮量、胸部壓縮率、粘性系數(shù)以及胸部加速度（3 ms）g。

胸部加速度（3 ms）g表示在碰撞過程中持續(xù)時間達到3 ms的最大加速度，粘性系數(shù)用胸腔的變形速率與胸腔的擠壓變形率的乘積來表示[5]：

式（4）中：D（t）為胸腔厚度隨時間變化的關(guān)系；D為初始胸腔厚度；VC的單位為m/s。

圖7 頸部壓縮力累積傷害曲線

圖8 頸部拉力累積傷害曲線

碰撞過程中假人胸部壓縮量、粘性系數(shù)以及胸部加速度曲線分別如圖9、圖10、圖11所示。

觀察后可知，最大胸部壓縮量為29.7 mm，小于限值50 mm；經(jīng)過計算胸部壓縮率最大為1.251 m/s，小于限值6.6 m/s；胸部3 ms時最大合成加速度為47.65 g，小于限值50 g。胸部粘性指數(shù)最大值為0.183，遠小于規(guī)范要求限值0.8。綜上，按照上述4個指標(biāo)，胸部傷害的評價結(jié)果為優(yōu)秀。

圖9 胸部壓縮量曲線

圖10 胸部VC曲線

圖11 胸部合成加速度曲線

2.1.4 下肢傷害分析

下肢傷害分析包括膝-大腿-髖關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險、膝部位移、脛骨指數(shù)、脛骨軸向壓縮力、腳部加速度。

指數(shù)由RUPP在2009年提出，用來評價大腿-髖關(guān)節(jié)損傷。準(zhǔn)則與最大腿部壓縮力的持續(xù)時間有關(guān)，通過系數(shù)可以評價腿部的傷害等級。其計算方法的依據(jù)為大腿力曲線，從峰值前大腿力數(shù)值為0時刻開始，一直積分到大腿力數(shù)值等于4 050 N為止。等于5%是優(yōu)秀和可以接受的邊緣。

碰撞過程中的大腿力曲線如圖12所示，可知大腿力峰值小于4 050 N，所以積分結(jié)果為0，評價結(jié)果為優(yōu)秀[6]。

左側(cè)以及右側(cè)膝部位移曲線如圖13所示，用以表征膝部與儀表臺碰撞產(chǎn)生的位移損傷，由于該車型配備了膝部氣囊，雙膝位移數(shù)值都較小，雙膝位移最大值為右膝位移 3.36 mm，小于規(guī)范要求的12 mm。

圖12 大腿力曲線

圖13 膝位移曲線

脛骨指數(shù)綜合考慮小腿彎矩與軸向壓縮力，ZUBY（2001年）和WEIBOURNE等人（1998年）[7]詳細闡述了脛骨彎矩與軸向壓縮力的關(guān)系。在軸向壓縮力的影響下，經(jīng)過調(diào)整計算后的脛骨彎矩Yadj如下：

Yupperadj=Yupper－Z×0.028 32 （5）

Yloweradj=Ylower－Z×0.006 398 （6）

式（5）（6）（7）（8）中：X，Y分別為繞、軸的彎矩；Z為腿部軸向壓縮力；C為臨界彎矩，225 Nm；C為腿部軸向壓縮力的臨界值，35.9 kN。經(jīng)過計算右側(cè)小腿的指數(shù)峰值大于左側(cè)小腿的指數(shù)。

碰撞過程中右小腿上下指數(shù)如圖14所示。其中，上小腿指數(shù)峰值為0.44，下小腿指數(shù)峰值為0.48，兩者均小于規(guī)范要求的限值0.8。與此同時，下小腿軸向壓縮力也需要滿足一定條件。左右腿各自較大峰值的軸向壓縮力曲線如圖15所示，可以看出，兩腿軸向壓縮力達到峰值的時刻幾乎相同，左腿和右腿壓縮力峰值分別為2.428 kN和3.032 kN，均小于規(guī)范要求的限值4 kN。

針對腳部指標(biāo)評價，小偏置試驗要求腳部的加速度不能超過150 g，腳部加速度受踏板變形、腳部與地板接觸、小腿運動影響。試驗中假人的左右腳部合成加速度如圖16所示，碰撞時刻區(qū)間為54.16～57.16 ms時，左腳3 ms合成加速度最大值為56.638 g；碰撞時刻為75.03～78.03 ms時，右腳3 ms合成加速度最大值為59.588 g，峰值均小于150 g。此外，右腳的加速度峰值時刻較左側(cè)腳部加速度峰值時刻滯后，分析原因為左側(cè)腳部區(qū)域相比右側(cè)碰撞區(qū)域變形更加嚴(yán)重且右側(cè)腳部空間相比左側(cè)較大，所以左側(cè)腳部接觸更早且更加充分，合成加速度峰值出現(xiàn)時刻更早。

綜合上述，根據(jù)對頭、頸部、胸、下肢的評價結(jié)果，該車型小偏置試驗中假人傷害指標(biāo)均為優(yōu)秀。

圖14 腿部TI指數(shù)

圖15 腿部軸向壓縮力

圖16 腳部合成加速度

2.2 GB/T 20913—2007的40%偏置試驗

對照C-NCAP 2018版進行GB/T 20913—2007的40%偏置試驗假人傷害分析，與小偏置試驗評價過程相似，同樣要對駕駛員頭、頸部、胸、下肢傷害進行分析。各部位評價結(jié)果如表3所示。由表3可知，假人各部位傷害均低于優(yōu)秀限值，評價結(jié)果皆為優(yōu)秀。

表3 C-NCAP2018偏置假人傷害指標(biāo)及評價

部位傷害指標(biāo)優(yōu)秀及格數(shù)值評價結(jié)果 頭HIC156501 00064優(yōu)秀 3 ms時的加速度/g728829.5優(yōu)秀 剪切力Fx1.9@0 ms 1.2@25～35 ms 1.1@45 ms3.1@0 ms 1.5@25～35 ms 1.1@45 ms0.356優(yōu)秀 張力Fz2.7@0 ms 2.3@35 ms 1.1@60 ms3.3@0 ms 2.9@35 ms 1.1@60 ms1優(yōu)秀 頸部彎矩42 Nm57 Nm30.1優(yōu)秀 胸胸部壓縮量/mm225023.1優(yōu)秀 粘性指標(biāo)VC/（m/s）0.51.00.056優(yōu)秀 下肢大腿壓縮力/kN3.89.07@0 ms 7.56@≥10 msL1.334 R0.636優(yōu)秀 膝蓋滑動位移/mm615L1.334 R1.919優(yōu)秀 小腿脛骨指數(shù)TI0.41.3L0.24 R0.23優(yōu)秀 小腿壓縮力/kN28L1.300 R1.494優(yōu)秀

2.3 兩種類型試驗指標(biāo)對比分析

對兩個試驗的車身加速度、假人傷害、車身特定點位移量進行分析，對比兩個試驗各項指標(biāo)的差異，進而分析不同重疊率偏置試驗傷害特點。

小偏置試驗與40%偏置試驗在碰撞過程中的駕駛員側(cè)車身方向加速度曲線如圖17所示，從圖17可以看出，小偏置試驗中車身加速度峰值為96.9 g，遠大于40%偏置碰撞試驗中車身加速度峰值27 g。

除此之外，小偏置試驗中車身加速度達到峰值的時刻要比40%偏置試驗中時刻提前。分析其原因發(fā)現(xiàn)，小偏置碰撞時，車輛的主要變形區(qū)域為車身駕駛員側(cè)，與40%偏置碰撞相比，車輛前方的縱梁并未起到變形吸能作用，導(dǎo)致車身乘員艙變形嚴(yán)重，A柱彎折角度大，左前輪轂變形嚴(yán)重，所以，小偏置試驗中駕駛員側(cè)車身加速度峰值要遠遠大于高重疊率的偏置試驗。

圖17 車身加速度曲線

兩個試驗的駕駛員頭部合成加速度曲線如圖18所示。

經(jīng)過計算，小偏置試驗中頭部3 ms合成加速度為 49.8 g，大于40%偏置試驗中頭部合成加速度峰值29.8 g。參考車身加速度特點，小偏置試驗碰撞更加劇烈，駕駛員與氣囊接觸更加充分，同時碰撞過程中車輛產(chǎn)生橫向的角加速度，頭部橫向加速度增大，小偏置試驗相比40%偏置試驗駕駛員頭部傷害較大。

小偏置試驗與40%偏置試驗碰撞過程中駕駛員胸位移曲線如圖19所示。

圖18 頭部加速度曲線

圖19 胸位移曲線

由圖19可知，小偏置試驗中駕駛員胸位移峰值為 29.7 mm，大于偏置碰撞試驗中胸位移峰值21.8 mm，同樣有峰值時刻提前的特點。胸位移偏大與小偏置試驗特點有關(guān)，由于乘員艙發(fā)生了嚴(yán)重變形，小偏置試驗中轉(zhuǎn)向管柱位移量更大，對駕駛員胸部的傷害更加嚴(yán)重。

40%偏置試驗腿部軸向壓縮力如圖20所示。研究兩個試驗中假人下肢傷害特點，對比圖15與圖20可看出，小偏置試驗中兩腿軸向壓縮力峰值分別為2.428 kN和3.032 kN，大于對應(yīng)40%偏置試驗中的1.3 kN和1.494 kN。小偏置試驗中對駕駛員腿部的傷害要比40%偏置試驗嚴(yán)重，為了提升駕駛員的安全性，減少碰撞過程中乘員艙位移量可有效減小對下肢的傷害。

圖20 40%偏置試驗腿部軸向壓縮力

3 結(jié)論

本文選擇某SUV分別進行了兩種不同類型的試驗，按照IIHS SOB以及GB/T 20913—2007試驗規(guī)程執(zhí)行試驗，并參考C-NCAP 2018試驗評價標(biāo)準(zhǔn)分別對假人傷害進行分析，對比了兩個試驗車身、假人傷害指標(biāo)，得到以下結(jié)論：①該SUV車型按照IIHS SOB和C-NCAP2018偏置評價各項指標(biāo)，均為優(yōu)秀；②小偏置碰撞試驗中，駕駛員頭、胸、下肢傷害均高于40%偏置碰撞試驗，乘員艙變形更加嚴(yán)重；③小偏置碰撞試驗由于前部碰撞縱梁沒有起到作用，且碰撞壁障為剛性，車身加速度遠大于40%碰撞試驗中車身加速度情況；④為了減少小偏置試驗中駕駛員傷害，需要強化A柱強度，增加緩沖區(qū)傳力途徑，優(yōu)化約束系統(tǒng)以減少駕駛員頭部在車輛碰撞測甩過程中與車身結(jié)構(gòu)發(fā)生的二次碰撞傷害。

［1］陳可明，樂中耀，李雪玲.國內(nèi)車輛小偏置正面碰撞試驗現(xiàn)狀［J］.汽車技術(shù)，2016（5）：47-51.

［2］趙晏強，李金坡.基于中國專利的鋰電池發(fā)展趨勢分析［J］.情報雜志，2012，31（1）：35-40.

［3］HENSHAW J L.Insurance Institute for Highway Safety［J］.Medical S，2003（9）：289.

［4］劉宏達，李永剛，雷斌，等.國內(nèi)某車型小偏置碰撞假人傷害分析與研究［J］. 汽車科技，2018，266（4）：63-70.

［5］楊杏梅. 轎車碰撞事故中兒童乘員的損傷防護技術(shù)研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2010.

［6］ZUBY D S，NOLAN J S，SHERWOOD C P.Effect of hybrid III geometry on upper tibia bending moments（SAE 2001-01-0169）［C］//Biomechanics Research and Development（SP-1577），2001.

［7］WELBOURNE E R，SCHEWCHENKO N.Improved measures of foot ankle injury risk from the Hybrid III tibia［C］// Proceedings of the 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，1998.

F407.471

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.003

2095－6835（2020）02－0008－06

黃志剛（1992—），男，碩士，研究方向為汽車被動安全。

〔編輯：張思楠〕