Euro NCAP 中方向盤接觸主觀評價方法的改進

商恩義，李月明，習波波，侯福震

（浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311228）

在歐盟新車評價規(guī)程（Euro New Car Assessment Program，Euro NCAP）（2018 年版）[1]中，在規(guī)定假人各部位得分的基礎(chǔ)上，也指定了某些部位的主觀評價修正項，其中包括方向盤接觸。評價時，一旦確認方向盤與假人胸部接觸，則對假人胸部得分進行修正，從胸部得分中扣除1 分。

當前，評價方向盤與胸部接觸主要憑借以下信息[2]：胸部加速度曲線、高速攝像、試驗前后照片、安全帶力曲線、試驗樣車的物理損壞。其中，胸部加速度曲線是評價的主要依據(jù)[3]。通常情況下，胸部加速度曲線在下降或上升階段的變化是平滑的，即曲線上沒有急劇的增加過程，也不會出現(xiàn)第2 個波峰。在下降或上升階段，胸部加速度曲線一旦出現(xiàn)一個急劇的增強過程或者出現(xiàn)第2 個波峰，就可以初步判定方向盤接觸胸部。隨后，再排除其它因素造成此結(jié)果的可能性，如方向管柱潰縮運動、方向盤上盤緣接觸到儀表盤、上肢接觸到車內(nèi)飾、限力式安全帶限力功能結(jié)束等。此外，也通過高速攝像進行確認，確認曲線發(fā)生突變時假人胸部與方向盤下盤緣是否極其接近。

該評價方法受工作人員的工作能力和工作經(jīng)驗影響較大，主觀性較強。因此，某款車在歐洲某Euro NCAP 官方實驗室進行了Euro NCAP 摸底試驗后，本文結(jié)合對該次試驗中方向盤與胸部接觸所進行的主觀評價，從車體反彈對假人運動姿態(tài)的影響、駕駛員和乘員在碰撞中反映的共性、假人胸部加速度曲線插補的合理性幾方面，對當前的評價方法進行了改進和完善。

1 Euro NCAP摸底試驗基于當前評價方法的評價

規(guī)定假人的坐標系如下：前后方向為x向，向前為正，左右方向為y向，向右為正[4]。此外，在分析中用axc表示假人胸部x向加速度；ayc表示假人胸部y向加速度；F表示安全帶肩帶力。

摸底試驗中，駕駛員假人胸部axc曲線如圖1所示，安全帶肩帶力F 曲線如圖2 所示，假人頭部與安全氣囊接觸開始時刻如圖3 所示，第2 個波峰起始時刻的錄像截屏如圖4 所示。圖1 中，假人axc曲線在118 ms 時出現(xiàn)了第2 個波峰，官方依據(jù)當前判定方法，結(jié)合圖1 ～4，對該峰進行了判定：在圖1 中出現(xiàn)第2 個波峰時刻，圖2 中安全帶力曲線沒有發(fā)生明顯變化，對比圖3 和圖4，可確認方向管柱沒有移動，所以可排除方向管柱移動、安全帶作用力變化等因素造成的影響，判定為方向盤接觸胸部。

圖1 某車型摸底試驗中駕駛員假人axc

圖2 安全帶肩帶力曲線

圖3 假人開始接觸氣囊（76 ms）

圖4 胸部axc 第2 個波峰開始時刻（118 ms）

一旦判定方向盤接觸胸部，則要對假人胸部進行扣分修正。因此，在進行正式Euro NCAP 前，需要對當前約束系統(tǒng)重新進行優(yōu)化，這將延長開發(fā)周期，增加研發(fā)投入。

考慮官方評價過于簡單，有第2 個波峰出現(xiàn)，便認定該峰為突變，且評價過程中以排除影響因素為主，不夠嚴謹，所以被動安全相關(guān)人員決定對該次試驗結(jié)果重新進行評價。重新評價前，首先對方向盤接觸胸部的評價方法進行了研究。

2 基于臺車試驗的方向盤接觸胸部的探討

為了更好地改進當前評價方法，首先對方向盤接觸胸部的一般表現(xiàn)進行研究。

某車進行了64 km/h 的臺車模擬試驗。試驗前，白車身搭建時向左偏轉(zhuǎn)了8°，以此模擬實車碰撞過程中車體旋轉(zhuǎn)對假人運動的影響。試驗后，駕駛員假人胸部axc曲線如圖5 所示，右側(cè)高速攝像125 ms 時截屏如圖6 所示。由圖5 可知，axc曲線在125 ms 時出現(xiàn)了第2 個波峰。由圖6 可知，雖然假人右臂遮擋了方向盤下盤緣，但通過方向盤與假人胸部的接近程度，依然可以判定125 ms 時假人胸部與方向盤發(fā)生了接觸，圖5 中曲線的第2 個波峰為方向盤與胸部接觸產(chǎn)生。

圖5 某臺車試驗中駕駛員假人axc

圖6 125 ms 時高速攝像截屏

通過axc曲線第2 個波峰特性，分析方向盤與胸部接觸產(chǎn)生第2 個波峰的特點：圖5 中，兩個峰值對應時刻分別用A、C 表示，之間的波谷頂點用

B 表示，結(jié)束前的拐點用D 表示。AB 反映了碰撞后期安全氣囊對假人胸部的緩沖過程，在安全氣囊作用不足的情況下，回升的斜率偏大；波峰BCD為胸部與方向盤接觸下產(chǎn)生的附加胸部加速度，一旦發(fā)生，其通常發(fā)生在假人臀部回彈胸部下?lián)溥^程中，反映了胸部與方向盤的碰撞強度及方向盤下盤緣變形吸能情況。與安全氣囊作用波峰相比，BCD的尖峰更強且持續(xù)時間更長。此外，CD 反映了假人胸部與方向盤發(fā)生撞擊后的離開速度，與安全氣囊作用下假人胸部離開速度相比，方向盤與胸部接觸的情況下，方向盤剛度大，假人胸部撞擊后離開速度更快，即CD 的斜率更大。

3 基于摸底試驗的主觀評價方法的改進

正面偏置碰撞試驗中，對于左舵車，車體反彈時，將伴有以偏置碰撞剛性壁障的側(cè)棱邊為軸的逆時針旋轉(zhuǎn)，反彈加旋轉(zhuǎn)將導致前排乘員產(chǎn)生側(cè)向滑動。此外，胸部加速度曲線出現(xiàn)第2 個峰值，也可能是出現(xiàn)波谷所致；假人胸部加速度與胸部變形量、安全帶肩帶力之間存在著一定的聯(lián)系。因此，有必要從上述幾方面對當前主觀評價方法進行改進。

3.1 基于假人胸部axc 曲線與安全帶、胸部變形量之間關(guān)系的評價

相關(guān)研究表明[5-6]，對于卷收器限力式安全帶，在安全帶限力前，假人近似平動，消除胸部加速度和胸部變形延時影響，有：

式中：m為假人廣義胸部質(zhì)量（含頸部），Hybrid Ⅲ 50%假人取值通常為18.73 kg[7]；k為假人胸部剛度，限力式安全帶作用下取值通常為200 kN/m；d為胸部變形量。令：

式中：axb表示在安全帶肩帶作用下胸部x向產(chǎn)生的加速度，m/s2；axd表示在胸部變形力作用下胸部x向產(chǎn)生的加速度，m/s2。則在安全帶限力前，消除延時影響，有：

依據(jù)式（4），建立Euro NCAP 摸底試驗中駕駛員假人axc、axb和axd曲線比較關(guān)系，如圖7 所示。由圖可知，在約67 ms 之前，即安全帶主要作用階段，3 條曲線同步性較好。在約85 ～123 ms 之間，axc曲線下降幅度明顯超過axb和axd曲線，此期間安全帶腰帶與安全氣囊對胸部加速度產(chǎn)生了作用。而在115 ～123 ms 區(qū)間，axd和axb曲線沒有明顯變化，即安全帶肩帶產(chǎn)生的加速度沒有異常變化，表明在產(chǎn)生第2 個波峰時，安全帶肩帶力沒有造成異常影響。在整個碰撞過程中，axd和axb曲線幅值變化始終比較接近，表明胸部變形量主要是受到安全帶作用產(chǎn)生的。即在整個碰撞過程中，假人胸部主要受到安全帶肩帶作用，且安全帶肩帶作用正常。胸部axc曲線第2 個波峰的產(chǎn)生，可以排除方向管柱運動、方向盤上盤緣接觸到儀表盤、上肢接觸到車內(nèi)飾、限力式安全帶限力功能結(jié)束等因素的影響。分析結(jié)果傾向于方向盤接觸假人胸部。

圖7 假人胸部axb 與axc、axd 之間的關(guān)系

3.2 基于對胸部axc 曲線進行插補分析的評價

在正面碰撞過程中，假人胸部x向為減速過程，所以在整個碰撞過程中，axc曲線總體表現(xiàn)為先下降，再回升。但在整個碰撞過程中也可能出現(xiàn)波谷或另一個波峰，如圖1 所示。波峰是再次受沖擊的反映，波谷則是瞬時卸載的表現(xiàn)，因此，確認突變是波谷還是波峰，對確定下一步的分析方向至關(guān)重要。

判斷沖擊是波谷還是波峰，可以通過插補曲線進行。插補曲線是輔助分析方法，沒有特定畫法，以合理性強為主。摸底試驗中駕駛員假人axc曲線插補后如圖8 所示，118 ms 時安全氣囊狀態(tài)如圖9所示。圖8 中，根據(jù)曲線突變情況，選取了A（109 ms時刻）、B（115 ms 時刻）、C（118 ms 時刻）、D（137 ms 時刻）4 個拐點，畫了兩條插補曲線。

分析插補曲線的合理性：

（1）進行BD 連線插補，若合理，則BCD 波峰為突變。此時，ABD 曲線為碰撞后期安全氣囊作用下胸部加速度曲線；BCD 曲線為胸部接觸方向盤產(chǎn)生的附加加速度曲線。其中，BC 反映了假人胸部撞擊方向盤的撞擊過程及方向盤盤緣變形的緩沖作用，CD 反映了假人胸部與方向盤發(fā)生撞擊后的離開速度。AB 與CD 相比，AB 變化斜率更大，該現(xiàn)象與方向盤接觸胸部的通常表現(xiàn)不符。只有當安全氣囊瀉氣較快，假人胸部發(fā)生觸底時，才會出現(xiàn)這種情況。同時，方向盤下盤緣剛度低，假人胸部觸底后下盤緣變形吸能效果更好，導致假人胸部回彈慢。

圖8 插補后駕駛員假人胸部axc 曲線

檢查安全氣囊，如圖9 所示，安全氣囊在C 點對應時刻內(nèi)部壓力依然較足，不存在瀉氣較快問題。檢查方向盤，試驗中方向盤并沒有發(fā)生永久變形，不存在其下盤緣變形吸能較好的問題。此外，認為BCD 為方向盤接觸胸部產(chǎn)生，則胸部與方向盤的撞擊強度明顯過小，明顯低于安全氣囊作用時的第1個波峰，與方向盤接觸胸部的常理不符。因此，分析表明BD 插補不盡合理。

（2）進行AC插補，若合理，則ABC波谷為突變。此時，ACD 為安全氣囊吸能作用下胸部加速度曲線，與ABD 相比，ACD 變化更緩，將ACD 認作安全氣囊吸能作用曲線應更加合理。

圖9 118 ms 時刻安全氣囊狀態(tài)

若ABC 波谷為突變，產(chǎn)生原因需要進一步分析論證。由圖9 可知，在C 點時刻，安全氣囊已經(jīng)明顯地被推向左側(cè)，表明假人已經(jīng)發(fā)生向左側(cè)的滑動，波谷的產(chǎn)生極有可能與假人的側(cè)向滑動有關(guān)。

3.3 基于車體反彈旋轉(zhuǎn)下假人發(fā)生側(cè)滑的評價

正面偏置碰撞過程中，假人的運動姿態(tài)受車體反彈旋轉(zhuǎn)的影響不應忽略。

3.3.1 車體反彈時刻分析

偏置碰撞試驗前，在試驗車左B 柱下（LB）和右B 柱下（RB）分別安裝有x向加速度傳感器。試驗后，將兩個傳感器采集到的加速度分別積分成速度，并求得速度差值，通過左右兩B 柱下的速度差值可以判斷車體的旋轉(zhuǎn)情況：速度差值越大，車體向速度高的一側(cè)旋轉(zhuǎn)得越快。摸底試驗中，左右兩B 柱下的速度比較關(guān)系如圖10 所示。由圖可知，LB 速度曲線在108 ms 時刻歸0，RB 速度曲線在144 ms 時刻接近0。在108 ms 之后，速度差值維持在3.45 m/s。即在108 ms 之后，車體反彈，并伴有逆時針高速旋轉(zhuǎn)。

圖10 左右B 柱速度及差值

3.3.2 車體反彈對假人運動產(chǎn)生的影響

碰撞中，對于前排駕駛員假人和乘員假人，車體反彈加高速旋轉(zhuǎn)，將導致安全氣囊支撐下的假人上半身都向左側(cè)滑動。摸底試驗中，駕駛員和乘員假人胸部axc曲線對比關(guān)系如圖11 所示。由圖可知，乘員假人胸部axc曲線在回升過程中也出現(xiàn)波谷，與駕駛員側(cè)相比，該波谷出現(xiàn)時間略晚，約為111 ms，且較淺。乘員側(cè)波谷出現(xiàn)的時間偏晚、谷底偏淺與乘員側(cè)碰撞強度偏弱、安全氣囊下沒有方向盤支撐有關(guān)。同一碰撞試驗中，駕駛員和乘員假人胸部axc曲線在回升過程中，在幾乎相同的時刻產(chǎn)生了相同的變化，應存在共同產(chǎn)生原因，此外，假人胸部axc曲線產(chǎn)生變化的時刻與車體反彈的時刻幾乎相同，因此，可以初步確認假人胸部axc曲線出現(xiàn)的波谷為車體發(fā)生的反彈加旋轉(zhuǎn)造成。

圖11 駕駛員和乘員假人胸部axc 曲線對比

3.3.3 基于胸部y向加速度分析的側(cè)滑確認

當假人胸部發(fā)生側(cè)滑時，安全帶的橫向約束作用也將發(fā)生轉(zhuǎn)變，對駕駛員假人而言，胸部右側(cè)作用力減小，胸部ayc曲線歸0。建立駕駛員假人胸部axc和ayc曲線比較關(guān)系如圖12 所示。由圖可知，在109 ms 時刻，伴隨axc曲線的急速回升，ayc曲線也開始加速回升。兩條曲線開始回升的時刻與車體開始反彈的時刻基本一致，可以進一步確認車體反彈加旋轉(zhuǎn)對假人運動的影響。

圖12 駕駛員假人胸部axc 和axc 曲線比較

3.3.4 基于側(cè)滑下假人胸部axc曲線的評價

車體發(fā)生反彈旋轉(zhuǎn)的情況下，假人上半身發(fā)生側(cè)向滑動，該滑動下可能導致假人胸部axc曲線出現(xiàn)波谷。

再次分析圖8中插補曲線AC的合理性：圖8中，在A 點時，作用在假人胸部的安全氣囊受方向盤下盤緣支撐。假人胸部發(fā)生側(cè)滑后，氣囊支撐瞬間減弱，對胸部的約束作用也減弱，則產(chǎn)生AB。在AB運動過程中，假人胸部向左前方側(cè)滑，氣囊內(nèi)氣體在假人胸部擠壓下將被推向左側(cè)，如圖9 所示，最終在左側(cè)形成一個高壓包。當高壓包被方向盤側(cè)盤緣支撐后，對假人胸部的支撐將再次增強，產(chǎn)生BC。由于方向盤側(cè)盤緣的支撐作用較差，加上擠壓過程中排氣泄荷，安全氣囊的約束作用已較弱，且氣囊邊緣的約束作用更弱，因此，二次支撐下假人胸部產(chǎn)生的BC 表現(xiàn)不強。

該分析結(jié)果表明，AC 插補更為合理，ABC 波谷為異常變化，摸底試驗中方向盤與假人胸部未發(fā)生接觸。

4 反彈-插補法的應用

針對Euro NCAP 的摸底試驗，通過對車體反彈加旋轉(zhuǎn)對車內(nèi)前排乘員的影響進行分析，并在此基礎(chǔ)上運用插補曲線對摸底試驗結(jié)果進行評價，最終確認摸底試驗中方向盤與假人胸部未發(fā)生接觸。該分析方法彌補了當前只認可第2 個波峰為突變的分析方法的不足，提高了分析的客觀性，可作為后續(xù)方向盤接觸胸部主觀評價的新評價方法?？紤]到分析過程中，假人胸部axc曲線的有效插補曲線是在兩峰之間，且波谷是出現(xiàn)在車體反彈過程中，所以將新評價方法稱為反彈-插補法。

正在進行驗證試驗的某車型，剛剛進行了正面偏置碰撞試驗T1。T1 的整體試驗結(jié)果較好，但駕駛員假人胸部axc曲線在回升過程中發(fā)生了突變，如圖13 所示。由圖可知，假人胸部axc曲線在113 ～126 ms 之間出現(xiàn)了第2 個波峰，峰值出現(xiàn)時間為118 ms，運用反彈-插補法進行評價，評價是否發(fā)生方向盤接觸。

圖13 T1 試驗中駕駛員假人胸部axc 曲線

4.1 車體反彈時間確認

建立T1 試驗中左右B 柱下速度比較關(guān)系，如圖14 所示。由圖可知，LB 速度曲線在107 ms 時刻歸0，RB 速度曲線在136 ms 時刻歸0，并徘徊在0附近。在107 ms 之后，速度差維持在3 m/s。分析表明：約從107 ms 開始，車體反彈，并伴有尾部上翹和急速旋轉(zhuǎn)。

圖14 左右B 柱下速度比較關(guān)系

4.2 前排假人胸部axc 插補分析

對T1 試驗中駕駛員和乘員假人胸部axc曲線同時進行插補處理，處理結(jié)果如圖15 所示。由圖可知，駕駛員假人胸部axc曲線的插補區(qū)間為107 ～118 ms，乘員假人胸部axc曲線的插補區(qū)間為113 ～135 ms，乘員側(cè)假人的插補區(qū)間略滯后于駕駛員側(cè)。插補后，兩條曲線回升過程過渡均勻，沒有了突變，可以確認在107 ms 前后駕駛員假人和乘員假人胸部先后發(fā)生了瞬時卸載過程，該瞬時卸載過程導致假人胸部axc曲線產(chǎn)生波谷。分析結(jié)果表明：T1 試驗中，駕駛員假人胸部axc曲線發(fā)生的突變?yōu)椴ü?，方向盤與假人胸部未發(fā)生接觸。

圖15 T1 試驗中駕駛員和乘員假人胸部axc 曲線

5 結(jié)論

通過對64 km/h 正面偏置碰撞試驗中假人胸部x向加速度曲線運用插補法進行分析，得出結(jié)論：在進行方向盤接觸主觀評價時，針對假人胸部x向加速度曲線出現(xiàn)第2 個波峰的情況，可以采用反彈-插補法先對該曲線進行插補修整后再進行評價，以此先排除車體回彈旋轉(zhuǎn)導致假人發(fā)生側(cè)滑產(chǎn)生的影響，可以減少直接采用當前評價方法進行評價產(chǎn)生的誤判。