車輛斜角碰撞中不同百分位假人傷害對(duì)比研究

武永強(qiáng)，張愛法，婁 磊

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

前言

斜角碰撞是道路交通事故中最常見、發(fā)生率極高的碰撞類型之一，如圖1所示。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，正面碰撞交通事故中約80 %為斜角碰撞［1-2］，但針對(duì)車輛的正面碰撞工況，研究人員更多地是關(guān)注碰撞的重疊率，卻很少考慮碰撞角度。同時(shí)，汽車碰撞安全領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)汽車以保護(hù)50th假人為開發(fā)基準(zhǔn)而制定，對(duì)5th假人和95th假人的保護(hù)重視程度明顯不足；而50th假人是基于20世紀(jì)70年代的“歐美人體”體征開發(fā)的，經(jīng)過近50年的發(fā)展，“歐美人體”體征本身也發(fā)生了變化，且其無論是外在特征還是內(nèi)在特性方面均與“中國人體”體征存有較大差異，即對(duì)于主要以50th假人為保護(hù)對(duì)象進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的車輛能否最優(yōu)、最大范圍地保護(hù)我國駕乘人員的乘車安全仍值得商榷。由此可見，深入探究斜角碰撞工況中不同百分位假人的損傷特性對(duì)于完善我國汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，進(jìn)一步減少道路交通事故中的乘員傷亡具有非常重要的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

圖1 交通事故現(xiàn)場圖

目前，汽車碰撞安全領(lǐng)域內(nèi)涉及到斜角碰撞的標(biāo)準(zhǔn)以及針對(duì)斜角碰撞工況的研究還不多。GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》中涉及到帶有一定角度的碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證方法［3］，但它只是驗(yàn)證碰撞過程中假人頭部是否會(huì)接觸到儀表板等內(nèi)飾件，并未考量假人頭部傷害值以及假人其它部位損傷，即現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的測評(píng)方法能否最優(yōu)地保護(hù)駕乘人員的乘車安全有待進(jìn)一步研究；蘭州交通大學(xué)牛衛(wèi)中等［4］通過有限元模型仿真研究了某SUV在小重疊正面多個(gè)斜角碰撞工況中車體耐撞性的影響因素，得出碰撞角度約為15°時(shí)，車體的耐撞性最差；Rudd等［5］對(duì)安全帶參數(shù)在30°碰撞中對(duì)駕駛員胸部、臀部損傷的影響展開了研究；James等［6］對(duì)正面斜角碰撞中乘員損傷進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果較差；曹立波等［7-10］主要是通過有限元模型仿真模擬了車與車發(fā)生斜角碰撞的情況，結(jié)果驗(yàn)證了在斜角碰撞工況中，假人損傷不容忽視。綜上，雖然有關(guān)車輛斜角碰撞的標(biāo)準(zhǔn)和研究還不多，但均驗(yàn)證了斜角碰撞是一種比較危險(xiǎn)的碰撞類型；且現(xiàn)有的少量研究均主要是通過仿真的手段進(jìn)行模擬分析，缺乏真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

為進(jìn)一步探究車輛斜角碰撞事故中駕駛員的損傷特性，通過搭建18°斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)了斜角碰撞事故場景，并以試驗(yàn)對(duì)比為基礎(chǔ)，建立了3種工況試驗(yàn)方法，通過15個(gè)車型、69次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析斜角碰撞工況中5th假人、50th假人和95th假人各部位的傷害情況。

1 斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與試驗(yàn)方法簡述

依托日本三菱重工生產(chǎn)的液壓伺服加速式汽車模擬碰撞裝置，搭建了18°斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)了斜角碰撞事故場景，試驗(yàn)平臺(tái)俯視示意圖如圖2所示。

圖2 18°斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)俯視示意圖

18°斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)主要由加速式模擬碰撞裝置液壓系統(tǒng)、滑車、試驗(yàn)臺(tái)架3大部分組成。其中試驗(yàn)臺(tái)架的搭建是最為關(guān)鍵的一環(huán)，根據(jù)斜角碰撞事故類型特點(diǎn)、加速式汽車模擬碰撞裝置的工作原理以及滑車的結(jié)構(gòu)特征，本文中設(shè)計(jì)并制造了一種專用的試驗(yàn)臺(tái)架，其固定底板上帶有與縱向中心線呈18°夾角且按照矩陣排列的螺孔。通過該試驗(yàn)臺(tái)架便可實(shí)現(xiàn)車輛18°斜角碰撞效果，試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)俯視示意圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)俯視示意圖

試驗(yàn)時(shí)，首先把裝有風(fēng)窗玻璃、儀表板、轉(zhuǎn)向盤、氣囊和安全帶等約束系統(tǒng)及其它內(nèi)飾等部件的白車身通過焊接的方式水平地固定在試驗(yàn)臺(tái)架上；其次將臺(tái)架上的18°斜角螺孔調(diào)至與碰撞方向平行，且與滑車臺(tái)面上的螺孔一一對(duì)應(yīng)，通過螺栓連接將試驗(yàn)臺(tái)架固定在滑車上；然后將5th假人、50th假人和95th假人分別安置于駕駛員位置，并將假人調(diào)至正常駕駛姿態(tài)；接著將假人各部位的傳感器與滑車上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，用于采集碰撞試驗(yàn)后假人各部位的傷害值；最后通過對(duì)試驗(yàn)后3種假人各部位的損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比研究18°斜角碰撞工況中不同百分位假人的損傷特性及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，基于搭建的18°斜角碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)，建立了3種工況試驗(yàn)方法，如表1所示。

表1 3種工況試驗(yàn)方法

假人傷害是直接表征汽車安全性能優(yōu)劣的重要參考依據(jù)之一。參照中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China new car assessment program，C?NCAP）以及汽車正面碰撞的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究，以假人的頭部3 ms合成加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度和大腿力等參數(shù)分別來表征碰撞過程中駕乘人員的頭頸部、胸腹部和腿部等部位的傷害情況。

為準(zhǔn)確表征出不同百分位假人的損傷特性及差異，對(duì)3種工況分別進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并以同一工況中同一損傷參數(shù)的所有試驗(yàn)結(jié)果的平均值來表征假人各部位的損傷情況。同時(shí)，為更直觀地對(duì)比3種假人的損傷差異，本文中將各部位損傷參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果按從小到大順序依次排列。

2 不同百分位假人運(yùn)動(dòng)對(duì)比分析

假人在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)特征與損傷特性之間有密不可分的聯(lián)系。本文以某一車型的3種工況試驗(yàn)為例，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度簡要對(duì)比分析18°斜角碰撞過程中5th假人、50th假人和95th假人的運(yùn)動(dòng)特征。為直觀地分析假人的運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合試驗(yàn)錄像，并截取其中3種假人在碰撞過程中幾處關(guān)鍵時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖4～圖6所示。

圖4 5th假人不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖5 50th假人不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖6 95th假人不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

其中（a）表示碰撞發(fā)生前一瞬間的假人狀態(tài)；（b）表示假人與氣囊開始接觸時(shí)刻的假人狀態(tài)；（c）表示氣囊完全展開時(shí)刻的假人狀態(tài)；（d）表示開始反彈時(shí)刻的假人狀態(tài)。

由圖4~圖6可知，在碰撞前一瞬間，5th假人由于身材較小，試驗(yàn)時(shí)一般將座椅調(diào)至最高最前位置，即假人離轉(zhuǎn)向盤和儀表板等內(nèi)飾件距離最近；同理，50th假人和95th假人試驗(yàn)時(shí)，座椅分別處在中間和最后最下的位置，即假人離轉(zhuǎn)向盤和儀表板等內(nèi)飾件的距離也越遠(yuǎn)。發(fā)生碰撞后，車身受到阻力急劇做減速運(yùn)動(dòng)，而假人由于慣性繼續(xù)向前，與車身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最初由于受到安全帶的作用，主要表現(xiàn)為假人的頭部會(huì)快速向前，身體發(fā)生前傾；在進(jìn)行到20 ms時(shí)，安全氣囊已展開并與5th假人的胸部開始接觸，而50th假人和95th假人的胸部與氣囊接觸的時(shí)刻略有延遲，分別發(fā)生在碰撞后30和45 ms時(shí)刻，這主要是由于假人起始位置離轉(zhuǎn)向盤較遠(yuǎn)造成的。隨著碰撞過程的進(jìn)行，氣囊逐漸完全展開，5th假人的胸部在此過程中已經(jīng)與轉(zhuǎn)向盤的下緣發(fā)生了擠壓，導(dǎo)致5th假人的胸部發(fā)生較大壓潰；而50th假人和95th假人由于距離轉(zhuǎn)向盤較遠(yuǎn)，且在氣囊和安全帶共同約束的作用下，假人的胸部離轉(zhuǎn)向盤的下緣還有一段距離。同時(shí)，圖中還可以看出，5th假人和50th假人的膝部與儀表板雖然已經(jīng)接觸，但小腿與大腿間的角度還呈鈍角，并未發(fā)生劇烈的撞擊，這也是由于斜角碰撞過程中，假人的右腿先與儀表板發(fā)生了撞擊，消耗了大部分能量，表現(xiàn)為左大腿力小于右大腿力；而此時(shí)95th假人的左腿膝部已經(jīng)完全接觸到儀表板，且已被完全卡死。隨后氣囊開始慢慢泄氣，假人由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)直至最前位置。從不同百分位假人的運(yùn)動(dòng)對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)過程中假人的頭部相對(duì)于胸部發(fā)生了較大的彎曲，即假人的頭部出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，造成頸部彎矩明顯增大，主要是由于在安全帶和氣囊的共同約束下，假人的胸部運(yùn)動(dòng)逐漸趨緩并停止向前運(yùn)動(dòng)，尤其是身材較小的5th假人的胸部已經(jīng)完全被轉(zhuǎn)向盤阻擋并擠壓，造成5th假人的胸部壓縮量最大；此后假人開始反彈。

3 不同百分位假人傷害結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)合假人在斜角碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)特征，以50th假人各部位的傷害結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)比分析18°斜角碰撞工況中5th、50th和95th3種假人的頭部3 ms合成加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度和腿部力等傷害指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.1 假人頭部3 ms合成加速度對(duì)比分析

假人頭部3 ms合成加速度是表征駕駛員頭部傷害程度的主要指標(biāo)之一，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 假人頭部3 ms合成加速度

圖8 不同百分位假人頭部3 ms合成加速度平均值

由圖7可以看出，5th假人頭部3 ms合成加速度最大，50th假人最小。圖8更加直觀地展現(xiàn)了3種假人頭部3 ms合成加速度的平均差異情況，分別為59.03g、52.62g和55.78g；相比于50th假人，5th假人和95th假人的頭部3 ms合成加速度分別高出12.2%和6.0%，表明在18°斜角碰撞工況中，50th假人頭部受到損傷風(fēng)險(xiǎn)較小。這是由于目前在汽車安全性能開發(fā)過程中均是以最優(yōu)保護(hù)50th假人為目標(biāo)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)致死率最高的頭部做了更多的防護(hù)措施。其中，氣囊和安全帶等約束系統(tǒng)部件間的相互匹配效果對(duì)于駕駛員頭部的保護(hù)發(fā)揮了極其重要的作用，這也是50th假人頭部在碰撞過程中的表現(xiàn)好于5th假人和95th假人的主要原因之一。從試驗(yàn)結(jié)果中還得出，5th假人和95th假人頭部3 ms合成加速度數(shù)值雖然高于50th假人，但損傷程度相差不大，這主要是由于氣囊和安全帶沒有達(dá)到最優(yōu)的匹配效果造成的，后期可以通過優(yōu)化氣囊和安全帶的匹配參數(shù)達(dá)到對(duì)5th假人和95th假人的最佳保護(hù)。

3.2 假人頸部彎矩My對(duì)比分析

頸部彎矩My是表征碰撞過程中駕駛員頸部損傷程度的主要指標(biāo)之一，試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 假人頸部彎矩My

圖10 不同百分位假人頸部彎矩My平均值

由圖9和圖10可知：5th假人頸部彎矩My最小，50th假人最大，3種假人頸部彎矩My的平均值分別為28.63、41.83和36.58 N·m。相比于50th假人，5th假人和95th假人的頸部彎矩My分別降低了31.6 %和12.6%，這表明3種假人在18°斜角碰撞工況下，5th假人頸部受到損傷風(fēng)險(xiǎn)較小。這是由于在碰撞瞬間，車輛速度驟然降低，安全帶和氣囊等約束系統(tǒng)收到信號(hào)后開始起效，將假人軀干緊緊地束縛在座椅上，而假人由于慣性作用持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，受安全帶對(duì)胸部的約束作用，頭部相對(duì)胸部向前運(yùn)動(dòng)，頸部彎矩My在預(yù)緊階段負(fù)向逐漸增大；隨后假人頭部與氣囊接觸，氣囊向后方施力，緩沖了假人頭部運(yùn)動(dòng)，而胸部繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，造成頭部相對(duì)胸部發(fā)生向后向上旋轉(zhuǎn)，致使頸部彎矩My負(fù)向增大明顯；隨著氣囊泄氣，頭部與胸部相對(duì)位移減小，趨于平衡，頸部彎矩My由負(fù)向逐漸變?yōu)檎蛟黾樱敝良偃嘶貜椊Y(jié)束。而5th假人身材較小，試驗(yàn)中座椅需調(diào)至最前最上的位置，致使假人頭部和胸部距離轉(zhuǎn)向盤最近，在發(fā)生碰撞的過程中，5th假人頭部與氣囊接觸最早，向前的沖擊并不大，同時(shí)由于安全帶對(duì)其有效保護(hù)，造成頭部與軀干運(yùn)動(dòng)受阻，即阻止了頭部與軀干發(fā)生較大彎曲。

3.3 假人胸部壓縮量對(duì)比分析

胸部壓縮量是評(píng)價(jià)駕駛員胸部損傷程度的重要參考指標(biāo)之一，試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 假人胸部壓縮量

圖12 不同百分位假人胸部壓縮量平均值

從圖11和圖12可以看出：5th假人胸部壓縮量最大，50th假人和95th假人基本相同，3種假人的胸部壓縮量平均值分別為45.92、34.24和34.81 mm。相比于50th假人，5th假人和95th假人胸部壓縮量分別高34.1%和1.6%；從圖11中還可以得出，5th假人胸部壓縮量波動(dòng)范圍最大；表明在18°碰撞工況試驗(yàn)中，5th假人胸部受到損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。這是由于5th假人身材較小，在碰撞初期，腰部安全帶緊緊將乘員束縛在座椅上，極大限制了假人軀干的運(yùn)動(dòng)；但假人由于慣性，快速向前運(yùn)動(dòng)，造成胸部相對(duì)脊椎產(chǎn)生較大運(yùn)動(dòng)，隨著碰撞過程進(jìn)行，較小的5th假人的胸部最早與轉(zhuǎn)向盤發(fā)生接觸，隨后由于轉(zhuǎn)向盤的反向擠壓，造成胸部壓縮量增加更為明顯。而50th假人和95th假人胸部壓縮量試驗(yàn)結(jié)果基本相同，只是95th假人的胸部壓縮量曲線比50th假人延遲，這是由于胸部受到阻礙產(chǎn)生較大的壓縮變形，而95th假人較大，試驗(yàn)時(shí)坐姿位置相對(duì)靠后，胸部與轉(zhuǎn)向盤間的距離較大，即發(fā)生較大壓縮的時(shí)刻相對(duì)靠后。

3.4 假人骨盆合成加速度對(duì)比分析

骨盆合成加速度是衡量約束系統(tǒng)對(duì)駕駛員骨盆保護(hù)效果的重要依據(jù)之一，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13和圖14所示。

圖13 假人骨盆合成加速度

圖14 不同百分位假人骨盆合成加速度平均值

圖13和圖14所示的試驗(yàn)結(jié)果表明：50th假人骨盆合成加速度最大，5th假人次之，95th假人最小。3種假人的骨盆合成加速度平均值分別為55.72g、67.55g和50.31g。相比于50th假人，5th假人和95th假人的骨盆合成加速度分別降低了17.5%和25.5%；表明在18°斜角碰撞中，中等身材的駕駛員骨盆受到損傷風(fēng)險(xiǎn)更大。這是由于5th假人身材較小，在碰撞初期，安全帶緊緊將乘員束縛在座椅上，極大限制了假人軀干的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)于5th假人，試驗(yàn)時(shí)將座椅調(diào)至最前最上，致使假人膝部與車內(nèi)飾件間距離較短，在劇烈的碰撞過程中，有限的車內(nèi)空間限制了膝部的自由運(yùn)動(dòng)；同理，由于95th假人身材較大，也使假人的膝部運(yùn)動(dòng)空間受到限制，當(dāng)膝部與車內(nèi)飾件接觸后，反作用力增大，減緩了骨盆的沖擊，導(dǎo)致骨盆加速度減小。

3.5 假人大腿力對(duì)比分析

大腿力是表征駕駛員下肢在碰撞過程中受傷程度的主要指標(biāo)之一，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖15～圖17所示。

圖15 假人左大腿力

從圖15～圖17可以看出：95th假人的左大腿力傷害值遠(yuǎn)大于5th假人和50th假人；相比于50th假人，5th假人和95th假人左大腿力分別高了31.8 %和456.8%。這表明在18°碰撞工況試驗(yàn)中，95th假人左大腿受到損傷風(fēng)險(xiǎn)最大；同理，相比于50th假人，5th假人和95th假人右大腿力分別降低了71.4 %和62.6%，表明在18°碰撞工況中，50th假人的右大腿受到損傷的風(fēng)險(xiǎn)最大。從圖17中還可知，50th假人的左右腿受力差別較大。一般而言，假人越大，慣性沖擊越大，而由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于50th假人，身材更大的95th假人右大腿力反而更小，這是由于車身的縱向中心線與碰撞方向呈18°夾角，在碰撞過程中，假人會(huì)向車輛內(nèi)側(cè)移動(dòng)，由于95th假人質(zhì)量較大，慣性較大，且腿部運(yùn)動(dòng)空間有限，造成左腿膝部先與汽車內(nèi)飾發(fā)生二次碰撞，產(chǎn)生較大的撞擊力，能量發(fā)生較大程度的傳遞和消耗，大大緩沖了右腿的沖擊。

圖17 不同百分位假人大腿力平均值

4 結(jié)論

搭建了18°斜角滑臺(tái)碰撞工況試驗(yàn)平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)了斜角碰撞事故場景，并以試驗(yàn)對(duì)比為基礎(chǔ)，建立了3種工況試驗(yàn)方法，通過15個(gè)車型、69次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了18°斜角碰撞工況中5th假人、50th假人和95th假人各部位的運(yùn)動(dòng)特征和傷害情況，結(jié)論如下。

（1）通過大量的斜角碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證了斜角碰撞是一種比較危險(xiǎn)的碰撞類型。這為完善汽車碰撞安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持，對(duì)車企在優(yōu)化車型設(shè)計(jì)方面具有重要的參考價(jià)值。

（2）試驗(yàn)結(jié)果顯示身材較小的駕駛員上半身受傷風(fēng)險(xiǎn)較大，身材較大的駕駛員下半身受傷風(fēng)險(xiǎn)較大。表明斜角碰撞中不同百分位駕駛員均可能會(huì)受到不同程度的傷害。

（3）18°斜角碰撞試驗(yàn)中，5th假人頭部和胸部損傷指標(biāo)均高于50th假人和95th假人，表明身材較小的駕駛員頭部和胸部在斜角碰撞事故中發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)更大。

（4）18°斜角碰撞試驗(yàn)中，50th假人的頸部和骨盆損傷指標(biāo)均高于5th假人和95th假人，表明中等身材的駕駛員頸部和骨盆在斜角碰撞事故中發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（5）18°斜角碰撞試驗(yàn)中，50th假人的右大腿力和95th假人的左大腿力傷害值最大，表明身材較大的駕駛員腿部受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)更大，且中等身材的駕駛員兩條大腿受傷程度差異較大，右大腿受傷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于左大腿。