基于國家標準GB 11552滑車碰撞試驗方法的乘員保護分析

武永強，婁 磊，馮 琦

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300, 中國）

中華人民共和國國家標準GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》是檢驗汽車內(nèi)部凸出物性能的重要依據(jù)之一，共有3種驗證方法，分別為實車碰撞試驗、滑車碰撞試驗和模擬碰撞試驗[1]。綜合車型開發(fā)成本以及通過率等多因素的考慮，大多數(shù)車企會優(yōu)先選用滑車碰撞試驗方法。但滑車碰撞試驗方法中的考核點主要是看假人頭部是否與車內(nèi)儀表板等內(nèi)飾發(fā)生撞擊，并不考慮假人其它部位及其損傷。諸多學(xué)者通過碰撞試驗和計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)進行大量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在基于GB 11552檢驗方法中假人的軀干和下肢均會受到不同程度的損傷。

J. W. Saunders等[2]人對30°碰撞中的駕駛員損傷進行了研究，發(fā)現(xiàn)安全帶參數(shù)對胸部和臀部的損傷有較大的影響；M. S. Salwani等[3]人模擬了一輛以48 km/h行駛的汽車傾斜30°角撞擊剛性壁障，結(jié)果表明在較低的質(zhì)量下，部分填充的側(cè)梁能夠吸收與完全填充的側(cè)梁幾乎有相同的能量。蘭州交通大學(xué)牛衛(wèi)中等[4]人通過HyperWorks和LS-DYNA軟件對某運動型多用途汽車(sport utility vehicle, SUV)在小重疊正面30°斜角碰撞工況中車體耐撞性的影響因素進行了研究，結(jié)果表明斜角碰撞中駕乘人員的損傷較大。華南理工大學(xué)的陶孫文[5]通過建立斜角碰撞仿真模型，分析了駕駛員的頭部、胸部以及膝蓋在斜角碰撞過程中的行為響應(yīng)以及損傷，發(fā)現(xiàn)左大腿較右大腿更易發(fā)生肌肉撕裂與骨折。湖南大學(xué)等[6-10]人也主要通過有限元模型仿真方法模擬了GB 11552中實車碰撞試驗工況，對假人損傷進行了研究，驗證了假人損傷不容忽視。

總之，越來越多的研究人員開始關(guān)注GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》檢驗方法中的乘員保護效果，但目前的手段更多的還是基于軟件仿真的手段對標準中的試驗工況進行模擬，缺乏真實的試驗數(shù)據(jù)支撐。

為了進一步優(yōu)化GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》中滑車碰撞試驗方法的乘員保護效果，最大限度地保護好駕乘人員的乘車安全，本文基于GB 11552-2009 中滑車碰撞試驗方法，主要對車輛最大的碰撞偏轉(zhuǎn)角（18°）試驗工況中5th假人、50th假人和95th假人的頭部、軀干和下肢等部位的損傷情況進行分析研究，并積累了大量的碰撞試驗數(shù)據(jù)，這為GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》相關(guān)條款的完善提供了非常重要的參考價值。

1 GB 11552滑車碰撞試驗方法

滑車碰撞試驗方法是GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》實施中使用率最高的試驗方法，它是用白車身代替整車在GB 14166附錄F圖F.1所示的減速度-時間圖表（如圖1所示）作用下，使5th假人、50th假人和95th假人產(chǎn)生相當(dāng)于實車正面碰撞試驗中假人向前的移動。

滑車碰撞試驗設(shè)備及工況示意圖如圖2所示。

圖2 滑車碰撞試驗示意圖

滑車碰撞試驗步驟一般如下：首先，將白車身偏轉(zhuǎn)至最大的偏轉(zhuǎn)角（18°）固定在滑車上；其次，將假人按照要求分別擺放到前排駕駛或副駕駛位置；然后，將假人各部位的傳感器與滑車上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一一對應(yīng)連接；最后，啟動滑車控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)前端的活塞按照滿足圖1條件要求的加速度波形將滑車快速彈射出，至此滑車碰撞試驗過程結(jié)束。

圖1 減速度-時間圖

乘員保護效果主要是通過碰撞試驗中的假人損傷來直接體現(xiàn)，它也是在標準的制修訂過程中作為表征乘員損傷等級的主要參考依據(jù)。參照中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）以及相關(guān)標準和研究[11-13]，參考2020年C-NCAP評價的25款車型，尤其是對40%偏置碰撞試驗中假人各部位損傷結(jié)果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)假人的軀干和下肢是乘員損傷的主要部位，如表1所示。

表1 2020年C-NCAP評價車型結(jié)果統(tǒng)計

25款評價車型中，自主品牌11款，合資品牌14款，其價格主要集中在10～25萬元。其中有：6款緊湊型轎車，4款中大型轎車，8款緊湊型SUV ，5款中大型運動型多用途汽車（sport utility vehicle，SUV），2款商用多用途車（muti-purpose vehicle，MPV）。有12款車型綜合得分率在90%以上，11款車型綜合得分率處于80%～90%之間，2款車型綜合得分率在80%以下。25款車型平均綜合得分率為88.3%。頭頸部表現(xiàn)很好，而胸部和腿部的得分率分為為82.6%和82.3%。

GB 11552-2009 滑車試驗方法與40%偏置碰撞有相似的運動特征。因此，本文主要對損傷風(fēng)險較大的胸部和腿部損傷進行深入研究，分別以表征碰撞過程中駕乘人員的頭部、軀干、腿部等部位傷害程度的頭部3 ms合成加速度a、胸部壓縮量Ddef、大腿力F為研究指標。根據(jù)GB 11552-2009的相關(guān)要求以及滑車碰撞試驗工作原理，搭建了2個位置共計6種試驗工況，如表2所示。

表2 6種試驗工況

對40多款車型進行了130余次試驗，試驗車輛均選自市面上銷量較大的車型，信息如表3所示。

表3 試驗車輛信息

從6種工況中分別隨機抽取10次試驗（覆蓋25個車型）為重點研究對象，以10次試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計分析，并以其平均值作為該指標在特定試驗工況中的平均表現(xiàn)。

2 乘員保護結(jié)果分析

2.1 頭部損傷

頭部3 ms合成加速度是表征駕乘人員頭部傷害程度的主要指標之一。6種工況試驗中假人頭部3 ms合成加速度a的結(jié)果如圖3和圖4所示。

現(xiàn)行的GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》中滑車碰撞試驗方法中僅有的考核點是假人頭部與儀表板是否發(fā)生接觸，表現(xiàn)之一為假人頭部3 ms合成加速度不超過80g，即認為假人頭部3 ms合成加速度≤80g是相對安全的。

由圖3可知：3種假人頭部3 ms合成加速度峰值的平均值相差不大，分別為52.49g、55.10g和58.25g，損傷因數(shù)（實際值/限值）分別為0.66、0.69和0.73。

圖3 駕駛員頭部3 ms合成加速度

同理，如圖4所示：副駕駛員頭部3 ms合成加速度最大值分別為75.71g、71.76g和57.51g，損傷因數(shù)分別為0.95、0.90和0.72。這主要是由于現(xiàn)行的GB 11552-2009《內(nèi)部凸出物》主要的考核點就是針對頭部保護且已經(jīng)實施多年，各大主機廠針對該標準中的考核點已經(jīng)進行了針對性的優(yōu)化設(shè)計，尤其是在安全帶和氣囊等約束系統(tǒng)的相互匹配效果上做了更多的改進，對乘員頭部保護的技術(shù)已經(jīng)成熟，這是在目前內(nèi)凸試驗中假人頭部傷害因數(shù)較小的主要原因，也間接地反應(yīng)出標準對于推動汽車安全性能的提升具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 副駕駛員頭部3 ms合成加速度

2.2 軀干損傷

胸部壓縮量是表征駕乘人員軀干損傷程度的主要參考指標之一。6種工況試驗中假人胸部壓縮量(Ddef)的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

根據(jù)C-NCAP評價體系中的損傷指標限值，胸部壓縮量高性能限值為22 mm，低性能限值為50 mm。通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)胸部壓縮量絕大多數(shù)都超過了22 mm。圖5和圖6中試驗結(jié)果顯示：3種體位假人胸部壓縮量超過22 mm的概率約為100%。

圖5中駕駛員側(cè)試驗3中5th女性假人的胸部壓縮量遠大于限值，達到了98.76 mm。

圖6所示的試驗7中95th假人和試驗8中5th假人的結(jié)果分別達到了93.59 和72.21 mm；結(jié)合試驗錄像分析發(fā)現(xiàn)這是由于安全帶和氣囊匹配效果不理想，造成假人胸部與方向盤發(fā)生擠壓，對胸部形成一個反向壓力，而頭部由于慣性繼續(xù)向前運動，直到頭部與氣囊接觸，逐漸達到最大。圖5所示的駕駛員側(cè)試驗中5th假人、50th假人和95th假人的胸部壓縮量平均值分為42.81、41.93和40.11 mm。

圖5 駕駛員胸部壓縮量

圖6所示3種體位假人的胸部壓縮量平均值分別為34.01、34.27和42.76 mm。這是由于駕駛位置有方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等結(jié)構(gòu)件的影響，造成駕駛位置的空間相對較小且存在堅硬部件，在碰撞過程中會對駕駛員胸部產(chǎn)生擠壓。方向盤和轉(zhuǎn)向管柱越硬，對駕駛員胸部的反向壓潰力越大，即胸部產(chǎn)生損傷的風(fēng)險系數(shù)越高。

圖6 副駕駛員胸部壓縮量

2.3 下肢損傷

膝部是碰撞過程中駕乘人員下肢損傷概率最大的部位，而大腿力是表征膝部損傷程度的主要參數(shù)之一。受劇烈撞擊和車內(nèi)空間限制，腿部往往會受到不同程度的損傷。6種工況試驗中假人下肢損傷的試驗數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

圖7 駕駛員下肢損傷

圖8 副駕駛員下肢損傷

根據(jù)C-NCAP(2021版)中Knee-Mapping試驗要求，膝部風(fēng)險評價主要用來評價車輛碰撞過程中是否會對不同體位乘員膝部造成相應(yīng)的損傷，即在膝部可能接觸到的區(qū)域是否存在集中載荷和可變區(qū)域接觸風(fēng)險的情況。其中集中載荷主要是通過大腿力是否大于3.8 kN來判斷，當(dāng)超過該值時，表明駕乘人員的膝部存在一定程度的損傷風(fēng)險。

從圖7可得：5th、50th和95th假人的左大腿力平均值分別為21.89、0.81和3.23 kN，右大腿力平均值分別為5.33、9.59和2.18 kN。圖7a試驗2是由于在碰撞瞬間，受慣性力和車內(nèi)空間的限制，假人下肢迅速向前移動，而左腳受到腳踏板及車內(nèi)飾件的阻礙，造成小腿與大腿基本處在同一條線上，即小腿與大腿形成頂死狀態(tài)，致使碰撞過程中車身受到的沖擊力通過腳部和小腿直接傳遞到了假人大腿上，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

從圖8可得：5th、50th和95th假人的左大腿力平均值為1.63、1.45和2.02 kN，右大腿力平均值為0.72、0.78和2.61 kN。這是由于副駕駛位置處前排空間較大，在受到安全帶和氣囊的共同作用下，假人腿部的撞擊得到較大緩沖。

假人大腿力受車內(nèi)結(jié)構(gòu)件布局和材質(zhì)性能的影響較大，內(nèi)飾板結(jié)構(gòu)越凸出、越硬，大腿及膝部損傷風(fēng)險就越大；同時，安全帶的性能參數(shù)如點爆時刻和預(yù)張緊力對假人下肢損傷的影響也尤為明顯，而5th和50th假人對安全帶參數(shù)的敏感性比95th假人更為顯著。一般來講，點爆時刻過長會造成假人膝部與內(nèi)飾板發(fā)生二次撞擊產(chǎn)生損傷，預(yù)張緊力過小也會增大假人下肢損傷的風(fēng)險。

3 結(jié) 論

本文基于GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》 滑車碰撞試驗方法，對其最大的偏轉(zhuǎn)角（18°）碰撞試驗工況中5th假人、50th假人和95th假人的頭部、軀干和下肢等部位的損傷情況進行研究，在每一種工況中隨機抽取10次碰撞試驗為基礎(chǔ)研究對象，得出以下結(jié)論：

假人的軀干和下肢均受到不同程度的損傷，主要表現(xiàn)為假人越大，下肢損傷的風(fēng)險相對越大，且靠近撞擊側(cè)的大腿受到損傷的風(fēng)險明顯高于另一側(cè)的大腿，主要是由于車輛與碰撞方向間呈一定的角度造成的。

假人的頭部基本能夠得到較好的保護，這是由于現(xiàn)行標準中僅有的考核部位就是頭部，表明了標準對于汽車安全性能的提升具有重要的推動作用。

因此，筆者建議：在未來的中國國家標準GB 11552中，應(yīng)當(dāng)適度地考量假人的軀干和下肢等部位的損傷。當(dāng)然，后續(xù)還需積累更多的試驗數(shù)據(jù)，為制定各部位損傷指標的限值提供數(shù)據(jù)支持。

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