汽車-電動自行車與汽車-自行車碰撞中騎車人動力學(xué)響應(yīng)對比研究*

薛海濤，李海波，趙小羽，胡林，林淼

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

近年來，受政策推廣、低碳觀念廣泛普及等的影響，中國電動自行車數(shù)量快速增長，2019年電動自行車產(chǎn)量為2 273.8萬輛，2020年產(chǎn)量已達2 548萬輛，年增幅超過12%。電動自行車在為居民出行帶來便捷的同時，也為道路交通安全帶來了新的挑戰(zhàn)。電動自行車與兩輪車從質(zhì)量、外形、行駛速度等方面與傳統(tǒng)自行車均存在差異，導(dǎo)致電動自行車事故后的動力學(xué)響應(yīng)、駕駛員損傷情況等都可能與傳統(tǒng)自行車存在差異。

奧地利DSD公司基于動量和沖量守恒等動力學(xué)與運動學(xué)的基本理論，研發(fā)出PC-Crash事故再現(xiàn)仿真軟件，該軟件是目前事故再現(xiàn)分析領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件，能模擬多種類型事故包括二維、三維的碰撞過程，可輸入車輛速度、車輛位置、制動延遲時間及駕駛員對車輛制動踏板和加速踏板的控制數(shù)據(jù)等，輸出車輛軌跡、撞擊速度、停止位置等，具有計算時間短、建模效率高、建模結(jié)果可靠率高等特點。該文針對中國交通事故深入研究(CIDAS)數(shù)據(jù)庫中的2起案例，運用PC-Crash進行事故重建，分析汽車-電動自行車、汽車-自行車碰撞中汽車車型、速度及碰撞類型對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響，并進行差異性分析。

1 事故重建

1.1 構(gòu)建重建模型

人體模型選用PC-Crash軟件中調(diào)用的多剛體動力學(xué)模型，該模型可對人的身高、體重、年齡，車的外形、質(zhì)量及騎車人的姿態(tài)等多方面參數(shù)進行調(diào)節(jié)。汽車模型各部分的機械特性參數(shù)分別根據(jù)歐洲新車安全評價協(xié)會(European New Car Assessment Program，E-NCAP)相似車型的碰撞試驗定義，在軟件中根據(jù)車輛的品牌型號直接調(diào)用，并可根據(jù)實際車輛參數(shù)對其進行修改，對于軟件中無法查詢的車輛，則可根據(jù)其參數(shù)找到類似車型并修改其參數(shù)。圖1為汽車-電動自行車、汽車-自行車的事故重建模型。

圖1 汽車-電動自行車、汽車-自行車事故重建模型

1.2 碰撞參數(shù)定義

汽車、電動自行車的最終位置由事故現(xiàn)場調(diào)查得出，碰撞速度、形態(tài)、位置則由事故現(xiàn)場調(diào)查提供的數(shù)據(jù)計算得到。對于汽車與兩輪車重心的側(cè)面碰撞，參考GB/T 33195—2016中的公式得出汽車及兩輪車碰撞時刻的行駛速度，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：v1為兩輪車的行駛速度(km/h)；m1、m2、mp分別為兩輪車、汽車、騎車人的質(zhì)量(kg)；θ1、θp分別為兩輪車、騎車人被拋出的角度；φ1、φ2、φp分別為兩輪車、汽車、騎車人的縱滑附著系數(shù)；s1、s2、s3分別為兩輪車、汽車、騎車人碰撞后的滑移距離(m)；v2為汽車的行駛速度(km/h)；k2為汽車附著系數(shù)修正值。

針對不同接觸情況，汽車、兩輪車(包含電動自行車及自行車)、路面、騎車人之間會有不同摩擦系數(shù)，具體取值依據(jù)車輛外形、材料及路面實際情況確定(見表1)。

表1 不同路面的接觸面摩擦系數(shù)

根據(jù)CIDAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到騎車人頭部是最容易受傷的位置。頭部損傷采用頭部損傷標準HIC進行評價，HIC=1 000為人頭部的耐受界限。計算公式如下：

(3)

式中：t2-t1為HIC從碰撞接觸開始到達最大值時的時間間隔；a(t)為頭部重心位置的合成加速度。

2 重建可行性驗證

2.1 案例描述及初步分析

從CIDAS數(shù)據(jù)庫中分別選出1起汽車-電動自行車、汽車-自行車正面碰撞事故進行PC-Crash可行性驗證。

2.1.1 汽車-電動自行車事故案例

電動二輪車由東北往西南沿道路A行駛，行至道路交叉口時，由于未按照交通指示闖紅燈行駛，車輛右側(cè)前部與由西北往東南沿道路B行駛的轎車前部左側(cè)發(fā)生碰撞，造成兩車受損、電動自行車騎車人受傷。

事故電動自行車不帶腳蹬，后駕座無載人現(xiàn)象。事故發(fā)生在城市交叉口，汽車駕駛者周圍無障礙物遮擋視野，汽車駕駛員駕駛前后無飲酒現(xiàn)象。事故發(fā)生前后，天氣良好，可見度高，路面平直潮濕。根據(jù)2名駕駛者的回顧，事故發(fā)生時轎車采取了剎車及右轉(zhuǎn)的制動措施，電動自行車餐區(qū)剎車制動。碰撞前汽車行駛速度約為50 km/h，電動自行車的行駛速度約為30 km/h。事故現(xiàn)場見圖2(a)。

圖2 事故現(xiàn)場示意圖

2.1.2 汽車-自行車事故案例

面包車由東向西沿A路左轉(zhuǎn)，由于視線遮擋，車輛左側(cè)前部與沿B路由南向北右轉(zhuǎn)自行車前部發(fā)生碰撞。造成兩車損壞、自行車騎車人受傷。

事故自行車為腳蹬自行車，后座無載人現(xiàn)象。路口有樹林遮擋汽車駕駛者視野，汽車駕駛員駕駛前后無飲酒現(xiàn)象。事故發(fā)生地點為鄉(xiāng)間，天氣良好，可見度高，路面平直粗糙。根據(jù)2名駕駛者的回顧，事故發(fā)生時未采取任何安全防護措施防止事故發(fā)生。碰撞前汽車行駛速度約為20 km/h，自行車的行駛速度約為15 km/h。事故現(xiàn)場見2(b)。

2.2 人員損傷及車輛受損情況

2.2.1 汽車-電動自行車事故案例

電動自行車騎車人左鎖骨肩峰端骨質(zhì)斷裂，臨近軟組織腫脹；右側(cè)腓骨近端骨折斷裂，斷端稍位移。汽車擋風(fēng)玻璃中部偏左的位置明顯可見由中心向四周擴散的裂紋[見圖3(a)]；電動自行車前部外殼脫落，左右后視鏡脫落，右側(cè)中部靠后外殼脫落并嚴重受損[見圖3(b)]。

圖3 人員損傷及車輛受損情況

2.2.2 汽車-自行車事故案例

自行車騎車人右鎖骨粉碎性骨折，頭面部擦傷。汽車左前大燈上面發(fā)動機蓋見明顯凹陷痕跡，左前輪外殼見明顯刮擦痕跡[見圖3(c)]；自行車前輪及后輪均見明顯凹陷彎折，前簍見明顯凹陷，鏈條外殼見彎折[見圖3(d)]。

2.3 事故重建

2.3.1 汽車-電動自行車事故重建

根據(jù)CIDAS數(shù)據(jù)，轎車在制動并右轉(zhuǎn)后發(fā)生碰撞。仿真中設(shè)定汽車碰撞時刻的速度為46 km/h，電動自行車碰撞時刻的速度為30 km/h，汽車左側(cè)與車輛右側(cè)發(fā)生碰撞。仿真結(jié)果中電動自行車及騎車人的拋距與實際情況的比較見表2。電動自行車、騎車人拋距的仿真結(jié)果與實際結(jié)果的誤差小于5%，說明仿真模型與實際情況吻合。

表2 汽車-電動自行車碰撞中拋距及仿真誤差

2.3.2 汽車-自行車事故重建

根據(jù)CIDAS數(shù)據(jù)，轎車在碰撞前未采取制動措施。仿真中設(shè)定汽車碰撞時刻的速度為20 km/h，自行車碰撞時刻的速度為15 km/h，汽車左側(cè)大燈處與自行車前部發(fā)生碰撞。仿真結(jié)果中自行車及騎車人的拋距與實際情況的比較見表3。自行車、騎車人拋距的仿真結(jié)果與實際結(jié)果的誤差小于5%，說明仿真模型與實際情況吻合。

表3 汽車-自行車碰撞中拋距及仿真誤差

3 碰撞參數(shù)對重建結(jié)果的影響分析

3.1 汽車車型對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，常見的3種汽車車型分別為普通三廂轎車(Sedan)、多功能汽車(Multipurpose Vehicle，MPV)、運動型多功能汽車(SportUtility Vehicle，SUV)，其外形見圖4。

圖4 常見汽車車型的外形

分別基于三類不同車型進行汽車-電動自行車、汽車-自行車事故重建，騎車人頭部碰撞速度與汽車碰撞速度的關(guān)系見圖5。由圖5可知：無論是電動自行車，還是自行車，騎車人頭部碰撞速度均隨著汽車碰撞時刻速度的增加而增加；對于不同車型，兩者間擬合線性趨勢相近，且汽車碰撞速度與騎車人頭部碰撞速度呈線性相關(guān)，汽車-電動自行車擬合直線的決定系數(shù)R2分別為0.979 09、0.998 67、0.998 16，汽車-自行車擬合直線的R2分別為0.995 71、0.999 81、0.998 77。不同汽車車型在汽車-電動自行車與汽車-自行車騎車人頭部碰撞速度與汽車碰撞速度的相關(guān)性方面表現(xiàn)出一致性，相關(guān)強度為SUV>MPV>Sedan，但差別較小。

圖5 騎車人頭部碰撞速度與汽車碰撞速度的關(guān)系

騎車人頭部HIC值見圖6。騎車人的損傷來源主要是碰撞過程中汽車的撞擊及騎車人落地后地面的撞擊。由圖6可知：騎車人頭部損傷HIC值隨著汽車碰撞速度的增加而增加。對于不同車型，無論是低速還是高速狀態(tài)，Sedan車型對騎車人頭部HIC值的影響均更大；低速行駛的MPV與SUV，騎車人頭部HIC值相近，但速度大于60 km/h時，SUV會對騎車人頭部造成更大的損傷；對于電動自行車與自行車，SUV會對電動自行車騎車人頭部造成更嚴重的傷害，Sedan及MPV車型更易對自行車騎車人造成更嚴重的傷害；汽車行駛速度為55～70 km/h時，各類車型碰撞騎車人頭部HIC值均達到1 000的安全界限。

圖6 騎車人頭部損傷HIC值與汽車碰撞速度的關(guān)系

3.2 兩輪車速度對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

選用最典型的Sedan汽車與兩輪車碰面碰撞的工況進行事故重建，探究自行車與電動自行車在不同行駛速度條件下騎車人頭部損傷HIC值與兩輪車碰撞時刻速度之間的關(guān)系。根據(jù)文獻[11-12]，自行車的一般行駛速度為5～30 km/h，國內(nèi)48 V電動自行車的一般最高行駛速度可達45 km/h。中國城市機動車輛限速為40～60 km/h，故將Sedan速度設(shè)置為50 km/h。重建結(jié)果見圖7。由圖7可知：騎車人頭部HIC值隨著兩輪車碰撞速度的增加而增加；同一速度下，自行車騎車人頭部HIC值比電動自行車騎車人頭部HIC值更大；自行車碰撞速度在10 km/h時，騎車人頭部HIC>1 000；電動自行車碰撞速度約為12 km/h時，騎車人頭部HIC值也達到1 000。

圖7 騎車人頭部損傷與兩輪車碰撞速度的關(guān)系

3.3 碰撞類型對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

選用最典型的Sedan車型進行不同碰撞類型碰撞過程中騎車人動力學(xué)響應(yīng)研究，其中碰撞類型主要有正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞及迎面正碰(見圖8)。以電動自行車為例，騎車人頭部損傷與碰撞類型的關(guān)系見圖9。

圖8 碰撞類型示意圖

圖9 騎車人頭部損傷與碰撞類型的關(guān)系

由圖9可知：不同碰撞類型下騎車人頭部損傷HIC值與汽車碰撞速度正相關(guān)。對于電動自行車，汽車速度低于40 km/h時，碰撞類型對騎車人頭部損傷的影響較?。黄囁俣却笥?0 km/h時，追尾碰撞對騎車人頭部造成的損傷明顯高于其他類型，且這種差異隨著汽車速度的增加而增大；汽車速度大于60 km/h時，側(cè)面碰撞頭部損傷值逐漸高于正面碰撞及迎面正碰。對于自行車，車速大于20 km/h時，側(cè)面碰撞對騎車人頭部造成的損傷逐步大于其他碰撞類型，且這種差距隨車速的增加而增大，其次分別是追尾碰撞、正面碰撞、迎面正碰。對于汽車-電動自行車及汽車-自行車，迎面正碰均是所有碰撞類型中損傷風(fēng)險最低的碰撞形式。

3.4 討論

通過對不同車型下汽車-電動自行車及汽車-自行車騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響研究，發(fā)現(xiàn)不同車型條件下電動自行車和自行車騎車人頭部碰撞速度與汽車碰撞速度近似正線性相關(guān)，且趨勢均相近，但電動自行車與自行車騎車人頭部HIC值存在差異；電動自行車不同車型碰撞下騎車人頭部HIC值隨汽車碰撞速度變化的趨勢相近，但汽車-自行車騎車人頭部HIC值曲線趨勢速度為Sedan>MPV>SUV。汽車行駛速度為55～70 km/h時，各類車型碰撞騎車人頭部HIC≥1 000，為確保兩輪車騎車人的安全，汽車正常行駛速度建議不超過50 km/h。除SUV車型外，電動自行車騎車人頭部損傷風(fēng)險更低。

根據(jù)兩輪車行駛速度對騎車人動力學(xué)響應(yīng)影響的研究結(jié)果，同一速度碰撞條件下自行車騎車人頭部損傷值更大，且當兩輪車碰撞速度>30 km/h時差異更明顯。自行車碰撞速度為10 km/h、電動自行車碰撞速度約為12 km/h時，騎車人頭部HIC值均達到頭部耐受極限1 000，建議兩輪車騎車人出行佩戴頭盔，且行駛速度控制在15 km/h內(nèi)，速度越低，碰撞發(fā)生后頭部損傷HIC值越低。

不同碰撞類型對兩輪車騎車人頭部損傷HIC值有顯著影響。側(cè)面碰撞及追尾碰撞是風(fēng)險最高的碰撞類型，且側(cè)面碰撞在汽車-自行車事故中變化趨勢最明顯；除迎面正碰外，在汽車-電動自行車及汽車-自行車事故中，其他三類碰撞類型均在汽車碰撞速度為50 km/h左右時騎車人頭部HIC達到1 000的耐受極限，故汽車正常行駛速度建議不要超過50 km/h。除迎面正碰外，自行車騎車人頭部損傷均大于電動自行車騎車人。

4 結(jié)論

通過對兩例CIDAS數(shù)據(jù)庫事故案例的再現(xiàn)分析，運用PC-Crash進行汽車-電動自行車、汽車-自行車事故重建及騎車人動力學(xué)響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：1)汽車車型對自行車騎車人頭部損傷有顯著影響，但對電動自行車騎車人頭部損傷的影響較?。黄?、兩輪車行駛速度及碰撞類型對騎車人頭部損傷均有顯著影響。2)汽車速度大于55 km/h時，碰撞極可能使騎車人頭部損傷HIC值大于1 000的耐受極限。3)自行車碰撞速度為10 km/h、電動自行車碰撞速度約為12 km/h時，騎車人頭部HIC值均達到頭部耐受極限1 000，兩輪車駕駛員出行需佩戴頭盔。4)側(cè)面碰撞及追尾碰撞是風(fēng)險最高的兩類碰撞類型。5)碰撞過程中，自行車騎車人的頭部損傷風(fēng)險高于電動自行車騎車人。

文中僅對汽車車型、速度、碰撞類型等因素展開研究，但實際案例中影響騎車人動力學(xué)響應(yīng)的因素很多。此外，研究中僅考慮了汽車前部與兩輪車發(fā)生碰撞的事故，實際中存在兩輪車追尾汽車、兩輪車與汽車側(cè)面發(fā)生碰撞等，這些碰撞形式都可能產(chǎn)生不同的結(jié)果輸出。因此，有待進一步研究。