基于行人保護(hù)法規(guī)和NCAP評(píng)價(jià)的 試驗(yàn)精度分析

張 帆，徐世平，李 帆，鄒 陽(yáng)，漆岸凌

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430050）

為了降低汽車對(duì)行人的碰撞傷害，各國(guó)法規(guī)和新車碰撞測(cè)試（New Car Assessment Program, NCAP）評(píng)價(jià)規(guī)程均將汽車行人保護(hù)性能納入重點(diǎn)考核項(xiàng)目。行人保護(hù)法規(guī)ECE R127、EC78/2009、GTR9及E-NCAP、C-NCAP新車評(píng)價(jià)規(guī)程等相繼發(fā)布并逐步得到完善，按照其規(guī)定的劃線和選點(diǎn)原則將汽車前端劃分為頭型和腿型試驗(yàn)區(qū)域，其中頭型試驗(yàn)主要是沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩和風(fēng)窗區(qū)域，腿型試驗(yàn)主要是沖擊前保險(xiǎn)杠區(qū)域。頭型和腿型試驗(yàn)均是以自由飛行狀態(tài)沖擊目標(biāo)點(diǎn)，頭型或腿型的沖擊速度、角度和位置的精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重大影響，試驗(yàn)失敗往往都是試驗(yàn)精度不滿足要求所致，因此，展開(kāi)對(duì)行人保護(hù)試驗(yàn)精度的精度十分重要。

本文基于行人保護(hù)法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)行人保護(hù)沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，利用電磁式行人保護(hù)沖擊設(shè)備，對(duì)行人 保護(hù)頭型和小腿的試驗(yàn)精度展開(kāi)研究，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對(duì)沖擊速度、角度和位置的影響，并提出了一種保障沖擊速度、角度和位置精度的補(bǔ)償方法。

1 各國(guó)法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程的試驗(yàn)精度要求

1.1 行人保護(hù)頭型試驗(yàn)精度要求

行人保護(hù)頭型包括兒童頭型沖擊器和成人頭型沖擊器2種。兒童頭型沖擊器的重量為（3.5± 0.07） kg，從底板到頭型球體頂端的距離為126 mm，成人頭型沖擊器的重量為（4.5±0.1）kg，從底板到頭型球體頂端的距離為136 mm。頭型沖擊器在沖擊時(shí)為自由飛行狀態(tài)，試驗(yàn)前按照法規(guī)或NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樣車進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)域劃分，按照表1中的要求選擇頭型沖擊器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

表1 不同法規(guī)對(duì)于行人頭型保護(hù)試驗(yàn)精度的要求[1-5]

1.2 行人保護(hù)腿型試驗(yàn)精度要求

行人保護(hù)腿型根據(jù)不同階段包含TRL剛性腿、Flex-PLI柔性腿、aPLI柔性腿3種，試驗(yàn)前按照法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樣車進(jìn)行腿型區(qū)域劃線，然后根據(jù)表2中的相應(yīng)要求選擇腿型沖擊器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

表2 不同法規(guī)對(duì)于行人腿型保護(hù)試驗(yàn)精度的要求

2 行人保護(hù)試驗(yàn)精度補(bǔ)償方法

2.1 頭型試驗(yàn)精度的補(bǔ)償方法

2.1.1 針對(duì)NCAP試驗(yàn)的頭型試驗(yàn)精度補(bǔ)償方法

NCAP試驗(yàn)對(duì)沖擊點(diǎn)的位置要求如圖1所示，在頭型與車輛發(fā)生接觸時(shí)，頭型的中心線需經(jīng)過(guò)目標(biāo)點(diǎn)I.P。由于頭型沖擊試驗(yàn)為自由飛行狀態(tài)，在飛行過(guò)程中受到重力因素的影響會(huì)偏離設(shè)定的飛行軌道，同時(shí)受到前罩板表面角度、頭形沖擊器形狀的影響，頭型的自由飛行距離與實(shí)際測(cè)量距離并不一致。為此，要保證頭型沖擊點(diǎn)的準(zhǔn)確性，必須對(duì)重力因素、前罩板及頭型形狀進(jìn)行必要的補(bǔ)償，提高試驗(yàn)精度。

圖1 NCAP對(duì)沖擊點(diǎn)的位置要求

在頭型沖擊試驗(yàn)中，為保證頭型以一定的速度和角度自由飛行沖擊目標(biāo)點(diǎn)，必須用試驗(yàn)設(shè)備將頭型加速到一定速度后釋放，再讓頭型自由飛行。如圖2所示，假設(shè)頭型加速端距離為10PD，自由飛行距離為42PD，頭型厚度為21PD（兒童頭型為126 mm，成人頭型為136 mm），頭型半徑為=82.5 mm，沖擊器沖擊角度與水平面夾角為。另外，為保證沖擊點(diǎn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前采用長(zhǎng)度尺測(cè)量至的距離為41PD，采用傾角儀測(cè)量平面內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)罩輪廓角度為。

在不考慮重力和球形沖擊器形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)與沖擊目標(biāo)點(diǎn)的距離公式為

由于沖擊器為球形結(jié)構(gòu)，沖擊器與機(jī)罩前罩板接觸時(shí)，第一接觸點(diǎn)并不是，實(shí)際的自由飛行距離為32PD，該點(diǎn)與沖擊器的半徑、汽車前罩板與水平面的夾角存在如圖2所示的關(guān)系。因此需要對(duì)43PD這一段距離繼續(xù)補(bǔ)償。假設(shè)在平面內(nèi)中軸線與球心與接觸點(diǎn)連線的夾角為，在考慮球形沖擊器際機(jī)罩形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)與沖擊目標(biāo)點(diǎn)的距離公式為

圖2 考慮沖擊器及機(jī)罩形狀對(duì)精度影響

由于受到重力加速度的影響，頭型在自由飛行過(guò)程中會(huì)偏離設(shè)定的運(yùn)行軌道，造成第一接觸點(diǎn)會(huì)滯后于目標(biāo)接觸點(diǎn)。為消除重力對(duì)沖擊的影響，讓第一接觸點(diǎn)接近目標(biāo)接觸點(diǎn)，可以在沖擊試驗(yàn)前將頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)在方向上移動(dòng)一定距離Δ，在方向移動(dòng)一定距離Δ，以補(bǔ)償重力作用下的影響，如圖3所示。假設(shè)初始速度為，目標(biāo)速度=11.11 m/s。假設(shè)補(bǔ)償后發(fā)射角度為。則考慮重力因素，頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)沖擊點(diǎn)補(bǔ)償為

假設(shè)Δ=0，則有

圖3 考慮重力對(duì)精度影響

若保持頭型加速距離D不變，即D=D，則考慮發(fā)射加速段的位置補(bǔ)償，頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)沖擊點(diǎn)補(bǔ)償公式為

將補(bǔ)償坐標(biāo)值相加，即可得到行人保護(hù)頭型沖擊試驗(yàn)中頭型沖擊器發(fā)射位置相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)需要移動(dòng)的坐標(biāo)值。因此針對(duì)NCAP試驗(yàn)的頭型試驗(yàn)精度補(bǔ)償方法如下。

（1）沖擊角度補(bǔ)償為。

（2）沖擊速度補(bǔ)償為=·cos/cos。

（3）發(fā)射位置補(bǔ)償為

采用上述補(bǔ)充方法和公式后，得到如表3所示的結(jié)果，C-NCAP頭型法規(guī)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

設(shè)定10PD=650 mm，D=400 mm，得出表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3結(jié)果可知，將補(bǔ)償公式應(yīng)用到設(shè)備程序后，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點(diǎn)與目標(biāo)接觸點(diǎn)的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表3 應(yīng)用補(bǔ)償后的C-NCAP頭型試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 針對(duì)ECE-R127法規(guī)的頭型試驗(yàn)精度補(bǔ)償方法

ECE-R127法規(guī)要求頭型與車輛接觸時(shí)，第一接觸點(diǎn)F.C.P與目標(biāo)點(diǎn)I.P重合，如圖4所示。而如圖1所示，目標(biāo)點(diǎn)I.P和第一接觸點(diǎn)F.C.P是存在偏差的，因此需要針對(duì)圖3中目標(biāo)點(diǎn)與接觸點(diǎn)的距離進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 法規(guī)對(duì)沖擊點(diǎn)的位置精度要求

在考慮球形沖擊器及機(jī)罩的形狀因素影響的情況下，為了減少第一接觸點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的偏差，試驗(yàn)前可以在平面內(nèi)將頭型沖擊器在方向和方向進(jìn)行平移，使第一接觸點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)重合。如圖3所示平移的距離即為點(diǎn)和點(diǎn)的坐標(biāo)差值Δ和Δ。發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)沖擊點(diǎn)補(bǔ)償公式為

因此，考慮球形沖擊器及機(jī)罩的形狀影響時(shí)，頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)沖擊點(diǎn)的距離補(bǔ)償公式為

同理，在平面內(nèi)假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩輪廓角度為，球心和接觸點(diǎn)連線與中軸線的夾角為，如圖5所示。參照平面內(nèi)方向的補(bǔ)償公式，在頭型沖擊器發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)沖擊點(diǎn)在向上的距離公式見(jiàn)式（11）（12）。

圖5 考慮沖擊器及機(jī)罩形狀在Y方向的精度影響

考慮重力及頭型加速距離對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位置、速度、角度的影響機(jī)理相同，因此針對(duì)ECE-R127等法規(guī)試驗(yàn)，頭型試驗(yàn)精度補(bǔ)償方法如下。

（1）沖擊角度補(bǔ)償為。

（2）沖擊速度補(bǔ)償為=·cos/cos。

（3）沖擊位置補(bǔ)償為

將補(bǔ)償方式應(yīng)用到設(shè)備程序，并在試驗(yàn)前采用以上所有補(bǔ)償方式，設(shè)定10PD=650 mm，D= 400 mm，得出表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜上所述，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點(diǎn)與目標(biāo)接觸點(diǎn)的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表4 應(yīng)用補(bǔ)償后的ECE R127頭型試驗(yàn)結(jié)果

2.2 行人保護(hù)小腿試驗(yàn)的沖擊精度

行人保護(hù)腿型試驗(yàn)法規(guī)ECE R127、E- NCAP2020及C-NCAP2018版均采用Flex-PLI柔性腿，C-NCAP2021則采用仿生性能更好的aPLI腿型。腿型試驗(yàn)中，需要將腿型以要求的速度撞擊汽車前保險(xiǎn)杠。設(shè)定小腿自由飛行水平距離為D，由于受重力影響，需要在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將小腿發(fā)射器發(fā)射角度傾斜一定角度，使小腿沖擊器的發(fā)射速度v與水平面有一定角度，速度在軸方向的分量為v=v·sin，在重力影響下，v在碰撞接觸的瞬間降為零，只保留軸方向的分量v=11.11 m/s，使得沖擊器在碰撞時(shí)滿足法規(guī)和NCAP沖擊角度及沖擊速度要求。腿型沖擊點(diǎn)位置要求如圖6所示。

圖6 腿型沖擊點(diǎn)位置要求

計(jì)算得出發(fā)射速度為v=v/cos；補(bǔ)償角度為=arctan（·D/v）。

同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求在沖擊器與汽車前保險(xiǎn)杠接觸時(shí)刻，沖擊器底部距離水平地面一定高度，因此在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中將腿型與目標(biāo)點(diǎn)接觸后，將沖擊器后退D的同時(shí)，還需要將小腿在向下移動(dòng)一定的距離ΔH，以補(bǔ)償重力對(duì)沖擊的影響，補(bǔ)償高度ΔH滿足如下計(jì)算式為

設(shè)定碰撞時(shí)刻腿型沖擊器的底部在地面基準(zhǔn)平面以上距離為，根據(jù)法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程要求，對(duì)于aPLI腿型而言，=25 mm；對(duì)于Flex-PLI腿型，=75 mm。因此腿型沖擊器離地面的發(fā)射高度為

將補(bǔ)償方式應(yīng)用到設(shè)備程序，并在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)用上述補(bǔ)償方式，表5中列出了應(yīng)用補(bǔ)償后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜上所述，腿型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點(diǎn)與目標(biāo)沖擊點(diǎn)的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表5 應(yīng)用補(bǔ)償后的腿型試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

基于行人保護(hù)法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)行人保護(hù)沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對(duì)試驗(yàn)精度的影響，得出一種補(bǔ)償沖擊速度、角度和位置精度的方法，在行人保護(hù)試驗(yàn)中加以應(yīng)用并驗(yàn)證其有效性，可為行人保護(hù)沖擊設(shè)備補(bǔ)償程序的設(shè)定提供一定的參考。