摘要:為了研究駕駛員碰撞保護(hù)效果與座椅前后使用位置關(guān)系,在駕駛員駕駛行為調(diào)研的基礎(chǔ)上,對(duì)駕駛員的非標(biāo)準(zhǔn)位乘員保護(hù)進(jìn)行了碰撞仿真測試研究,并基于國內(nèi)市場研發(fā)目標(biāo)車輛對(duì)女性駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行了碰撞仿真測試研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明,男性駕駛員的實(shí)際駕駛座椅前后位置,與設(shè)計(jì)位置的離散程度較高,且在非標(biāo)準(zhǔn)駕駛位上時(shí),車輛對(duì)男性駕駛員的保護(hù)效果明顯降低;女性駕駛員的實(shí)際駕駛座椅前后位置,與設(shè)計(jì)位置的離散程度也較高,在非標(biāo)準(zhǔn)駕駛位上時(shí),兼顧女性駕駛員保護(hù)開發(fā)的車輛,女性駕駛員傷害值無明顯降低;經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,未兼顧女性駕駛員保護(hù)開發(fā)的國內(nèi)市場研發(fā)目標(biāo)車輛中,有造成05分位女性假人個(gè)別部位傷害值臨界或超限的風(fēng)險(xiǎn),即也有造成總體保護(hù)效果(總得分)降低的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞:非標(biāo)準(zhǔn)位;女性駕駛員;碰撞測試;乘員保護(hù)
中圖分類號(hào):U461 收稿日期:2023-10-15
DOI:10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.025
1 前言
根據(jù)中國公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù),2016-2020年的5年間,女司機(jī)人數(shù)從9 738萬增加到1.48億,增加了5 000多萬,女司機(jī)占比從27.23%%增加到32.43%。2020年男女司機(jī)比例已接近2∶1,每年女司機(jī)以平均1.2%的速度增長,到2025年男女司機(jī)比例將低于2∶1比例。
在汽車被動(dòng)安全研究領(lǐng)域,國外的測試標(biāo)準(zhǔn)如美國FMVSS208[1]、歐盟的Euro NCAP[2]、日本的JNCAP[3]、澳大利亞ANCAP[4]等均存在使用女性作為駕駛員的測試工況。目前國內(nèi)的被動(dòng)安全測試標(biāo)準(zhǔn)如國家標(biāo)準(zhǔn)GB、新車評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)C-NCAP《管理規(guī)則》[5]、中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)管理辦法C-IASI[6]等,均只有駕駛員為男性的碰撞工況。由于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于女性駕駛員沒有碰撞測試的相關(guān)規(guī)定,車輛研發(fā)時(shí)可能并未兼顧對(duì)女性駕駛員的保護(hù)研究[7-8]。且現(xiàn)有的關(guān)于女性駕駛員的研究主要集中于個(gè)別車型基于多剛體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后兼顧女性駕駛員的保護(hù)[9-12],或者對(duì)不同身材的乘員保護(hù)研究[13-16],但對(duì)國內(nèi)市場車輛并沒有普遍的約束力。由于女性與男性身高及體型上的差異,女性駕駛員與男性駕駛員所使用的座椅前后位置會(huì)存在差異。
本文將首先對(duì)男女性的駕駛行為習(xí)慣進(jìn)行調(diào)研,然后針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)位駕駛位置時(shí)車輛對(duì)駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行研究(即男性駕駛員座椅前后使用位置未在座椅前后行程中間位置時(shí)車輛對(duì)假人的保護(hù)效果,女性駕駛員座椅前后使用位置未在05分位女性假人設(shè)計(jì)位置時(shí)車輛對(duì)女性駕駛員的保護(hù)效果)。同時(shí)針對(duì)國內(nèi)市場的汽車產(chǎn)品(研發(fā)過程中駕駛員位置使用的是男性假人,未使用女性假人)基于某些真實(shí)車輛的仿真模型,對(duì)女性駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行研究。
2 駕駛行為調(diào)研
2.1 駕駛員身高統(tǒng)計(jì)
本次調(diào)研共涉及男性駕駛員26名,女性駕駛員17名。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。
圖1中,紅色表示所調(diào)研樣本為女性,藍(lán)色表示所調(diào)研樣本為男性。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,26名男性駕駛員身高范圍從1 650 mm至1 830 mm,平均身高為1 739 mm,女性駕駛員身高范圍從1 500 mm至1 720 mm,平均身高為1 612 mm。
f833e35d27207fd5eec82125064579382.2 駕駛員座椅前后使用位置統(tǒng)計(jì)分析
2.2.1 座椅前后行程統(tǒng)計(jì)
從圖2可以看出,座椅前后總行程分布位于190~280 mm。經(jīng)計(jì)算,72%的座椅前后總行程位于230~269 mm。平均值為239 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為17。
2.2.2 座椅前后行程統(tǒng)計(jì)
計(jì)算駕駛員駕駛位置占座椅前后總行程的比例。將所調(diào)研所有樣例身高按照從高到低進(jìn)行排序,將駕駛員駕駛位置與身高在同一圖中進(jìn)行顯示,如圖3所示。
由圖3可以看出,隨著身高的逐漸升高,駕駛位占總行程的比例值總體呈升高趨勢,即使用位置是逐漸后移的過程。
2.2.3 駕駛員座椅前后使用位置與設(shè)計(jì)位
計(jì)算并對(duì)比男性及女性駕駛位占總行程比例,結(jié)果如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為樣本,縱坐標(biāo)為該樣本駕駛員使用位置占總行程的比例。本圖是將駕駛員座椅前后使用位置比例數(shù)據(jù)按照從小到大的順序排列。紅色表示為女性駕駛員,藍(lán)色表示為男性駕駛員,黑色參考線為標(biāo)準(zhǔn)座椅前后行程50%設(shè)計(jì)位置。
從圖4可以看出,跟座椅前后使用中間位置相比,大部分駕駛員的座椅前后使用位置位于50%的中間設(shè)計(jì)位置之前。男性駕駛員的實(shí)際使用位置占總行程的比例范圍為18%~83%,經(jīng)計(jì)算,平均值為45.5%,標(biāo)準(zhǔn)差為15.6%,說明所統(tǒng)計(jì)男性駕駛員使用位置雖然平均值位于中間位置附近,但整體樣品的離散程度比較大。女性駕駛員占總行程的比例范圍為3%~61%,經(jīng)計(jì)算,平均值為24.3%,標(biāo)準(zhǔn)差為15.9%,說明雖然女性駕駛員的實(shí)際使用位置與設(shè)計(jì)位置相近,但實(shí)際使用位置離散程度也比較大。綜上,男性及女性駕駛員的實(shí)際使用位置與設(shè)計(jì)位置均相近,但實(shí)際使用位置離散程度較大。因此,有必要針對(duì)男女駕駛員實(shí)際使用位置與設(shè)計(jì)位置離散程度較高的情況,對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)位的駕駛員保護(hù)情況進(jìn)行研究。
3 非標(biāo)準(zhǔn)位駕駛員保護(hù)仿真測試
標(biāo)準(zhǔn)位置是指車輛研發(fā)及測試時(shí)駕駛員座椅的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)位置。例如,在國內(nèi)外的碰撞測試中,50分位男性假人駕駛員的測試標(biāo)準(zhǔn)位置為駕駛員座椅縱向方向的中間位置。在國外女性駕駛員的碰撞測試中,其測試標(biāo)準(zhǔn)位置為05分位女性假人的設(shè)計(jì)位置,若05分位女性假人的設(shè)計(jì)位置在座椅前后行程的25%之后,那么將座椅在縱向方向調(diào)整至座椅前后行程的最前進(jìn)行測試。
由2.2.3節(jié)可知,男性駕駛員及女性駕駛員的實(shí)際使用位置與設(shè)計(jì)位置均存在較大區(qū)別,在此將驗(yàn)證當(dāng)假人偏離設(shè)計(jì)駕駛位時(shí),即非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)位時(shí),車輛對(duì)駕駛員的保護(hù)效果的影響。
3.1 男性非標(biāo)準(zhǔn)位駕駛員保護(hù)仿真測試
根據(jù)2.2.3節(jié)中得到的結(jié)論,根據(jù)座椅前后總行程平均值計(jì)算得出,男性駕駛員可能的使用范圍位于中間位置向前50 mm至向后28 mm。選用某一款車型,在50分位設(shè)計(jì)位置(座椅前后行程中間位置)、座椅前后行程中間位置向前50 mm及向后50 mm三個(gè)使用位置進(jìn)行仿真測試。將前后50mm時(shí)的碰撞仿真測試的假人傷害結(jié)果與50分位設(shè)計(jì)位時(shí)的假人傷害值進(jìn)行對(duì)比分析。
統(tǒng)計(jì)座椅位置向前變化50 mm,和向后移動(dòng)50 mm時(shí)假人各部位傷害值。由于數(shù)據(jù)原因,本次選取了對(duì)各部位傷害指標(biāo)影響較大的幾個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的峰值,如表1所示。
將前后移動(dòng)50 mm的傷害值與在設(shè)計(jì)位置的傷害值進(jìn)行對(duì)比,由于以上所選取的各部位傷害值數(shù)據(jù)并不能直接顯示假人的受傷情況,我們進(jìn)行傷害值變化率的計(jì)算,假人各部位傷害值的變化率如表2所示。
正值表示傷害值變大,負(fù)值表示傷害值變小。通過對(duì)比可知,當(dāng)50分位假人向前移動(dòng)50 mm時(shí),頸部彎矩My的傷害值變差,且變化率超過了30%。若在設(shè)計(jì)位置時(shí)頸部My的傷害值處于標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界狀態(tài),當(dāng)駕駛者實(shí)際使用位置比設(shè)計(jì)位置靠前時(shí),駕駛者頸部傷害值有超過標(biāo)準(zhǔn)限值的可能性。當(dāng)50分位假人向后移動(dòng)50 mm時(shí),頭部合成加速度的值變差,變化率為20%。若在設(shè)計(jì)位置時(shí)頭部傷害值處于標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界狀態(tài),當(dāng)駕駛者實(shí)際使用位置比設(shè)計(jì)位置靠后時(shí),駕駛者頭部傷害值有超過標(biāo)準(zhǔn)限值的可能性。
由2.2.3節(jié)的結(jié)論可知,男性駕駛員實(shí)際使用位置與設(shè)計(jì)位置相比離散程度較高,表示實(shí)際使用位置偏離設(shè)計(jì)位置的可能性較高。由此可知,同一款車型,由于使用位置的離散程度較高會(huì)對(duì)50分位男性駕駛員的保護(hù)造成不利影響,那么在進(jìn)行駕駛員保護(hù)開發(fā)時(shí)應(yīng)不僅考慮設(shè)計(jì)位置的乘員保護(hù),還應(yīng)同時(shí)考慮偏離設(shè)計(jì)位置的駕駛位置的乘員保護(hù)。例如同時(shí)考慮其設(shè)計(jì)最前使用位置及設(shè)計(jì)最后使用位置的乘員保護(hù),從而達(dá)到座椅前后全行程的乘員保護(hù)設(shè)計(jì)。
3.2 女性非標(biāo)準(zhǔn)駕駛員保護(hù)仿真測試
由于E-NCAP全寬正碰測試標(biāo)準(zhǔn)中,女性駕駛員的測試位置為05分位女性駕駛員的設(shè)計(jì)位置,該位置需位于座椅前后行程的前25%之內(nèi),否則假人應(yīng)位于座椅前后行程的最前位置進(jìn)行測試。由2.2.3節(jié)調(diào)研可知,由于女性駕駛員的實(shí)際使用位置離散程度較高,根據(jù)座椅前后總行程平均值計(jì)算得出,女性駕駛員可能使用位置位于25%設(shè)計(jì)位置向前42 mm,向后36 mm。現(xiàn)對(duì)05分位女性假人在05分位女性假人設(shè)計(jì)位置及向前50 mm及向后50 mm三個(gè)使用位置進(jìn)行仿真測試,這可基本上覆蓋女性常用的座椅前后使用范圍。在向前移動(dòng)50 mm的過程中,若女性假人無法達(dá)到座椅前后行程的最前位置,則在女性假人能夠達(dá)到的最前位置進(jìn)行測試。
由于國內(nèi)無05分位女性駕駛員的測試工況,選用一款Euro NCAP車型,以Euro NCAP 50FRB作為05分位女性假人仿真模型的基礎(chǔ)。通過調(diào)節(jié)座椅前后位置,對(duì)比假人傷害的差異。
統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)駕駛位置、座椅前后位置向前變化50 mm(或假人最前使用位置)和向后移動(dòng)50 mm時(shí)假人各部位傷害值,如表3所示。
計(jì)算假人各部位傷害值變化率,如表4所示。
對(duì)該三個(gè)位置時(shí)的假人傷害值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)對(duì)于05分位女性假人在其設(shè)計(jì)位置進(jìn)行前后50 mm移動(dòng)時(shí),假人傷害值大部分呈現(xiàn)變小的趨勢。由此可知,同一款車型,由于使用位置的離散程度較高不會(huì)對(duì)05分位女性駕駛員的保護(hù)造成不利影響。兼顧女性駕駛員保護(hù)開發(fā)的車輛在女性駕駛員偏離其設(shè)計(jì)駕駛位置前后50 mm時(shí),保護(hù)效果不會(huì)減弱。
但05分位假人的設(shè)計(jì)位置的傷害值比前后移動(dòng)50 mm之后傷害值要差,該現(xiàn)象是否為該車型為兼顧50分位男性假人傷害值設(shè)計(jì)而使05分位女性假人的乘員保護(hù)效果進(jìn)行了妥協(xié),需要引起企業(yè)在車輛研發(fā)過程的思考。
4 國內(nèi)目標(biāo)車輛對(duì)女性駕駛員保護(hù)效果研究
在車輛開發(fā)過程中,由于國內(nèi)沒有針對(duì)女性駕駛員的碰撞測試標(biāo)準(zhǔn),以國內(nèi)市場為研發(fā)目標(biāo)的車輛在開發(fā)過程中僅會(huì)考慮駕駛員為男性時(shí)的保護(hù)效果。在此對(duì)未兼顧女性駕駛員保護(hù)開發(fā)的車輛對(duì)女性駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行研究,主要通過假人總體評(píng)分對(duì)比和局部假人傷害值超限風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行研究。
本次選擇了5輛車。車輛進(jìn)行50分位男性假人的碰撞仿真測試時(shí),50分位假人的傷害值以C-NCAP管理規(guī)則中100%剛性壁障正面碰撞中50假人的傷害值限值進(jìn)行評(píng)價(jià)。車輛對(duì)05分位女性假人進(jìn)行碰撞仿真測試時(shí),05分位假人的假人傷害值以Euro CNAP中100%剛性壁障正面碰撞中女性駕駛員的傷害值限值進(jìn)行評(píng)價(jià)。
4.1 假人總體得分評(píng)價(jià)
通過仿真測試,5款車型的假人得分如圖5所示。
05分位按照Euro NCAP中05分位女性假人進(jìn)行評(píng)分,50分位按照C-NCAP 《管理規(guī)則》中50分位男性假人進(jìn)行評(píng)分。
50分位男性假人及05分位女性假人作為駕駛員的總分均為16分。由圖5可知,除車輛2假人得分降低0.1外,其余4個(gè)車型05分位女性假人得分比50分位男性假人的得分均有所升高。那么可以得出結(jié)論,國標(biāo)車雖然僅針對(duì)50分位男性假人設(shè)計(jì),但對(duì)05分位女性假人的總體評(píng)分效果變化不大,甚至保護(hù)效果更好。
4.2 假人某部位傷害值超限風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
下面將研究假人各部位傷害值的變化率,從而判斷將駕駛員切換為女性駕駛員時(shí)其傷害值有無超限的可能性。
4.2.1 傷害值變化率統(tǒng)計(jì)
由于50分位男性假人和05分位女性假人的傷害值限值要求不同,本次對(duì)比項(xiàng)為假人傷害值占限值的比例。由于05分位女性假人的傷害值不包括小腿的傷害值,本次對(duì)比不進(jìn)行小腿傷害值的對(duì)比。5輛車假人各部位的傷害值占限值的比例如表5所示。
從表5中可以看出:第1輛車頸部My傷害值占比從43%上升到了74%;第4輛車頭部HIC15傷害值占比從28%上升到66%;第5輛車頸部彎矩傷害值占比從33%上升到了74%。
計(jì)算05分位女性假人各部位傷害值比例與50分位男性假人各部位傷害值比例的差值,結(jié)果見表6所示。
表6中,正值表示05分位女性假人的傷害值相對(duì)于50分位男性假人的傷害值變大,即保護(hù)效果變差,負(fù)值表示05分位女性假人的傷害值相對(duì)于50分位男性假人的傷害值變小,即保護(hù)效果變好。正值數(shù)據(jù)代表車輛對(duì)05假人的保護(hù)超限風(fēng)險(xiǎn)的大小。
從表6可以看出:頭部傷害值HIC15變化量最大的是車輛4,變化率為37.83%;頭部Head3msMax(G)變化量最大的是車輛4,變化率為26.46%;頸部NeckFx+變化率最大的也是車輛4,變化率為22.31%;頸部NeckFz+變化率最大的是車輛5,變化率為20.72%;頸部傷害值NeckMycor-變化率最大的是車輛5,變化率為40.73%。由此可知,各部位變化率較大的部位都出現(xiàn)在車輛4和車輛5中。
4.2.2 影響傷害值變化率的因素分析
將表6中的數(shù)據(jù)按照車輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)如圖6所示。
圖6中,HIC15表示頭部 HIC15傷害值,Head3msMax(G)表示頭部累積 3ms 合成加速度值,NeckFx+表示頸部剪切力Fx,NeckFz+表示頸部張力,NeckMyCor-表示頸部伸張彎矩,ChestDef表示胸部壓縮變形量,ChestVC表示胸部粘性指數(shù),F(xiàn)emLeFz-表示大腿壓縮力(左腿),F(xiàn)emRiFz-表示大腿壓縮力(右腿)。
由圖6正值部分可知,車輛1、車輛4和車輛5傷害值變差的假人部位較多,且變差的程度較大。統(tǒng)計(jì)各車輛假人傷害值變差程度的峰值,并將其按照從大到小的順序進(jìn)行排列,與車輛信息放置于統(tǒng)一表中,如表7所示。
觀察表7,在假人傷害值變差率峰值按照從大到小的順序排列的前提下,國標(biāo)開發(fā)目標(biāo)車輛5數(shù)值最大,另外4輛C-NCAP五星車為開發(fā)目標(biāo)的車輛傷害值變差率均小于開發(fā)目標(biāo)為GB的車輛5,可以認(rèn)為開發(fā)目標(biāo)為國標(biāo)GB的車型對(duì)05分位女性假人的保護(hù)效果差于C-NCAP為開發(fā)目標(biāo)的車型。但其與C-NCAP開發(fā)目標(biāo)車輛4區(qū)別不大,即車輛的開發(fā)目標(biāo)對(duì)女性駕駛員某部位超限的風(fēng)險(xiǎn)程度稍有影響,但影響不大。車輛分類中轎車、SUV或A級(jí)B級(jí)的劃分并未出現(xiàn)明顯的排序規(guī)律,能源類型的燃油車及純電車的排序也無明顯的規(guī)律??梢哉J(rèn)為車輛的分類及車輛的能源類型對(duì)女性駕駛員某部位超限的風(fēng)險(xiǎn)程度無直接影響。
綜上,車輛的開發(fā)目標(biāo)是C-NCAP還是GB會(huì)對(duì)05分位女性假人的傷害值變化率產(chǎn)生影響,影響程度不確定。車輛級(jí)別和車輛能源類型對(duì)05分位女性假人的傷害值變化率無規(guī)律影響。
由于車輛5變差數(shù)值最大,選取國標(biāo)車輛5作為試驗(yàn)驗(yàn)證的對(duì)象。由于車輛5的樣件問題,驗(yàn)證階段選用類似的國標(biāo)開發(fā)車型作為驗(yàn)證車輛。
5 試驗(yàn)驗(yàn)證
選擇一款開發(fā)目標(biāo)為GB的車型,該車型僅考慮了50分位男性假人的研發(fā)測試,未考慮05分位女性假人作為駕駛員的研發(fā)測試。在座椅前后行程的中間位置進(jìn)行50分位男性假人的碰撞測試。在女性駕駛員的設(shè)計(jì)位置進(jìn)行女性駕駛員的正面碰撞的研發(fā)測試。50分位男性假人測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為《C-NCAP 管理規(guī)則》(2021年版)中的正面100%重疊剛性壁障碰撞。05分位女性假人測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為Euro NCAP 中的Full width frontal impact testing protocol(正面100%重疊剛性壁障碰撞)。
5.1 局部超限可能性分析
通過測試,得到假人傷害值占限值的比例數(shù)據(jù)如圖7所示(因女性假人無小腿傷害值,此次分析不考慮假人小腿傷害)。
由圖7可知:05分位女性假人各部位傷害值占限值的比例相對(duì)于50分位男性假人各部位傷害值占限值的比例大部分都是升高的趨勢,且頭部Head3msMax(G)占據(jù)了限值的93.34%,已處于臨界狀態(tài);大腿力壓縮力FemRiFz-占限值的比例更是從17.21%上升至占限值比例的83%,上升了65.79%。分析可知,該GB車型05分位女性假人的大部分部位傷害值占限值的比例相對(duì)于50分位男性假人有較為明顯的上升。由此可知,該車型有造成05女性假人傷害值某部位臨界或超限的風(fēng)險(xiǎn)。
5.2 總體保護(hù)效果變化分析
統(tǒng)計(jì)50分位男性假人及05分位女性假人各部位得分,并計(jì)算各部位得分占各部位總分的比例及總得分占該假人總分的比例。如表8、表9所示。
以曲線圖展示,如圖8、圖9所示。
由圖8、圖9可知,該車型對(duì)05分位女性假人的整體保護(hù)效果明顯低于對(duì)50分位男性假人的保護(hù)效果。
綜上,該國標(biāo)車型對(duì)05分位女性假人的保護(hù)有局部傷害值超限的風(fēng)險(xiǎn),且整體保護(hù)效果下降明顯。
6 結(jié)語
隨著身高的逐漸升高,假人使用座椅前后位置有一個(gè)逐漸后移的過程。
男性及女性駕駛員實(shí)際使用位置離散程度都較高,且使用位置的離散程度較高會(huì)對(duì)50分位男性駕駛員的保護(hù)造成不利影響。對(duì)于兼顧女性駕駛員保護(hù)開發(fā)的車輛,使用位置的離散程度較高不會(huì)對(duì)5分位女性駕駛員的保護(hù)造成不利影響。
車輛的開發(fā)目標(biāo)為GB或C-NCAP時(shí),僅考慮了50分位男性假人乘員保護(hù),有造成05女性假人傷害值某部位臨界或超限的風(fēng)險(xiǎn)。
車輛的開發(fā)目標(biāo)為GB時(shí)對(duì)5分位女性假人的保護(hù)效果比開發(fā)目標(biāo)為C-NCAP時(shí)對(duì)女性假人的保護(hù)效果更差。
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作者簡介:
丁冉冉,女,1988年,工程師,研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全測試技術(shù)。