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中汽研 | 汽車正面角度碰撞試驗(yàn)方法對(duì)比分析研究

2022-02-07 15:00:46·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：劉東春等  
　
文章來源：中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車正面碰撞在實(shí)際交通事故中是很常見的一種事故形態(tài)。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果分析，汽車
文章來源：中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司
汽車正面碰撞在實(shí)際交通事故中是很常見的一種事故形態(tài)。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果分析，汽車正面碰撞角度處于0~15°的占比高達(dá)65.2%。因此，開展汽車正面角度碰撞研究，對(duì)于改善交通事故和提高角度碰撞中乘員的安全性都有積極的推動(dòng)作用。
目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)汽車正面角度碰撞的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)并不多，主要有美國(guó)FMVSS208法規(guī)中的30°斜角碰撞和美國(guó)高速公路安全管理局NHTSA推出的ObliqueOffsetMovingDeformableBarrier（OMDB）試驗(yàn)。
30°斜角碰撞是FMVSS208法規(guī)體系中的一種試驗(yàn)形式，目的是驗(yàn)證安全氣囊在乘員不佩戴安全帶的工況下對(duì)乘員的防護(hù)效果，關(guān)注點(diǎn)是降低安全氣囊對(duì)乘員的額外傷害。NHTSA針對(duì)美國(guó)小重疊率碰撞、斜角碰撞、鉆撞等事故中乘員傷亡大的情況，推出OMDB測(cè)試工況，目的是提高車輛對(duì)乘員在上述事故中的保護(hù)效果，并計(jì)劃將該工況引入U(xiǎn)SNCAP美國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程中。
30°斜角碰撞與OMDB試驗(yàn)在碰撞形態(tài)、碰撞測(cè)試假人、傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)及其各自關(guān)注側(cè)重點(diǎn)都有較大區(qū)別，并且這兩種試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)開展較少，國(guó)內(nèi)相關(guān)從業(yè)人員缺乏足夠了解。
因此，本文詳細(xì)對(duì)比分析兩種角度碰撞試驗(yàn)方法，為國(guó)內(nèi)同行開展相關(guān)測(cè)試提供參考，同時(shí)也為我國(guó)后續(xù)開展角度碰撞標(biāo)準(zhǔn)的研究提供借鑒。
正面角度碰撞標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)比分析
碰撞形態(tài)
汽車正面碰撞形態(tài)主要通過碰撞速度、試驗(yàn)車輛與壁障的碰撞角度，以及車輛和壁障的偏置率來體現(xiàn)。
30°斜角碰撞是美國(guó)FMVSS208法規(guī)中為成年男性乘員設(shè)置的一種碰撞測(cè)試工況，試驗(yàn)車輛以20~25mph（30~40kph）的速度與30°斜角剛性壁障發(fā)生碰撞。試驗(yàn)時(shí)，左側(cè)30°和右側(cè)30°兩種形式，試驗(yàn)車輛均需要進(jìn)行測(cè)試。
OMDB是采用移動(dòng)可變形壁障臺(tái)車以90km/h的速度，與靜止試驗(yàn)車輛發(fā)生15°的角度碰撞，如圖1右側(cè)所示。OMDB為讓A柱遭受更大載荷并侵入駕駛艙，試驗(yàn)車輛與壁障臺(tái)車的偏置率設(shè)為35%。為保證車輛左右側(cè)的碰撞安全均勻性，OMDB同樣設(shè)有左側(cè)15°、右側(cè)15°兩種碰撞形態(tài)?？v觀各國(guó)正面碰撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，OMDB在試驗(yàn)速度、碰撞角度、碰撞偏置率等方面都是非常嚴(yán)苛的。
碰撞壁障
正面碰撞壁障主要有3種形式，剛性固定壁障、偏置可變形壁障和可移動(dòng)壁障。剛性固定壁障在碰撞試驗(yàn)過程中，不參與碰撞吸能，車輛與剛性墻直接碰撞，碰撞加速度波形持續(xù)時(shí)間相對(duì)短暫，波形曲線變化劇烈。偏置可變形壁障是由蜂窩狀的鋁型材組成，安裝在剛性固定壁障表面，在碰撞過程中，蜂窩鋁吸收部分碰撞能量，碰撞加速度波形相對(duì)偏軟?？梢苿?dòng)壁障，是指前端帶有吸能蜂窩鋁的可移動(dòng)臺(tái)車，在碰撞試驗(yàn)過程中，其以一定的速度撞擊靜止或者運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)車輛。
30°斜角碰撞壁障是在剛性固定壁障的基礎(chǔ)上增設(shè)楔形附件，拓展形成所需要的斜角壁障。根據(jù)FMVSS208法規(guī)要求，剛性固定壁障的混凝土基礎(chǔ)尺寸應(yīng)為6英尺高、6英尺厚、12英尺寬，重量約100000磅。同時(shí)要求斜角碰撞的楔形附件在試驗(yàn)過程中形變量應(yīng)小于10mm，楔形附件的高度至少與車輛的最高點(diǎn)平齊。
OMDB采用的是可移動(dòng)壁障臺(tái)車，質(zhì)量為2490kg，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，蜂窩鋁覆蓋在臺(tái)車前端，臺(tái)車在牽引系統(tǒng)的作用下以90km/h的高速撞擊靜止的試驗(yàn)車輛。
碰撞測(cè)試假人
目前，在全球各國(guó)正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍最廣的是HIII系列假人，由美國(guó)Humanetics生產(chǎn)制造。HIII系列假人家族包括成年95百分位男性、50百分位男性和5百分位女性及兒童假人。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在選用假人配置方面，略有不同，但50百分位男性應(yīng)用最普遍。
隨著技術(shù)的發(fā)展，HIII系列的假人在人體仿真度、碰撞肢體運(yùn)動(dòng)及傳感器類型等方面都存在缺點(diǎn)和不足。美國(guó)開發(fā)出新一代正碰假人THOR，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與人體更加相像，生物仿真度顯著提升，傳感器類型和數(shù)量明顯增加，在碰撞試驗(yàn)時(shí)可提供更多數(shù)據(jù)，可更好地改進(jìn)和完善車輛碰撞安全性。
FMVSS208法規(guī)中的30°斜角碰撞，在車輛前排配置兩個(gè)HIII50男性假人，后排不配置假人，在碰撞測(cè)試過程中，假人不佩戴安全帶，用來測(cè)試安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果。
為更好地分析小角度偏置試驗(yàn)對(duì)乘員的傷害情況，在OMDB試驗(yàn)中，車輛前排配置兩個(gè)THOR50男性假人。通過THOR假人的傳感器，可深入分析斜角碰撞對(duì)乘員傷害影響。
傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)
碰撞測(cè)試假人的傷害評(píng)價(jià)，是通過采集假人的頭部、頸部、胸部和下肢四個(gè)身體部位的加速度、力、位移等傷害數(shù)據(jù)，然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入各部位的損傷準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算而得到。
兩種角度碰撞的假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)和限值，如表1所示。30°斜角碰撞的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有高限值，試驗(yàn)值超過高限值，汽車碰撞安全性能視為不合格。OMDB的評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)有低限值和高限值，試驗(yàn)值小于低限值，車輛碰撞安全性為最高星級(jí)；試驗(yàn)值大于高限值，車輛碰撞安全性為最低星級(jí)；試驗(yàn)值處于高低限值之間，利用線性插值的計(jì)算方式對(duì)車輛碰撞安全性進(jìn)行星級(jí)評(píng)價(jià)。
THOR假人傳感器的類型和數(shù)量?jī)?yōu)于HIII50假人，因此OMDB試驗(yàn)假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)多于30°斜角碰撞，但兩種試驗(yàn)對(duì)于乘員頭部、頸部、胸部和下肢都有評(píng)價(jià)。其中，頭部傷害指標(biāo)HIC（HeadInjuryCriteria）是目前各國(guó)碰撞法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)均使用的損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，但是HIC僅涉及乘員頭部加速度，并未考慮頭部旋轉(zhuǎn)加速度對(duì)損傷的影響。而據(jù)相關(guān)研究，旋轉(zhuǎn)加速度會(huì)導(dǎo)致乘員更為嚴(yán)重的彌散性腦損傷。為綜合評(píng)價(jià)乘員頭部損傷，NHTSA在OMDB試驗(yàn)中，新增BrIC指標(biāo)。
公式（1）中，Wx、Wy、Wz為頭部質(zhì)心的角速度，Wxc、Wyc、Wzc為標(biāo)準(zhǔn)角速度，分別設(shè)為66.3rad/s、53.8rad/s、41.5rad/s。
乘員傷害對(duì)比分析
為對(duì)比30°斜角碰撞和OMDB兩種試驗(yàn)的乘員傷害情況，筆者在NHTSA試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中選出20組，每種試驗(yàn)10組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究。由于篇幅所限，本文只是針對(duì)兩種試驗(yàn)中均有要求的乘員傷害指標(biāo)即頭部傷害值、胸部壓縮量和大腿力三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行探討。
由于兩種角度碰撞試驗(yàn)的10組數(shù)據(jù)均有左側(cè)碰撞和右側(cè)碰撞，為便于描述，本文將每種試驗(yàn)所使用的兩個(gè)假人分為撞擊側(cè)乘員和非撞擊側(cè)乘員，不區(qū)分駕駛員和副駕乘員。同時(shí)，所有乘員傷害均值分析圖中，A表示30°斜角碰撞試驗(yàn)，B表示OMDB試驗(yàn)。
1.乘員頭部傷害
20組乘員頭部傷害HIC值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，其中，A1~A10的10組30°斜角碰撞試驗(yàn)乘員傷害HIC值均低于FMVSS208法規(guī)要求的上限值700。其中，有8組撞擊側(cè)乘員HIC值明顯高于非撞擊側(cè)乘員，非撞擊側(cè)乘員的HIC整體比較小，均低于150。這是由于30°斜角碰撞是剛性碰撞，碰撞能量從車輛前端斜面先傳遞至撞擊側(cè)乘員，該側(cè)乘員頭部加速度早于非撞擊側(cè)，沖擊強(qiáng)度也高于非撞擊側(cè)乘員。
對(duì)比B1~B10的10組OMDB試驗(yàn)乘員頭部傷害HIC值，僅有B9組非撞擊側(cè)乘員HIC值大于500，其余HIC值均小于低限值500；而且撞擊側(cè)和非撞擊側(cè)乘員的HIC比較分散，沒有明顯規(guī)律。OMDB試驗(yàn)是車輛與蜂窩鋁相撞，屬于軟性碰撞，撞擊側(cè)乘員頭部加速度升起雖早于非撞擊側(cè)，但是非撞擊側(cè)乘員的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度要大。因此，在不同車輛約束系統(tǒng)的作用下，兩側(cè)乘員頭部傷害HIC就會(huì)有一定波動(dòng)性，并沒有明顯趨勢(shì)。
兩種角度碰撞試驗(yàn)，各自10組乘員頭部傷害HIC平均值都比較?。坏玂MDB試驗(yàn)撞擊側(cè)和非撞擊側(cè)乘員頭部傷害HIC均值大于30°斜角碰撞，30°斜角碰撞試驗(yàn)非撞擊側(cè)乘員頭部傷害HIC均值最小。這是由于兩種試驗(yàn)在安全氣囊的防護(hù)下，乘員頭部傷害并不嚴(yán)重，只是OMDB的試驗(yàn)速度為90km/h，碰撞程度更劇烈，因此其頭部傷害HIC值要整體大于30°斜角碰撞。
乘員頭部傷害BrIC指標(biāo)是OMDB試驗(yàn)新引入的，本文只是針對(duì)OMDB試驗(yàn)進(jìn)行分析BrIC值。如圖5所示，B1~B10的10組OMDB試驗(yàn)的頭部傷害BrIC值整體偏大，其中，B1、B2、B4、B6、B8、B10共6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)超過高限值，按照USNCAP評(píng)分規(guī)則頭部傷害指標(biāo)將直接判為0分。此外，有8組非撞擊側(cè)乘員頭部傷害BrIC值大于撞擊側(cè)乘員，B2組兩側(cè)接近，B8組撞擊側(cè)BrIC值相反。
由于OMDB試驗(yàn)尚未正式引入U(xiǎn)SNCAP，各大車企并未對(duì)OMDB工況有足夠的重視，導(dǎo)致乘員頭部傷害BrIC值整體偏大。
車輛發(fā)生15°斜角碰撞時(shí)，非撞擊側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度會(huì)更劇烈，同樣車內(nèi)非撞擊側(cè)的乘員頭部甩動(dòng)也會(huì)隨著加劇，頭部角速度偏大，造成非撞擊側(cè)乘員頭部傷害BrIC值要高于撞擊側(cè)。
2.乘員胸部傷害
20組試驗(yàn)乘員的胸部壓縮量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。對(duì)于30°斜角碰撞中的A1~A10的10組數(shù)據(jù)，乘員胸部壓縮量都比較小，A8組撞擊側(cè)乘員胸壓值最大為29.3mm，均低于FMVSS208法規(guī)中要求的胸壓限值63mm。對(duì)于OMDB試驗(yàn)的10組數(shù)據(jù)，胸部壓縮量明顯大于A類試驗(yàn)，而且有9組撞擊側(cè)乘員的胸部壓縮量大于非撞擊側(cè)，只有B9組試驗(yàn)結(jié)果相反；同時(shí)有5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)超過高限值52.3mm，在胸部評(píng)分時(shí)將直接按0分處理。
30°斜角碰撞速度為40km/h，屬于中低速碰撞，碰撞能量較低，乘員頭部在安全氣囊的支撐下，胸部并未前移至內(nèi)飾件發(fā)生二次剛性碰撞，因此撞擊側(cè)乘員和非撞擊側(cè)乘員的胸部壓縮量都相對(duì)較小。而OMDB試驗(yàn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前法規(guī)試驗(yàn)速度，同時(shí)約束系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)該工況優(yōu)化匹配力度不夠，導(dǎo)致乘員的胸部壓縮量偏大。撞擊側(cè)乘員受到的碰撞沖擊早于非撞擊側(cè)，而且碰撞強(qiáng)度高于非撞擊側(cè)，因此撞擊側(cè)的乘員胸部壓縮量要更大。
3.乘員大腿傷害
20組試驗(yàn)乘員大腿力傷害值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示，圖中乘員的大腿力傷害值是取該乘員左、右大腿力較高值作為統(tǒng)計(jì)值。
對(duì)于30°斜角碰撞的A1~A10的10組數(shù)據(jù)，有8組非撞擊側(cè)乘員大腿力傷害值大于撞擊側(cè)，數(shù)值相對(duì)比較分散，但均低于法規(guī)限值10000。對(duì)于OMDB試驗(yàn)的10組數(shù)據(jù)，除B1、B8、B10外，其余7組數(shù)據(jù)均小于低限值，大腿傷害部分按照評(píng)分規(guī)則可得滿分；撞擊側(cè)和非撞擊側(cè)乘員的大腿傷害并沒有明顯的規(guī)律。
A類試驗(yàn)的撞擊側(cè)乘員和非撞擊側(cè)乘員大腿力均明顯大于B類試驗(yàn)，其中，A類試驗(yàn)非撞擊側(cè)乘員的大腿傷害值最大。
盡管OMDB試驗(yàn)碰撞速度高于30°斜角碰撞試驗(yàn)，但是30°斜角試驗(yàn)中乘員均未佩戴安全帶，乘員在無約束的工況下，大腿前移與前方內(nèi)飾件發(fā)生二次剛性碰撞，由于非撞擊側(cè)乘員的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度更大，導(dǎo)致大腿與內(nèi)飾件的碰撞強(qiáng)度更劇烈，因此非撞擊側(cè)乘員的大腿力值最大；而OMDB試驗(yàn)中乘員在安全帶的約束下，并未發(fā)生剛性二次碰撞，因此大腿傷害值相對(duì)較小。
中國(guó)汽車正面角度碰撞研究現(xiàn)狀
美國(guó)在FMVSS208法規(guī)中的30°斜角碰撞和OMDB規(guī)程的推動(dòng)下，車輛角度碰撞的乘員保護(hù)將會(huì)日益完善。而我國(guó)交通道路上每年發(fā)生大量角度碰撞事故，但并未開展類似FMVSS208中的30°斜角碰撞和OMDB的角度碰撞試驗(yàn)，值得相關(guān)部門引起重視，角度碰撞標(biāo)準(zhǔn)的建立也亟需解決。
我國(guó)關(guān)于汽車正面碰撞的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB11551-2014《正面碰撞乘員保護(hù)》和GBT20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》。此外，中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP的正面碰撞規(guī)程包含100%正面全寬剛性壁障碰撞、40%偏置碰撞和MPDB試驗(yàn)。
但這些國(guó)標(biāo)和規(guī)程均沒有涉及角度碰撞，有直接規(guī)定角度碰撞的國(guó)標(biāo)是GB11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》，標(biāo)準(zhǔn)要求車輛在滑車上進(jìn)行±18°角度碰撞，碰撞過程中僅是檢查約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)情況，確認(rèn)乘員是否與內(nèi)飾件接觸，但不采用乘員試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
我國(guó)對(duì)于汽車正面角度碰撞研究還只是起步階段，涉及到的角度碰撞機(jī)理、乘員損傷特點(diǎn)并不清晰，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立還需要大量的理論研究和實(shí)踐作為支撐。
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