道路交通安全問題

道路千萬(wàn)條、安全第一條。

全球每年因交通事故造成的傷亡數(shù)字觸目驚心，打個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确?，?dāng)您花了5分鐘看完這篇文章后，大概就有10人因車禍?zhǔn)チ松?，很悲傷但很現(xiàn)實(shí)。有交通的地方必定有事故，問題無(wú)法回避，只有設(shè)法減少事故的發(fā)生和人員傷亡。

政策層面，可以提高道路安全管理、加強(qiáng)交通安全教育和規(guī)范、頒布汽車安全法規(guī)、引導(dǎo)車企提升車輛安全性。如政府發(fā)布法令禁止酒后駕車、強(qiáng)制佩戴安全帶。

技術(shù)層面，可以推廣安全技術(shù)法規(guī)和NCAP；提高主動(dòng)安全、碰撞安全和智能駕駛等技術(shù)手段。如安全氣囊、兒童約束系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣，避撞和輔助駕駛系統(tǒng)的完善和降本。

本文今天要介紹的內(nèi)容和“碰撞安全技術(shù)”相關(guān)，該技術(shù)旨在減少人員在碰撞過程中與結(jié)束后的損傷。其包含車身耐撞設(shè)計(jì)、約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)、行人保護(hù)設(shè)計(jì)、防火和自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)。汽車座椅/頭枕的安全性設(shè)計(jì)，屬于約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。

在解決“如何減少人員在碰撞中的損傷”這一技術(shù)難題之前，人們還需要搞清楚，

1. 人體在沖擊下的響應(yīng)及損失過程是什么樣的？

2. 人體損傷發(fā)生的參考指標(biāo)及其閾值該怎么定義？

然后才能對(duì)癥下藥，設(shè)計(jì)出不超過損傷發(fā)生閾值的車輛、約束裝置和座椅。

碰撞生物力學(xué)

專注于研究上述問題的領(lǐng)域叫碰撞生物力學(xué)，他們重點(diǎn)研究人體部位（如頭部、胸部、頸部、胸部、骨盆、大腿等）在外部沖擊載荷下的響應(yīng)，然后從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度算出損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)和閾值。

舉個(gè)例子，參考簡(jiǎn)明損傷準(zhǔn)則AIS三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（導(dǎo)致死亡概率低于10%），此時(shí)股骨不能發(fā)生骨折，那么就需要獲取人體股骨發(fā)生骨折的的評(píng)價(jià)指標(biāo)和閾值來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

第一步，通過事故調(diào)查、仿真和試驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)分析，可以發(fā)現(xiàn)骨折主要原因是膝關(guān)節(jié)與車身接觸，導(dǎo)致股骨受壓彎曲后骨折。

第二步，建立軸向壓力-骨折的關(guān)系，通過多次的軸向壓縮試驗(yàn)，測(cè)得股骨發(fā)生骨折的臨界壓力。但是股骨來(lái)源不同結(jié)果也不同，簡(jiǎn)單的例子，老年人顯然比中年人更容易骨折。

第三步，基于測(cè)試結(jié)果，擬合軸向壓力與股骨損傷風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)。發(fā)現(xiàn)載荷5kN時(shí)骨折概率是4%，載荷9kN時(shí)骨折的概率為29%，15kN時(shí)骨折概率為100%。

第四步，基于以上函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)制訂者各取所需。有的地區(qū)認(rèn)為低于29%的骨折風(fēng)險(xiǎn)可以接受，于是在法規(guī)中將股骨的軸向壓力上限定義為9kN，如GB11551。有些NCAP要求比較高，只接受骨折風(fēng)險(xiǎn)低于3%，將其定義為3.8kN，如Euro-NCAP。

所以法規(guī)中定義的評(píng)價(jià)閾值，并不是表示受傷的極限，只是意味著“導(dǎo)致某種程度傷害的可能性”。

上述步驟中，如何獲取人體響應(yīng)和損傷載荷的數(shù)據(jù)是個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

美國(guó)韋恩州立大學(xué)的Lawrence Patrick教授是該領(lǐng)域的開山鼻祖，也被譽(yù)為碰撞假人之父。他常把自己和學(xué)生當(dāng)志愿者，來(lái)做一些損傷不大的試驗(yàn)。比如用擺錘撞擊胸口來(lái)模擬方向盤的沖擊?；蜃诩铀倩驕p速運(yùn)動(dòng)的汽車座椅上，來(lái)觀察人在碰撞過程的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。對(duì)于一些載荷很大的碰撞試驗(yàn)，則使用捐贈(zèng)的尸體或者活體動(dòng)物來(lái)做替代品。

這些手段聽似殘忍，但卻為當(dāng)前碰撞安全設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)提供了重要數(shù)據(jù)支撐。如頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC，是美國(guó)韋恩州立大學(xué)的研究人員將多個(gè)尸體的頭部從空中墜落至鋼板，測(cè)量加速度并觀察是否會(huì)出現(xiàn)線性骨折，再擬合成韋恩傷害曲線WSTC，來(lái)表示頭部加速度、持續(xù)時(shí)間和損傷之間的關(guān)系。后經(jīng)演變，成為現(xiàn)在評(píng)價(jià)人員頭部傷害最常用的指標(biāo)。

上述試驗(yàn)對(duì)象各自都有鮮明的缺點(diǎn)，并且在倫理角度也很難被社會(huì)接受。后來(lái)他們基于志愿者/尸體/動(dòng)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出與人體尺寸和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相同的碰撞假人和計(jì)算機(jī)模型，用它們來(lái)替代活體進(jìn)行試驗(yàn)和汽車產(chǎn)品的安全性驗(yàn)證，將人員的損傷響應(yīng)通過假人的物理量來(lái)表現(xiàn)。

舉兩個(gè)例子，

如果要驗(yàn)證頭部乘員是否有腦震蕩或顱骨折的風(fēng)險(xiǎn)，只需在假人頭部安裝加速度傳感器，輸出加速度-時(shí)間曲線，然后求出HIC進(jìn)行評(píng)估。

如果要驗(yàn)證乘員胸部是否會(huì)有肋骨斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，只需在假人胸部安裝位移傳感器，輸出位移（轉(zhuǎn)角）-時(shí)間曲線，然后計(jì)算出胸部壓縮率或黏滯指數(shù)VC進(jìn)行評(píng)估。

那么乘員保護(hù)碰撞試驗(yàn)需要考察哪些部位，哪些損傷基準(zhǔn)？啰嗦了那么多，終于進(jìn)入本文的正題，，，

乘員損傷機(jī)理與基準(zhǔn)

一般來(lái)說，各國(guó)法規(guī)和NCAP需要評(píng)估大腦、頸部、胸部、下肢這四個(gè)部分的傷害情況，其中下肢包含骨盆、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、足關(guān)節(jié)、足部這五個(gè)小部位。

該領(lǐng)域的研究成果頗多，并非所有的都被法規(guī)和NCAP采用，以下介紹的損傷機(jī)理和評(píng)價(jià)基準(zhǔn)指數(shù)只是平時(shí)工作常遇到的部分內(nèi)容。

頭部損傷機(jī)理

頭部損傷基準(zhǔn)

頸部損傷機(jī)理

頸部損傷基準(zhǔn)

胸部損傷機(jī)理

胸部損傷基準(zhǔn)

下肢損傷機(jī)理

下肢損傷基準(zhǔn)

法規(guī)與NCAP碰撞生物力學(xué)測(cè)量限值

*表格數(shù)據(jù)來(lái)源：邱少波 《汽車碰撞安全工程》

以上便是本次分享的全部?jī)?nèi)容，感謝閱讀。

汽車碰撞安全技術(shù)是一門復(fù)雜的學(xué)科，筆者僅是管中窺豹，盲人摸象。想要了解更多內(nèi)容，可以學(xué)習(xí)邱少波的《汽車碰撞安全工程》、水野幸治的《汽車碰撞安全》、岡克己的《汽車安全技術(shù)》，張金換的《汽車碰撞安全設(shè)計(jì)》。