不同類型偏置碰撞的駕駛員腿部傷害對比研究

匡芳 陳林 劉宏達(dá) 張慧云 陳琳

摘要：為了探討不同類型偏置碰撞下駕駛員腿部傷害的差異性，本文在對C-NCAP40%偏置碰撞及IIHS 25%小偏置碰撞兩種不同類型偏置碰撞試驗的試驗工況、假人腿部評價指標(biāo)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對某乘用車車型在上述兩種試驗下駕駛員的腿部傷害指標(biāo)進(jìn)行了對比研究，并從碰撞力的傳遞路徑對其結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：由于碰撞中車身與壁障重疊率的不同導(dǎo)致不同的碰撞力傳遞路徑，最終導(dǎo)致車身變形的差異。其中，25%小偏置碰撞對車身的破壞程度極大，試驗后駕駛員側(cè)的A柱嚴(yán)重變形，車身結(jié)構(gòu)大量侵入到車內(nèi)生存空間，故其假人腿部傷害值大于另外兩種正面碰撞，尤其是駕駛員左腿傷害值。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，最大程度保證駕駛艙腿部生存空間，才能有效提高小偏置碰撞中乘員的安全性能。

關(guān)鍵詞：腿部傷害;小偏置碰撞;C-NCAP;IIHS

中圖分類號：U471.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）02-0065-05

匡芳

畢業(yè)于重慶大學(xué)碩士研究生，工作于國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心[襄陽】，研究方向為汽車被動安全。

引言

隨著汽車碰撞安全性能日益受到關(guān)注，汽車的碰撞安全性也成為了消費(fèi)者評估汽車性能好壞的一項重要指標(biāo)。各國政府相繼制定了汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)及評價規(guī)程，包括100%正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、40%正面偏置碰撞、側(cè)面柱撞以及行人保護(hù)等。

正面碰撞作為交通事故中一項多發(fā)類型，日漸受到人們的關(guān)注。各國法規(guī)先后將正面碰撞納入到評價體系，但是法規(guī)只包括100%正面碰撞和40%偏置碰撞，而現(xiàn)實生活中經(jīng)常發(fā)生的一類特殊的正而碰撞一小偏置正而碰撞卻未被任何安全性法規(guī)及評價規(guī)程納入其中。小偏置碰撞是指車輛與壁障間的重疊率小于30%的正面碰撞。據(jù)美國公路安全保險協(xié)會（IIHS）統(tǒng)計，小偏置碰撞在正面碰撞死亡事故中約占1/4。

2012年，IIHS提出了車輛與壁障重疊率為25%的小偏置碰撞試驗，同年8月正式頒布了25%小偏置碰撞的試驗規(guī)范和評估標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其公布的試驗結(jié)果，只有少數(shù)車輛能夠在25%小偏置碰撞試驗中獲得“優(yōu)”，大部分車輛只能獲得“及格”或“差”。

小偏置正面碰撞作為一種損傷性能更大的碰撞類型，對汽車的碰撞安全性能提出了更高的要求。為提高車輛在小偏置正面碰撞中的安全性，最大限度減小乘員傷亡，開展小偏置正面碰撞的安全性相關(guān)研究工作必不可少。

本文在對C-NCAP 40%正面偏置碰撞及IIHS25%小偏置正面碰撞兩種不同類型碰撞碰撞試驗的試驗工況、假人腿部評價指標(biāo)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對某乘用車車型在上述兩種試驗下駕駛員的腿部傷害指標(biāo)進(jìn)行了對比研究，并從碰撞力的傳遞路徑對其結(jié)果進(jìn)行了分析。

1試驗工況

圖1是兩種不同偏置碰撞的試驗示意圖。IIHS25%小偏置正面碰撞中，試驗車以64.4-1⁺¹km/h的速度撞擊剛體壁障，車輛前端與壁障的重疊率為車寬的25%。其中，剛體壁障與車輛接觸處有一個半徑為150 mm的倒角，同時，該壁障被固定在剛體墻上。C-NCAP中的40%正面偏置碰撞中，試驗車以64-1⁺¹km/h的速度撞擊可變形壁障，車輛前部與壁障重疊部分為車輛寬度的40%。

試驗中，小偏置碰撞中使用了一個HybridⅢ50百分位的男性假人在駕駛員位置;40%正面偏置碰撞中使用了兩個HybridⅢ50百分位的男性假人在前排駕駛員位置和乘員位置。

2假人腿部評價指標(biāo)

根據(jù)IIHS制定的小偏置正面碰撞的評估標(biāo)準(zhǔn)，大腿評價指標(biāo)有膝一大腿一髖關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險KTH、脛骨一大腿位移（膝部位移）;小腿的評價指標(biāo)有小腿軸向力、脛骨指數(shù)及腳部加速度，其中，KTH是由大腿壓縮力積分計算而來。根據(jù)C—NCAP制定的40%正面偏置碰撞中對假人的評估標(biāo)準(zhǔn)，大腿評價指標(biāo)有大腿壓縮力、膝部位移;小腿的評價指標(biāo)有小腿軸向壓縮力及脛骨指數(shù)。與C-NCAP中40%正面偏置碰撞相比，IIHS小偏置正面碰撞對腿部的評價指標(biāo)多了一項腳部加速度。

式中：MX為x向彎矩;My為Y向彎矩;Myadj為修正后的Y向彎矩;（MC）R為臨界彎矩，取值225Nm;FZ為軸向壓縮力;（FC）z為臨界壓縮力，取值35.9kN。

其中，標(biāo)準(zhǔn)在考察中膝部位移、小腿軸向力、小腿脛骨指標(biāo)均取峰值，大腿力則連續(xù)計算軸向壓縮力，考察累計曲線。

3試驗結(jié)果

3.1假人大腿及膝部試驗結(jié)果

圖2是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員大腿壓縮力的對比曲線?？梢悦黠@看出，相較于40%]E面偏置碰撞，25%小偏置碰撞的左大腿壓縮力與之相比較差異則非常明顯，其峰值達(dá)到6.63kN。不同于左大腿壓縮力，兩種兩種不同類型偏置碰撞的右大腿壓縮力間的差異很小，大小基本一致。

圖3是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員膝部位移的對比曲線。同大腿壓縮力相似，相較于40%正面偏置碰撞，25%小偏置碰撞的左腿膝部位移非常大，峰值達(dá)到16.2mm，而二者的右腿膝部位移量都比較小，均在2mm內(nèi)。

綜上，可以看出對于上述兩種不同類型偏置碰撞，其腿部傷害值的差異主要體現(xiàn)在左腿上，右腿各傷害值的差異并不明顯。

3.2假人小腿試驗結(jié)果

由于二者差異主要體現(xiàn)在左腿上，故本文只列舉了駕駛員的左腿傷害值對比曲線。

圖4、5、6分別是兩種不同類型偏置碰撞下駕駛員小腿軸向力Fz、小腿彎矩Mx、小腿彎矩My的對比曲線。從圖中可以明顯看出，無論是左上小腿還是左下小腿，25%小偏置碰撞中駕駛員的小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My的數(shù)值明顯比40%偏置碰撞中的數(shù)值要大，最大軸向力Fz是40%偏置碰撞的三倍。

從公式（2）中可以知道，小腿脛骨指標(biāo)的大小與小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My三者均有關(guān)系。在其他條件相同的情況下，三者中任意一個越大，小腿脛骨指標(biāo)就會越大。對于上述三種正面碰撞，25%小偏置碰撞的小腿軸向力Fz，小腿彎矩Mx、My均比40%偏置碰撞中相應(yīng)數(shù)值要大的多。所以，最終25%小偏置碰撞的駕駛員左小腿的脛骨指標(biāo)比40%偏置碰撞大很多。

表1是兩種不同類型偏置碰撞的駕駛員小腿脛骨指標(biāo)的對比。從表1中可以看出，25%小偏置碰撞的駕駛員左小腿脛骨指標(biāo)明顯比40%偏置碰撞的大，進(jìn)一步驗證了上述分析的正確性。并且，同小腿軸向力類似，對于25%小偏置碰撞而言，駕駛員左小腿的脛骨指標(biāo)明顯比右小腿脛骨指標(biāo)大。

4試驗結(jié)果分析

圖7是兩種正面碰撞后的車輛狀態(tài)圖。之所以會出現(xiàn)上述試驗中25%小偏置碰撞的左腿各評價指標(biāo)遠(yuǎn)大于40%正面偏置碰撞，與碰撞中碰撞力的傳遞路徑有很大關(guān)系。100%～面碰撞主要考察車輛的約束系統(tǒng)，而偏置碰撞則主要考察的是車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。100%正面碰撞中碰撞力主要通過前縱梁、副車架以及雙側(cè)上邊梁三條路徑傳遞;40%偏置碰撞中碰撞力則主要通過前縱梁、副車架以及單側(cè)上邊梁等路徑傳遞;25%小偏置碰撞中剛性壁障與車輛的碰撞避開了前縱梁，因此，碰撞力在車體前端結(jié)構(gòu)的主要傳遞路徑僅剩上邊梁一條。作為正面碰撞中的主要吸能結(jié)構(gòu)，前縱梁在整車碰撞過程中吸收的能量隨著車身與壁障重疊率的下降而降低。40%正面偏置碰撞中僅駕駛員一側(cè)前縱梁參與到變形吸能過程;而在25%小偏置碰撞中，碰撞位置偏向于駕駛員側(cè)車角，完全從縱梁繞過，前縱梁僅在z軸方向產(chǎn)生少量彎曲變形，沒能承受正面的碰撞力而產(chǎn)生縱向壓潰變形，整個碰撞過程中基本沒有起到吸能作用，所有的正面碰撞力將由縱梁之外的結(jié)構(gòu)承受。沒有縱梁這個主要受力構(gòu)件，車身在碰撞中產(chǎn)生巨大的侵入量，破壞程度要遠(yuǎn)高于40%正面偏置碰撞，這些侵入量使原本狹小的假人下肢空間被進(jìn)一步壓縮。試驗中，車門框以及駕駛員側(cè)A柱都發(fā)生了嚴(yán)重的變形，車門框及A柱較大的后移量引起儀表板橫梁的后移，加大了駕駛員左腿的傷害。

鑒于上述分析，小偏置正面碰撞對于車身結(jié)構(gòu)及駕駛艙腿部空間的維持提出了更高的要求。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，保證駕駛艙腿部生存空間，才能在碰撞中有效保護(hù)乘員。

5結(jié)論

對于本文中兩種不同類型的偏置碰撞，由于車身與壁障重疊率的不同導(dǎo)致碰撞中產(chǎn)生不同的碰撞力傳遞路徑，最終導(dǎo)致車身變形的差異。其中，25%小偏置碰撞對車身的破壞程度極大，試驗后駕駛員側(cè)的A柱嚴(yán)重變形，車身結(jié)構(gòu)大量侵入到車內(nèi)生存空間，故其假人腿部傷害值遠(yuǎn)大于40%正面偏置碰撞，尤其是駕駛員左腿傷害值。優(yōu)化車身前端結(jié)構(gòu)，增加A柱強(qiáng)度，最大程度保證駕駛艙腿部生存空間，才能有效提高小偏置碰撞中乘員的安全性能。