25%小偏置碰撞策略及測試評估研究

賈麗剛，農天武，勞 兵，林智桂

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

近幾年來，汽車碰撞事故不斷增加，給人們的安全造成很大的威脅，主機廠逐漸在車輛安全上增加投入，合理的試驗在車輛開發中具有重要的意義。據不完全統計，在汽車碰撞事故中正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞所占比例分別是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高［1］。

在2012年，由美國公路安全保險協會（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）率先提出了25%小重疊碰撞概念，之后引入到IIHS法規中，在各國家不斷地開展試驗研究。早在2005年，文獻［2］就發表了針對于車體和底盤結構對偏置碰撞傳力影響的文章；隨著IIHS的測試數據公布，2014年，研究者文獻［3］也深入研究發現測試車輛的吸能策略問題。從國內外數據上看，研究內容比較單一，只從某些結構分析利弊。同時，國內C-IASI（中國保險汽車安全指數）也進行了車輛的小偏置試驗研究，從C-IASI公布的兩次試驗結果來看，國內汽車小偏置工況整體還處于較差狀態。

由于國內C-IASI公布的測試車輛數量較少，現從IIHS官方網站收集100余輛不同類型的乘用車進行評估研究，其中包括小型、中型、大型、豪華轎車以及不同種類的SUV車型。根據試驗特點將車輛碰撞區域分為四大部分，建立碰撞轉角與碰撞區域的數學模型，基于數學模型分析車輛在不同碰撞策略下的評估情況，運用合理的碰撞策略可以使車輛小偏置碰撞更容易達到法規要求。組合策略綜合性能較好，掠過策略由于自身的二次碰撞問題而次之，吸能策略較差。

2 25%小偏置碰撞特點及理論分析

2.1 25%小偏置碰撞特點

小重疊偏置碰撞（也稱小偏置碰撞）與以往的正面碰撞有所不同，對于IIHS的試驗要求來說，小重疊障礙碰撞測試是（25±1）%的重疊，其碰撞的速度是64.4km/h，此速度也超過了正面全寬碰撞和40%重疊碰撞的速度，所以被稱為歷史上最為嚴格的碰撞法規。汽車碰撞中評估分為Good（G）、Acceptable（A）、Marginal（M）、Poor（P）四個等級［4］。25%小重疊偏置碰撞試驗，這里所謂的25%，是壁障的右邊緣重疊于車輛左邊的中心線25±1%的車輛寬度［4］。駕駛員側的碰撞，如圖1所示。

圖1 IIHS碰撞測試Fig.1 IIHS Crash Test

根據SAEJ 224標準研究的汽車分區結構［5］，標準中將碰撞區域分為4大區域、9個小部分，其中前5個小部分為等效區；第6部分為前風擋區；7、8部分構成前乘員區；第9部分為后乘員區（分界線為前門鎖扣），如圖2所示。

圖2 測試車輛的碰撞區域分類Fig.2 Test Vehicle Energy Crash Area Classification

碰撞過程中，碰撞力不經過傳統的前防撞梁、吸能盒、前縱梁等部件，其吸能完全由Shotgun、A柱等結構傳遞和分散沖擊力，以前設計的車輛很難在試驗中獲得較好的成績。碰撞后期，尤其是車輪卡在壁障與門框之間時，將會對乘員艙造成較大的侵入，側向沖擊較大。

2.2 25%小偏置碰撞狀態分析

在法規試驗條件下，通過對各車型的碰撞進行研究，得到碰撞后的狀態轉角公式［6］，對應的狀態角度r，如圖3所示。

圖3 碰撞后的狀態Fig.3 Collision of the State

變換式（1），得到：

邊界條件是：

式（3）用sin(?1)表示：

則狀態角度r：

式中：d1—碰撞點到整車的質心的距離；OW—整車的寬度；OL—碰撞重疊區域，小偏置為25%重疊寬度；AP—保險杠前端到風擋玻璃上端的距離；G—前保險杠到質心的距離；?1—車輛中心軸線和d1之間的夾角；r—碰撞后的轉角。

從上式中可以看出，碰撞時有兩個關鍵點，分別是碰撞點到整車的質心的距離d1和碰撞后的狀態角度r，主要與前等效區和前擋風過渡區的長度AP成正相關性。25%小偏置碰撞的特點決定了碰撞點不經過汽車的縱向中心線，所以會產生一定的轉矩，也就意味著產生有側向速度，在側向速度的作用下車輛會產生碰撞掉頭的現象，超過一定角度后評估得分較差。從式（5）中看出，AP改變，相應的碰撞后的轉角也改變。碰撞中最重要的是減小各區域的側向速度，合理的把握各區域的能量轉化，并考慮如何將最終的狀態角變小。

此外，汽車在碰撞時的狀態還與其轉動慣量有很大的關系［7］：

式中：I—轉動慣量；k—轉動的回轉半徑；m—整車的碰撞質量。

式中：E0—初始動能；E1、E2、E3—對應前方三塊吸能區域；m—測試車輛的整車質量—碰撞后在三個側向方向的速度殘余量，z方向忽略不計。

由式（6）、式（7）可知，如果車輛較重，更應該考慮如何吸能并保持較小的碰撞轉角。在相同的測試條件下，得分較高的車輛在碰撞后的側向速度較小，并且可以使車輛保持直線行駛狀態，碰撞轉角r較小；對于得分較低的車輛，碰撞后會出現掉頭現象，甚至會出現90°的掉頭，碰撞r較大。因此，通過以上公式就可以解釋IIHS試驗中，部分車輛碰撞后呈直線或很小側向偏移的狀態，部分車輛碰撞后呈掉頭的狀態。依據車輛碰撞轉角狀態，將25%小偏置碰撞歸結為三種不同的碰撞策略，分別是吸能策略、掠過策略和綜合策略（掠過+吸能），如圖4所示。其中，碰撞區域1、2、3分別對應碰撞沖擊力F1、F2、F3，初始碰撞角度為r0。

圖4 不同策略的狀態圖[8]Fig.4 Different Strategies of State Diagram

3 25%小偏置碰撞策略及評估驗證

從IIHS公布的測試結果中收集了100余款不同類型的車型，包括小型、中型、大型、豪華型轎車、MPV、SUV和皮卡車型。其中，車身結構評價為Good的吸能策略有66款；掠過策略的有10款；掠過+吸能策略的有26款。吸能策略占比為64.7%，掠過策略占比為9.8%，組合策略占比為25.5%，可見吸能策略在碰撞中的采用率比較高。以下是幾款典型車輛不同策略下碰撞后的狀態，如圖5所示。

圖5 典型車輛碰撞策略Fig.5 Typical Vehicle Collision Strategy

3.1 25%小偏置碰撞吸能策略

吸能策略：大多數車輛采用的策略，主要通過加強乘員艙和發動機艙達到碰撞安全目的。根據各區域受力的不同，將吸能策略分為幾種不同的類別：

（1）防撞梁不起作用，大部分力由風擋區域分擔，小部分由乘員艙承擔，F1≈0，F2＞0（F2＜＜F3），F3＞0，這是目前主機廠應用最廣泛的一種開發策略，它要求車輛具有比較厚實的乘員艙，可以抵抗較大的碰撞沖擊力；此種情況在原有的基礎上改款比較容易。其典型的車型碰撞參數，如表1所示。

表1 IIHS小偏置碰撞車輛統計（1）Tab.1 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（1）

（2）只有乘員艙區吸能并承受所有的支撐力，前風擋區域也基本不起作用，只作為導向機構。此種情況的受力特點是：F1≈0，F2≈0，F3＞0，其典型的車型碰撞參數，如表2所示。

表2 IIHS小偏置碰撞車輛統計（2）Tab.2 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（2）

（3）將防撞梁橫向延長起到吸能的作用，例如本田思域采用鋁合金雙吸能盒結構，結合shotgun等結構設計并綜合考慮各區域板件的性能，保證所有區域都是吸能區，其代表車型主要是本田思域，本田一直都致力于吸能的策略，將三個區域都做成吸能區［8，9］，其受力情況是：F1＞0，F2＞0，F3＞0，典型車型的碰撞參數，如表3所示。

表3 IIHS小偏置碰撞車輛統計（3）Tab.3 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（3）

3.2 25%小偏置碰撞完全掠過策略

完全掠過策略：這是與吸能策略相對的一種碰撞策略，完全掠過壁障的優勢是碰撞沖擊力較小，乘客生存空間幾乎不變形，IIHS碰撞測試都會得到Good評估，其缺點是在實際的碰撞事故中可能造成二次碰撞的危害。典型碰撞測試車輛是沃爾沃S90（轎車），其受力情況是：F1≈0，F2≈0，F3≈0，具體車型碰撞參數，如表4所示。

表4 IIHS小偏置碰撞車輛統計（4）Tab.4 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（4）

3.3 25%小偏置碰撞掠過+吸能策略

掠過+吸能策略：在IIHS公布的數據中，有些車輛采用了前兩種策略結合的方法，俗稱吸能+掠過策略。像寶馬、沃爾沃（SUV）、雪佛蘭等車輛采用的是掠過和吸能的方案［10］，這種方案將Shotgun設計成導向機構，所以這種策略有很強的針對性，乘員艙承受一定的碰撞力但不足以對乘員艙產生破壞，而且避免了二次碰撞事故。其受力情況是：F1≈0，F2≈0，F3＞0(F3＜＜F0（F0是乘員艙所能承受的最大碰撞力））。具體車型碰撞參數，如表5所示。

表5 IIHS小偏置碰撞車輛統計（5）Tab.5 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（5）

同時，為得到更全面的結果而加入質量分量。從散點圖可知，質量較高的車輛得到差評的幾率會更大，但合理的策略會彌補不足，從側面說明了碰撞策略的重要性，如圖6所示。圖中可知，吸能策略在碰撞得分不穩定，在三種策略中最差。掠過策略等級評價與質量相關性不大，但缺點是在實際碰撞中會產生二次事故。組合策略比較適中，中和兩種極端策略的不足。

圖6 不同策略下狀態角和等級的關系Fig.6 Different Strategy of Angle and Level Relation

（1）吸能策略是大多數車輛采用的策略，這種策略要求車輛的乘員艙具有很強的剛度，保證乘員的生存空間，大部分車輛依靠駕駛艙的剛性抵抗碰撞的沖擊力，此種吸能策略只有少數幾款得到很好的評價，最為典型的是凱美瑞。

（2）完全掠過的碰撞策略得益于具有導向作用的Shotgun和乘員艙的良好配合，可以很好的避開壁障并保持車體的直線行駛，評分都會得到Good的評分，但其缺點是在實際的碰撞事故中會造成二次碰撞事故，沃爾沃車型善于運用此種方式；

（3）掠過+吸能的方式是綜合的碰撞策略，可以避開其他兩種的不足，典型車輛是通用的雪佛蘭、寶馬等。

4 結論

隨著小偏置碰撞技術的不斷發展，將出現更多的小偏置碰撞策略，也會有更多的機構進行測試方法研究，例如RMDB［11］（可移動壁障小偏置碰撞）。

綜上，從碰撞評價得分上看，完全掠過策略在三種策略中具有極高優勢，但本身有造成二次碰撞的缺點；吸能策略是目前車輛慣用的，大部分車輛評價較差，只有某些中高檔車做的較好；組合策略是兩種極限策略的結合體，可以相互彌補不足。因此合理的碰撞策略是設計的前提，并可獲得較高的等級評價，對25%小偏置碰撞試驗具有一定的參考價值。