基于行人保護法規和NCAP評價的 試驗精度分析

張 帆，徐世平，李 帆，鄒 陽，漆岸凌

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430050）

為了降低汽車對行人的碰撞傷害，各國法規和新車碰撞測試（New Car Assessment Program, NCAP）評價規程均將汽車行人保護性能納入重點考核項目。行人保護法規ECE R127、EC78/2009、GTR9及E-NCAP、C-NCAP新車評價規程等相繼發布并逐步得到完善，按照其規定的劃線和選點原則將汽車前端劃分為頭型和腿型試驗區域，其中頭型試驗主要是沖擊發動機罩和風窗區域，腿型試驗主要是沖擊前保險杠區域。頭型和腿型試驗均是以自由飛行狀態沖擊目標點，頭型或腿型的沖擊速度、角度和位置的精度對試驗結果有重大影響，試驗失敗往往都是試驗精度不滿足要求所致，因此，展開對行人保護試驗精度的精度十分重要。

本文基于行人保護法規及NCAP評價規程對行人保護沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，利用電磁式行人保護沖擊設備，對行人 保護頭型和小腿的試驗精度展開研究，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對沖擊速度、角度和位置的影響，并提出了一種保障沖擊速度、角度和位置精度的補償方法。

1 各國法規及NCAP評價規程的試驗精度要求

1.1 行人保護頭型試驗精度要求

行人保護頭型包括兒童頭型沖擊器和成人頭型沖擊器2種。兒童頭型沖擊器的重量為（3.5± 0.07） kg，從底板到頭型球體頂端的距離為126 mm，成人頭型沖擊器的重量為（4.5±0.1）kg，從底板到頭型球體頂端的距離為136 mm。頭型沖擊器在沖擊時為自由飛行狀態，試驗前按照法規或NCAP評價規程規定對試驗樣車進行相應的區域劃分，按照表1中的要求選擇頭型沖擊器進行沖擊試驗。

表1 不同法規對于行人頭型保護試驗精度的要求[1-5]

1.2 行人保護腿型試驗精度要求

行人保護腿型根據不同階段包含TRL剛性腿、Flex-PLI柔性腿、aPLI柔性腿3種，試驗前按照法規及NCAP評價規程規定對試驗樣車進行腿型區域劃線，然后根據表2中的相應要求選擇腿型沖擊器進行沖擊試驗。

表2 不同法規對于行人腿型保護試驗精度的要求

2 行人保護試驗精度補償方法

2.1 頭型試驗精度的補償方法

2.1.1 針對NCAP試驗的頭型試驗精度補償方法

NCAP試驗對沖擊點的位置要求如圖1所示，在頭型與車輛發生接觸時，頭型的中心線需經過目標點I.P。由于頭型沖擊試驗為自由飛行狀態，在飛行過程中受到重力因素的影響會偏離設定的飛行軌道，同時受到前罩板表面角度、頭形沖擊器形狀的影響，頭型的自由飛行距離與實際測量距離并不一致。為此，要保證頭型沖擊點的準確性，必須對重力因素、前罩板及頭型形狀進行必要的補償，提高試驗精度。

圖1 NCAP對沖擊點的位置要求

在頭型沖擊試驗中，為保證頭型以一定的速度和角度自由飛行沖擊目標點，必須用試驗設備將頭型加速到一定速度后釋放，再讓頭型自由飛行。如圖2所示，假設頭型加速端距離為10PD，自由飛行距離為42PD，頭型厚度為21PD（兒童頭型為126 mm，成人頭型為136 mm），頭型半徑為=82.5 mm，沖擊器沖擊角度與水平面夾角為。另外，為保證沖擊點的準確性，試驗前采用長度尺測量至的距離為41PD，采用傾角儀測量平面內發動機罩輪廓角度為。

在不考慮重力和球形沖擊器形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發射點與沖擊目標點的距離公式為

由于沖擊器為球形結構，沖擊器與機罩前罩板接觸時，第一接觸點并不是，實際的自由飛行距離為32PD，該點與沖擊器的半徑、汽車前罩板與水平面的夾角存在如圖2所示的關系。因此需要對43PD這一段距離繼續補償。假設在平面內中軸線與球心與接觸點連線的夾角為，在考慮球形沖擊器際機罩形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發射點與沖擊目標點的距離公式為

圖2 考慮沖擊器及機罩形狀對精度影響

由于受到重力加速度的影響，頭型在自由飛行過程中會偏離設定的運行軌道，造成第一接觸點會滯后于目標接觸點。為消除重力對沖擊的影響，讓第一接觸點接近目標接觸點，可以在沖擊試驗前將頭型沖擊器發射點在方向上移動一定距離Δ，在方向移動一定距離Δ，以補償重力作用下的影響，如圖3所示。假設初始速度為，目標速度=11.11 m/s。假設補償后發射角度為。則考慮重力因素，頭型沖擊器發射點相對于目標沖擊點補償為

假設Δ=0，則有

圖3 考慮重力對精度影響

若保持頭型加速距離D不變，即D=D，則考慮發射加速段的位置補償，頭型沖擊器發射點相對于目標沖擊點補償公式為

將補償坐標值相加，即可得到行人保護頭型沖擊試驗中頭型沖擊器發射位置相對于目標點需要移動的坐標值。因此針對NCAP試驗的頭型試驗精度補償方法如下。

（1）沖擊角度補償為。

（2）沖擊速度補償為=·cos/cos。

（3）發射位置補償為

采用上述補充方法和公式后，得到如表3所示的結果，C-NCAP頭型法規試驗結果如圖4所示。

設定10PD=650 mm，D=400 mm，得出表3實驗結果。從表3結果可知，將補償公式應用到設備程序后，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標接觸點的偏差將控制在±5 mm以內，沖擊速度均在±0.02 m/s以內，沖擊角度均在±1°以內。

表3 應用補償后的C-NCAP頭型試驗結果

2.1.2 針對ECE-R127法規的頭型試驗精度補償方法

ECE-R127法規要求頭型與車輛接觸時，第一接觸點F.C.P與目標點I.P重合，如圖4所示。而如圖1所示，目標點I.P和第一接觸點F.C.P是存在偏差的，因此需要針對圖3中目標點與接觸點的距離進行補償。

圖4 法規對沖擊點的位置精度要求

在考慮球形沖擊器及機罩的形狀因素影響的情況下，為了減少第一接觸點和目標點的偏差，試驗前可以在平面內將頭型沖擊器在方向和方向進行平移，使第一接觸點和目標點重合。如圖3所示平移的距離即為點和點的坐標差值Δ和Δ。發射點相對于目標沖擊點補償公式為

因此，考慮球形沖擊器及機罩的形狀影響時，頭型沖擊器發射點相對于目標沖擊點的距離補償公式為

同理，在平面內假設發動機罩輪廓角度為，球心和接觸點連線與中軸線的夾角為，如圖5所示。參照平面內方向的補償公式，在頭型沖擊器發射點相對于目標沖擊點在向上的距離公式見式（11）（12）。

圖5 考慮沖擊器及機罩形狀在Y方向的精度影響

考慮重力及頭型加速距離對目標點位置、速度、角度的影響機理相同，因此針對ECE-R127等法規試驗，頭型試驗精度補償方法如下。

（1）沖擊角度補償為。

（2）沖擊速度補償為=·cos/cos。

（3）沖擊位置補償為

將補償方式應用到設備程序，并在試驗前采用以上所有補償方式，設定10PD=650 mm，D= 400 mm，得出表4實驗結果。綜上所述，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標接觸點的偏差將控制在±5 mm以內，沖擊速度均在±0.02 m/s以內，沖擊角度均在±1°以內。

表4 應用補償后的ECE R127頭型試驗結果

2.2 行人保護小腿試驗的沖擊精度

行人保護腿型試驗法規ECE R127、E- NCAP2020及C-NCAP2018版均采用Flex-PLI柔性腿，C-NCAP2021則采用仿生性能更好的aPLI腿型。腿型試驗中，需要將腿型以要求的速度撞擊汽車前保險杠。設定小腿自由飛行水平距離為D，由于受重力影響，需要在實驗準備時將小腿發射器發射角度傾斜一定角度，使小腿沖擊器的發射速度v與水平面有一定角度，速度在軸方向的分量為v=v·sin，在重力影響下，v在碰撞接觸的瞬間降為零，只保留軸方向的分量v=11.11 m/s，使得沖擊器在碰撞時滿足法規和NCAP沖擊角度及沖擊速度要求。腿型沖擊點位置要求如圖6所示。

圖6 腿型沖擊點位置要求

計算得出發射速度為v=v/cos；補償角度為=arctan（·D/v）。

同時，標準要求在沖擊器與汽車前保險杠接觸時刻，沖擊器底部距離水平地面一定高度，因此在實驗準備中將腿型與目標點接觸后，將沖擊器后退D的同時，還需要將小腿在向下移動一定的距離ΔH，以補償重力對沖擊的影響，補償高度ΔH滿足如下計算式為

設定碰撞時刻腿型沖擊器的底部在地面基準平面以上距離為，根據法規及NCAP評價規程要求，對于aPLI腿型而言，=25 mm；對于Flex-PLI腿型，=75 mm。因此腿型沖擊器離地面的發射高度為

將補償方式應用到設備程序，并在實驗前應用上述補償方式，表5中列出了應用補償后的實驗結果。綜上所述，腿型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標沖擊點的偏差將控制在±5 mm以內，沖擊速度均在±0.02 m/s以內，沖擊角度均在±1°以內。

表5 應用補償后的腿型試驗結果

3 結論

基于行人保護法規及NCAP評價規程對行人保護沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對試驗精度的影響，得出一種補償沖擊速度、角度和位置精度的方法，在行人保護試驗中加以應用并驗證其有效性，可為行人保護沖擊設備補償程序的設定提供一定的參考。