汽車用下擋板支架行人保護沖擊試驗解析

孟云飛，江曉翊

（敏實集團，浙江 嘉興 314006）

全球范圍內每年約135萬人因道路交通事故而死亡，5 000萬人遭受傷殘性傷害，其中約2 000萬人的傷殘伴隨終生[1]。本文針對某款車型下擋板支架的沖擊實驗是以保護行人小腿為目的而進行的實驗，實驗在上海奧托立夫汽車安全系統研發有限公司進行。期望在人與汽車碰撞中，針對車輛前端零件對小腿沖擊碰撞模擬試驗的一些要求，為相關試驗和研究人員提供一定參考，并對相關車輛前端零件的單件試驗模擬提供一些參考。

1 實驗部分

1.1 原料及參數

聚丙烯PP（TRC500P），見表1；Hifax，巴塞爾聚烯烴工程塑料（蘇州）有限公司。

表1 聚丙烯參數

下擋板支架為注塑成型，無表面處理。

1.2 設備與儀器

設備與儀器詳見表2和圖1。

圖1 設備與儀器

表2 設備與儀器

1.3 實驗方法與要求

落錘沖擊試驗：

（1）產品安裝。將下擋板支架用螺栓剛性固定于固定治具，下擋板支架在沖擊塊沖擊的方向上面束縛。

（2）沖擊條件。使用重量8 kg，直徑Ф70 mm的鋁管支架作為沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產品，與產品接觸的初始速度為40 km/h（11.11 m/s），在產品的沖擊點位置安放一塊t=2.5 mm的PP試片。

（3）沖擊位置。產品外邊緣Y0，Y180，Y290，Y-130，Y-235。

（4）行人保護模擬試驗過程。下擋板支架的行人保護模擬試驗在奧托立夫試驗室的跌落塔試驗臺進行模擬展開。此次行人保護的模擬方案是通過建立一個跌落塔，該跌落塔垂直于地面，并且具備了足夠的高度，以便利用沖擊支架的重力去產生足夠的沖擊力。在試驗的過程，通過重力加速度的作用，讓模擬撞擊器，獲得足夠高度的勢能，通過這樣的勢能和動能的轉換達到試驗模擬所需求的高能量的碰撞模擬。運用激光測高儀控制有效的跌落高度，進而轉換成為在保護的試驗中所要求模擬的汽車行駛速度在40 km/h的沖擊和碰撞的速度要求。模擬汽車行駛速度在碰撞行人小腿時為11.11 m/s的接觸碰撞速度，由自由落體的下落公式計算得出在跌落塔內需要6.3 m高。但是，由于沖擊支架與導軌之間的摩擦力問題，根據實際所測得的沖擊速度需要調高至6.8 m進行。

（5）試驗評判標準。最終根據儀器所記錄的數據分析得到沖擊反力-位移曲線需滿足反力位移曲線限定范圍，如圖2所示。沖擊反力等于沖擊塊的質量（8 kg）與沖擊塊的速度相乘；曲線的位移是儀器的加速度傳感器記錄的加速度信號數據通過濾波后二次積分得出。

圖2 反力-位移判定標準

1.4 實驗方法分析簡介

最早在20世紀60年代，澳大利亞就有學者針對交通事故中的行人安全問題進行了研究[2]。1998年，歐洲車輛安全委員會（EEVC WGI7）正式提出了行人保護試驗草案。同年，該安全委員會EEC頒布的EEC74/483指令生效，成為全球最早的行人保護法規。同時，澳大利亞的行車評估評價規程、日本的行車評估和測試，以及歐洲的新車評價都在市場的新車評價規程中添加了車輛對于行人保護的試驗[3]。2008年，針對第九項《行人保護全球技術法規》，在聯合國的世界車輛法規協調論壇WP29上，行業內的專業人員進行了深入商討并進行了發布[4]。該技術法規就是GTR9。2009年，我國制定了符合中國國情和現狀特色的標準GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》[5]。

下擋板支架是作為前保后面的汽車零部件。此次所進行試驗的目的是為小腿保護的相關產品性能進行測試模擬。

（1）產品的安裝固定方式。在產品的沖擊點處放置一塊t=2.5 mm的PP試片，目的是模擬下擋板支架在實車狀態下下擋板支架前部的保險杠。產品在車身X向用6個螺栓鎖定，在車身Z向用5個螺栓鎖定在治具上，如圖3所示。

圖3 產品的實際安裝方式

（2）通過貼附在沖擊塊表面的黃黑相間的感應條紋，行程出發開關記錄一格條紋20 mm所需要的時間，位移/時間換算出初始的速度。針對產品的Y=-235，Y=-130，Y=0，Y=+180，Y=+290等車身坐標位置進行沖擊。

（3）沖擊條件解析。①使用重量8 kg，直徑Ф70 mm的鋁管支架作為沖擊塊。使用鋁管支架作為沖擊塊的原因是如果僅僅使用一個鋁錠或鋁管從相應高度拋落，則在空中容易大幅度旋轉，使沖擊方向多變不可控，因此本實驗引進了導向軌，起到了固定支架的作用，并且有導向作用，便于沖擊點的準確性。②沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產品，與產品接觸的初始速度為40 km/h（11.11 m/s）。沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產品的原因為，6.3 m在重力加速度作用下即可使沖擊塊在接觸產品沖擊點時的速度為40 km/h。

2 結果與討論

通過對中國的交通事故匯總和分析，可以總結出行人在和汽車發生碰撞的時候往往下肢作為著力點會承受更多的損傷。目前，在進行行人下肢的損傷評價時，會考慮到行人膝關節在受到劇烈碰撞時候剪切力引起的關節位置移動值（d）；同時也需要重點考慮到在受力之后的彎曲角度（n），畢竟生物學上的彎曲角度也是有承受極限的；最后就是下肢上面的承重主體脛骨，特別是高速汽車碰撞所引起的脛骨上端的加速度的值產生的重要影響（a）。鑒于上面分析的3大損傷系數指標對于下肢的損傷判定基礎，計算得出的WIC的值越低，說明安在車輛上的有效的前部吸能結構對行人腿部的保護效果會更有效。

上面的3個因素對于小腿保護都是重要的因素，但是對于本產品的客戶要求和實驗設置來說，需要通過產品性能的轉換成為產品的性能指標，關注的輸出項為位移與反力的曲線關系，相關結果如下。

2.1 沖擊相關結果

產品外邊緣Y0位置的相關結果，如圖4所示。產品外邊緣Y-130位置的相關結果，如圖5所示。

圖4 產品外邊緣Y0位置的相關結果

圖5 產品外邊緣Y-130位置的相關結果

產品外邊緣Y-235位置、Y180位置、Y290位置的相關結果，分別如圖6—圖8所示。

圖6 產品外邊緣Y-235位置的相關結果

圖7 產品外邊緣Y180位置的相關結果

圖8 產品外邊緣Y290位置的相關結果

2.2 反力曲線

要求的F-S曲線圖中的上下區域限制線的兩折點坐標分別為，上折點：8 mm，5 500 N；下折點：50 mm，3 000 N。結合表3，可以發現在產品的5個沖擊位置的最終結果中位移介于25～50 mm的范圍內反力偏小。沖擊位置在Y=-130、Y=+180這兩個點的時候，在要求的范圍70 mm的位移內，反力有一部分超過了上限。此部分需要結合前保險杠的效能進行綜合考量反力位移曲線，如圖9所示。

表3 相關反力位移數值

圖9 下擋板支架F-S曲線圖

3 結論

針對某款車型的下擋板支架的沖擊實驗也是客戶端第一次進行相關實驗嘗試，所以很多數據的信息都不全，對于判斷標準及實驗方法的相關原理數據資料較少，行人保護實驗在我國來說比較新。目前，GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》已經作為行業推薦的新的標準在進行推廣和施行。但是針對單個零件，從系統到子系統，從系統到單個零件評判標準是否可以拆解，是否可以有效地設定合理的評判標準和驗證規范，目前來看，很多的標準和原理及實驗設備都還有待改進和更新。

（1）實驗中依據法規和實驗要求的標準數值數據的合理性。通過對國標及國際行人保護方面的規定的研究，中國人的體型及體質，和歐美人應該還是有不少差異存在的。包括人的身材比例，比如小腿的分布比例和尺寸等也有很大差別，還有體重等。同時，骨質狀態，還有和車輛比對的碰撞角度等都會有很多差異存在。這會在發生交通事故的時候產生非常不一樣的失效模式，比如行人和車輛前端模塊零件的接觸點和接觸角度、接觸的部位不同，碰撞結果就會不一樣。所以，當前很多實驗參數的設定、數值的設定和角度的設定是否合理，是否可以模擬中國交通環境下的結果，個人覺得還是有探討和改進的空間。

（2）實驗對于小腿的模擬不夠真實。本研究當前通過跌落塔試驗臺這樣的系統，通過自由落體的換算，來模擬車輛行駛40 km/h這樣的勢能轉換成行車動能的碰撞速度，利用控制模擬沖擊支架在跌落塔中垂直高度的值來進行碰撞速度的轉換模擬。相對來說，與水平的車輛沖擊相比較，靠重力模擬就決定了產品的固定沖擊件（下擋板支架）在受力時候的角度是垂直角度的，但是實際的情況是會有一定的傾斜角度，如何設定一個合理的角度需要進一步研究，這樣才能比較好地反映行人在行走時腿部的弧度。另外，試驗中的鋁制支架雖然用的是70 mm模擬人體的骨骼，但其實是一體的金屬結構，這個部分的模擬并不能完全反應人體的骨骼關節結構。

（3）相比較整車的碰撞試驗，產品因車身的環境、安裝角度，以及其他環境條件的吸能影響，在當前環境下去模擬會比較難，比如前保和前保吸能塊的吸能作用，產品安裝在車輛支架上的吸能的傳導，會比較難以模擬。當然，針對單件的拆分評判，如果在合理的設定范圍比較車輛整體碰撞成本支出和再現性方面，會有很大的差異，從驗證的樣本數和產品的開發節點來說，相對的優勢也會比較明顯。

（4）對于法規來說，目前的一些法規都是針對前保的，對于前保的后部結構的下擋板支架等零部件的相關要求與評判標準并不完善，期待以后會有更為貼切合理的評判標準與法規的出臺。并且在試驗的時候，應當模擬車輛的行駛狀態，并對前保整體吸能系統和行人保護進行綜合試驗。