汽車前保險杠水平沖擊試驗的研究

孫海洋，王建碩，裴元津

中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

近年來，我國乘用車保有量呈現快速上漲趨勢，汽車安全性逐漸被大眾所重視。根據2018年公安部道路交通事故統計年報，行人在全年所有事故中的死亡人數占比高達27%[1]。在車輛與行人發生碰撞事故中，行人作為弱勢道路使用者(vulnerable road user，VRU)更易受到嚴重的傷害[2]。汽車的前保險杠系統作為重要的吸能和承受沖擊的零部件，能夠憑借其特定的強度和吸能空間有效降低對行人的傷害。

本文針對兩款車型前保險杠進行沖擊模塊試驗，通過對比水平沖擊過程中出現的最大位移和加速度，得出兩款車型前保險杠剛度大小。然后引入Flex腿型對行人保護試驗進行評分，以此來驗證兩款車型前保險杠系統對VRU的安全性，并提出改進建議，為相關試驗和研究人員提供一些參考。

1 試驗部分

1.1 試驗車輛的調整擺放

保證車輛按照C-NCAP管理規則(2018版)[3]行人保護部分中的要求進行試驗準備，使車輛的燃油、發動機油、制動液、洗滌液、防凍液等處于最高液位。車輛的備用輪胎和隨車工具放在相應位置，并清除任何與車輛無關的物品。將車輛輪胎胎壓調整至規定半載時的胎壓值，同時將前排座椅調整至中間位置且分別放置75 kg配重。如果車輛懸架可調，應調整懸架至40 km/h的正常行駛的姿態。

1.2 試驗車輛的點號標記

按照C-NCAP管理規則(2018版)行人保護部分腿型試驗點選取規則選取試驗點號，在保險杠上部基準線上，從車輛縱向中心水平面與保險杠上部基準線的交點開始，分別向車輛兩側，每隔100 mm進行標記，此100 mm距離應在車輛橫向垂直平面內，沿水平方向測量，直到腿型試驗區域邊緣位置。腿型試驗區域網格點定義車輛縱向中心平面和保險杠上部基準線交點的網格為L0點：由車輛方向，位于車輛縱向中心面右側的點依次編號為L+1，L+2，L+3，…，位于車輛縱向中心平面左側的點依次編號為L-1，L-2，L-3，…。

1.3 水平沖擊試驗點位置選取

水平沖擊試驗點的位置是根據在每個腿型試驗區域網格點上選取的沖擊位置，在車輛前保險杠蒙皮上選取兩個水平沖擊試驗點，水平沖擊試驗點的位置分別選取在車輛前保險的中部支撐位置和下部支撐位置投影到車輛前保險杠蒙皮上的點。水平沖擊試驗點命名M0、D0，中部支撐位置的試驗點命名為M0，下部支撐位置的試驗點命名為D0。M0的具體位置選取在防撞梁上邊緣投影到前保險杠蒙皮上的位置與沖擊模塊上邊緣齊平位置，D0的具體位置選取在保險杠下部支撐點位置與沖擊模塊中心齊平的位置。

1.4 沖擊模塊選取

沖擊模塊是一個質量為6.8 kg的圓柱體，由304號鋼材切割制成，沖擊模塊的沖擊面為圓弧，沖擊模塊的高度為105 mm、直徑為70 mm。沖擊模塊正面是焊接的矩形法蘭，矩形法蘭上有4個螺栓孔，將4個螺栓穿過沖擊模塊的法蘭孔連接到發射系統上，如圖1所示。沖擊模塊背面的頂部和底部分別粘貼64C型號的加速度傳感器，如圖2所示。

圖2 沖擊模塊背面

1.5 加速度傳感器粘貼

確保試驗前車輛、發射系統、沖擊模塊和數據采集系統工作正常，將加速度傳感器粘貼在沖擊模塊背面，并將沖擊模塊安裝在發射系統上，確保試驗過程中沖擊模塊飛出并接觸車輛前保險杠的中部支撐、下部支撐的試驗點位置。設置第一接觸瞬間速度為30 km/h。通過數據采集系統采集沖擊模塊撞擊試驗點的加速度值作為這次的測量指標。

1.6 水平沖擊試驗數據采集和處理

由于所得到的沖擊模塊撞擊試驗點的加速度值存在較多毛刺，因此需要通過數采中濾波器的濾波頻率等級cfc180的方法對試驗數據進行預處理，以得到較為平滑的試驗曲線。這里選取cfc180的濾波等級是根據C-NCAP管理規則(2018版)中B.4.2.2.3條款中規定的所有傳感器的cfc均應為180。

1.7 濾波頻率等級

濾波頻率等級[4]分為cfc1000、cfc600、cfc180、cfc60 4個等級。以cfc60為例，如果截止頻率為100 Hz(大于這個頻率的會濾掉，100 Hz的由來是60/0.6，即cfc后跟的數字除以0.6后可得到截止頻率)，則原始信號的采樣頻率必須大于600 Hz。cfc實際濾波效果如圖3所示，圖中是采用了cfc60的效果。曲線1為原始數據曲線，其采樣頻率大于600 Hz；曲線2為用cfc60后濾波后的數據曲線。

圖3 cfc實際濾波效果

2 水平沖擊試驗結果分析

2.1 CAR-A的沖擊模塊試驗結果分析

圖4為CAR-A的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-時間曲線。可以看到相比于D0位置，沖擊模塊在M0位置加速度達到波動較大，在11 ms附近達到最大值150 m/s2；而在D0位置加速度較均勻，最大加速度約為M0位置最大加速度的1/3。

圖4 CAR-A的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-時間曲線

圖5為CAR-A的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-位移曲線。沖擊模塊在撞擊汽車前保險杠D0位置向車輛尾部方向移動392.2 mm，在M0位置向車輛尾部方向移動63.0 mm。CAR-A保險杠中部支撐位置剛度大，變形量小；保險杠下部支撐位置剛度小，變形量大。行人腿部正面碰撞過程中，人腿運動方向和狀態不同步，易發生較大傷害。

圖5 CAR-A的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-位移曲線

2.2 CAR-B的沖擊模塊試驗結果分析

圖6為CAR-B的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-時間曲線。由圖可知，兩位置水平沖擊加速度接近且平均加速度為50～80 m/s2值得注意的是，M0、D0位置水平加速度變化趨勢也基本保持同步。在發生碰撞過程中，保險杠中、下部支撐位置可以有效對行人腿部形成同步支撐，有效減小對行人的傷害。

圖6 CAR-B的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-時間曲線

圖7為CAR-B的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-位移曲線。沖擊模塊撞擊M0位置水平最大位移為90.5 mm，而撞擊D0位置水平最大位移為115.5 mm。相比于CAR-A、CAR-B的沖擊模塊撞擊試驗點M0、D0水平位移相差較小，能有效降低膝部韌帶的伸長。同時CAR-B保險杠中部支撐位置和保險杠下部支撐位置的剛度接近，變形量接近而且變形量較大。

圖7 CAR-B的沖擊模塊撞擊M0、D0加速度-位移曲線

3 保險杠的剛度對Flex-PLI腿型沖擊器傷害值的影響分析

3.1 Flex-PLI腿型沖擊器結構

Flex-PLI腿型沖擊器結構如圖8所示[5]，主要包含4個部分：股骨、脛骨、膝蓋、皮膚/肌肉，Flex-PLI腿型沖擊器模型共有471個部件。股骨質量為2.46 kg，膝蓋質量為4.28 kg，脛骨質量為2.64 kg，皮膚/肌肉質量為3.82 kg，因此，可得到沖擊器結構總質量為13.20 kg。股骨到膝蓋中間的長度為433 mm，脛骨到膝蓋中間的長度為495 mm。

3.2 試驗車輛L0位置的試驗結果分析

表1給出了CAR-A、CAR-B車輛L0位置試驗結果。由表可以看出，在撞擊CAR-A的L0位置時，柔性腿上部彎矩、中上部彎矩、內側副韌帶、前十字韌帶數值分別為329.1 N·m、301.0 N·m、25.3 mm、10.7 mm，均超出標準要求，造成CAR-A車輛失分。CAR-B在L0點位置柔性腿各項數值指標均在標準范圍內，最終獲得滿分。由于CAR-A車輛前保險杠中部位置剛度大，Flex-PLI腿型沖擊器在撞擊并發生位移時，以膝部為界線，上下腿部向車輛方向運動，柔性腿膝部發生明顯的彎曲變形，造成了CAR-A車輛嚴重失分。而Flex-PLI腿型沖擊器在撞擊CAR-B車輛前保險杠時，由于L0位置中部支撐、下部支撐剛度較小且接近，腿型沖擊器大腿、膝部和小腿同步向車輛內部運動，未發生明顯彎曲，上部彎矩、中上部彎矩、內側副韌帶、前十字韌帶位置數值也明顯降低。因此，降低車輛前保險杠剛度，保持保險杠中部支撐、下部支撐剛度接近，可以有效降低在發生VRU碰撞過程中的傷害值，從而提高車輛的綜合得分。

4 結論

本文通過對兩款車型前保險杠進行沖擊模塊試驗，對M0、D0兩位置分別進行測試，并對車輛L0位置進行Flex-PLI腿型沖擊試驗，通過采集腿部沖擊器通道的損傷指標，觀察腿型沖擊器撞擊車輛最大位移時形變情況并進行了對比分析。

(1)沖擊模塊在撞擊車輛過程中，CAR-A在M0位置加速度達到波動大、潰縮位移小，車輛M0位置剛度大；在D0位置加速度變化較均勻、潰縮位移大，D0位置剛度小。而CAR-B在M0、D0位置加速度、潰縮位移相差不大，剛度較為接近。

(2)Flex-PLI腿型在沖擊兩款車型過程中，CAR-A車輛失分嚴重，其主要原因是由于車輛中部支撐位置剛度過大，下部支撐位置剛度過小，在柔性腿沖擊車輛過程中，造成以膝部為中心向兩側彎曲運動，從而導致上部彎矩、中上部彎矩、內側副韌帶、前十字韌帶 4個數值超出標準范圍內。

(3)在車輛前保險杠結構、造型設計及材料等方面，應考慮到車輛前保險杠中部支撐位置和下部支撐位置的剛度匹配，并降低中部支撐位置材料的剛度，增大潰縮變形的能力，能在一定程度上降低對VRU的傷害，使得柔性腿碰撞變形更加合理、得分更高。