正面全宽碰撞试验中假人胸部伤害研究

商恩义

（上海东方久乐汽车安全气囊有限公司 上海，201201）

在实车正面全宽碰撞试验中，假人胸部加速度和胸部压缩变形量均是评价假人伤害的重要指标，如C-NCAP中指定胸部压缩变形量（胸部压缩变形量）的指标范围为22mm～50mm，胸部3ms合成加速度值的指标范围为 38 g～60 g［1］，因此，在研发过程中应关注对胸部的保护。

在碰撞过程中，假人胸部通常要受到安全带、安全气囊的作用。对于驾驶员侧假人，通常还会受到方向盘等的冲击。另外，假人的坐姿通常要受到坐垫深度和坐垫刚度的影响，而安全带的作用效果与假人坐姿又密切相关，因此，碰撞中假人胸部所受伤害将与安全带、安全气囊的作用效果、方向盘的状态、座椅的刚度等存在着必然的联系。

1 碰撞试验中假人肩带力、胸部加速度与胸部压缩变形量之间的关系

在正面全宽碰撞结果的分析中，通常要用到假人的肩带力、胸部加速度和胸部压缩变形量之间的关系［2］。

用D和ax分别表示假人胸部压缩变形量 （胸部压缩变形量单位：mm）和x向加速度，用Fx和Fd分别表示胸部所受到的产生胸部加速度的合力和产生胸部压缩变形量的力，用Fu表示安全带作用于胸部X向合力（等于肩带力测量值）的反力，胸部质量取胸部块质量17.19 kg和颈部块质量1.54 kg之和，即 18.73 kg［3］，此时有

碰撞过程中，在假人姿态正常的情况下，如果假人胸部仅仅受到安全带的作用或安全气囊作用较小，则通常有

在大量的碰撞试验中，事实上，Fu、Fx和Fd间通常大部分时间段内不是近似相等的，而恰恰可根据Fu、Fx和Fd间的差异对约束系统的作用效果进行分析。

2 方向盘冲击对假人胸部伤害的影响

一般来说，对能量吸收式方向管柱而言，吸能缓冲效果最佳角度一般为 21°～ 23°［4］。但从对乘员胸部损伤的角度出发，对方向管柱的安装角度还没有明确说法。事实上，方向管柱安装角度的差异，在碰撞中对假人胸部伤害是有明显不同的。

在正面碰撞过程中，设假人胸部与方向盘间的碰撞力为F，碰撞力F沿转向柱轴向的分力为F1，使转向柱向上弯曲的分力F2，方向管柱的安装角度为θ，则有

公式（5）表明，当碰撞力F不变而θ变大时，使转向柱向上弯曲的分力F2却将大幅度上升，方向盘碰撞中变形的趋势将减弱，胸部所受冲击将加强。另外，方向管柱安装角度的不同，使方向盘缘与假人胸部的相对位置发生变化，此变化将对假人胸部的伤害产生较大影响。

2.1 通常角度下的方向盘冲击的影响

某款车A，方向管柱的安装角度为23°，则方向盘为67°，在开发安全气囊的某次台车试验中，驾驶员侧安全气囊对胸部保护效果较弱。试验后驾驶员侧假人的Fu、Fx和Fd曲线间的关系见图1。

图1 中，在约45 ms～80 ms之间，在绝对值上，Fd＞Fx＞Fu，即产生胸部压缩变形量的力远远大于产生胸部加速度的力，且均大于安全带对胸部X向的作用合力。分析原因：安全带为限力式安全带，当安全带限力后，假人胸部在向前运动过程中与方向盘下盘缘发生了较强的碰撞 （方向盘下盘缘发生严重变形），导致在绝对值上Fd和Fx明显大于Fu。对于Fd和Fx幅值间的差异，仅仅凭借图1无法解释。为了确认假人胸部与方向盘下盘缘的碰撞对假人胸部损伤的影响，将假人除去左臂和上皮肤，摆回到座椅上，并除去展开后的驾驶员侧气囊模块，以确认假人胸部与方向盘的位置关系（见图2）。

图2 中，方向盘的下盘缘基本对应在假人胸部肋骨架的下沿，是肋骨架刚度较弱位置，易变形。胸部加速度传感器在自上向下数第二和第三根肋骨条之间，位置相对靠上。在碰撞过程中，伴随方向盘下盘缘的变形，其作用点将向下移动，离胸部加速度的位置有偏远的趋势，最终形成在绝对值上Fd＞Fx＞Fu。

2.2 角度偏小的方向盘冲击的影响

某款车B，其方向管柱的角度较大，为29°，则方向盘的角度为61°，在某次台车试验后，将驾驶员侧假人的Fu、Fx和Fd曲线绘于图3中。

图 3 中，在约 45～85 ms之间，在绝对值上，Fx＞Fd＞Fu，Fd和 Fx明显大于 Fu，表明由于安全带为限力式，在碰撞过程中没有完全将假人约束住，假人胸部撞到了方向盘。对于Fd和Fx幅值间的关系，则因方向盘的角度相对通常情况而言偏小，方向盘盘缘与假人胸部肋骨支架的位置关系相对靠上，导致冲击胸部时位移传感器的敏感度偏弱，最终表现为Fx＞Fd。另外，方向盘与胸部碰撞过程中相对肋骨条有滑动，导致有力的跳变，使胸部加速度出现锯齿。

3 座椅前端刚度对假人胸部伤害的影响

汽车座椅是影响汽车安全的重要部件，应具有一定的安全性，即能在事故发生时，与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞的强度，使乘员的损伤指标达到最小［4］。倘若座椅的安全性不足，在碰撞中将会对乘员造成重大损伤：如座椅前端刚度不足，碰撞中发生乘员下沉现象，或者座椅的坐垫有效深度、倾角设计不合理等，都可能在碰撞中增大乘员胸部的受伤程度。

3.1 坐垫深度过大、前端刚度过强的影响

在进行某款车C 64 km/h的台车试验中 （不带安全气囊），在某次试验后，将乘员侧假人的Fu、Fx和Fd曲线绘于图4中。

图 4 中，在约 75～95 ms之间，在绝对值上，Fx＞Fd≈Fu。由于此次试验中没有安全气囊，而且假人胸部压缩变形量的产生只受前方作用力影响，且此时胸部前方只有安全带肩带的作用，所以Fd≈Fu比较合理，但Fx明显大于Fd和Fu，无法解释。

将骨盆X向加速度和胸部X向加速度调入图5。图5中，两条曲线变化趋势比较一致，表明在假人前行约90ms前，骨盆受到了较大阻力，并且将该阻力传递到了假人胸部；在约90 ms时，该阻力突然消失。

分析假人座椅影响，其座椅结构如图6所示。将假人骨盆相对车体X向的相对加速度进行二次积分，将积分所得的位移作横坐标，将骨盆X向加速度作纵坐标，绘出骨盆X向加速度曲线与其相对位移间的关系见图7。

图6 表明，座椅底部为盆式结构，且前端有刚度较大在碰撞中没有发生变形的加强横梁。图7中，骨盆最大的前行位移约为230 mm，在200 mm前一直受到阻力冲击。借助高速摄像分析，假人骨盆最坚固点到加强横梁的距离的确约为200 mm，也就是说，在约75ms到95 ms之间，假人骨盆和胸部X向加速度第一个峰的确是由骨盆的结构造成的，所以在绝对值上有 Fx＞Fd≈Fu。

在约 100 ms 之后，有 Fx≈Fu，Fd＞Fu。 Fx≈Fu可以理解，而Fd＞Fu则需要分析。

从图5可以看出，在约95ms之前，假人胸部减速略慢于骨盆减速，将导致假人上身略前倾，当阻力突然减弱后，假人姿态受到冲击，安全带肩带的作用点和作用力角度改变，该改变使安全带的作用效果更强，则反映安全带肩带力和位移间关系的d1将变得更小，所以当用偏大的d1分析数据的后半段时，则形成了Fd＞Fu，此式反映出了当坐垫深度偏大、前端刚度偏强时，在碰撞中可能会导致假人姿态改变进而改变胸部与安全带肩带的配合关系，增大安全带对胸部变形量的作用影响。

3.2 坐垫前端刚度较弱的影响

在完全正面碰撞过程中，当乘员的臀部相对车体运动到座椅的前沿时，一旦座椅坐垫前端骨架刚度不高，乘员的臀部将会突然产生下沉现象，此现象的发生将对乘员胸部的伤害产生较大影响［5］。

为了研究乘员下沉现象对乘员胸部伤害的影响，对试验D和E两次试验中胸部的测量结果进行了分析。试验D和E中，试验D中的坐垫前端刚度偏弱，试验E中进行了加固，其余所有的约束系统配置和试验条件完全相同。

试验结果见图8和图9。

图8 和图9中，在约50ms到70 ms之间，试验D的负向加速度幅值和胸部压缩变形量均偏大。分析原因：在碰撞发生后，假人有在前行中，上身向前扑的运动趋势。当假人骨盆前行至约50ms时，由于试验D中的坐垫骨架较弱，假人出现明显的下沉现象。与试验E相比，下沉现象的发生使试验D中假人整体前行较快，前扑趋势突然减弱，身体趋于直立，当与安全气囊接触时，整个胸部有正扑趋势。因此，试验D中假人胸部与安全气囊接触后，胸部加速度的负向幅值和胸部压缩变形量均偏大。

4 结论

通过台车试验研究，得出如下结论：方向盘的水平角度偏小容易造成胸部加速度偏大；方向盘水平角度偏大在无安全气囊或气囊作用偏弱的情况下容易造成胸部压缩变形量偏大；坐垫的深度大和前端刚度强容易增大假人胸部伤害，以及坐垫前端刚度较弱导致假人碰撞中下沉可造成胸部伤害指标提高。

［1］中国汽车技术研究中心，中国新车评价规程［S］.

［2］商恩义，张君媛,杨斌,张慧云.正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究与应用［J］.汽车技术.2010（10）:18-21.

［3］50th Percentilemale hybrid Ⅲ test dummy,Society of automotive engineers dummy testing equipment subcommittee［D］.SAE Engineering aid 23，1998.

［4］钟志华,张维刚,曹立波,何文.汽车碰撞安全技术［M］.北京:机械工业出版社，2003:151-153.

［5］商恩义,周靖,陈晓东,吴淼.正面碰撞事故中乘员下沉对乘员伤害的影响的研究［J］.汽车科技.2011（2）:25-28.