行人保护技术发展现状分析

2014-06-24韩晓磊徐晶才

汽车工程师 2014年8期

韩晓磊徐晶才

（华晨汽车工程研究院）

随着各国城市人口日益密集以及汽车保有量的持续增多，道路交通中的人员安全问题越发突出。据统计，全世界每年约有120 万人死于道路交通事故，事故所造成的经济损失达180 亿美元。我国道路交通每年的死亡人数一直维持在10 万人左右的高位上，而行人死亡率是驾乘人员的9 倍，其中28%为无过失死亡。由于我国存在道路密度低、人口密度大以及混合交通比例大的问题，开展对行人保护的研究具有重要意义。

1 国内外法规现状

2003年，欧洲行人保护法规2003/102/EC 正式出台，该法规对车辆行人保护方面的性能进行了分阶段的引导式要求。2009年根据多年的实际情况，欧洲对行人保护法规进行了修改和调整，推出了新法规78/2009，2005年开始第 1 阶段，2010年开始第 2 阶段[1]。

由中国汽车技术研究中心标准化研究所制定的《汽车对行人的碰撞保护》标准已经由国家质检总局和国家标准委联合发布，并从2010年7月1日起正式批准，成为推荐性国家标准。

在法规的制约下，为了提高各自产品的竞争力，各大汽车制造商和一些研究机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的计算机设备从事行人安全保护的试验模拟分析工作。

2 行人保护技术研究现状

根据对事故数据的研究，大多数的严重伤亡是由于行人与汽车发动机罩、挡风玻璃以及车顶发生碰撞而造成的，且下肢是行人与汽车的第一碰撞位置。下肢膝盖的伤害通常被认为是最严重的伤害，因为它可能导致人员长期的残疾，而头部的伤害则有可能造成死亡[2]。表1 示出交通事故中行人伤害部位分布情况。

表1 交通事故中行人伤害部位分布%

对行人身体各部位伤害原因的研究表明：36.4%的行人头部伤害是因其与车身碰撞所导致的；行人臀部的伤害中有40.1%是因其与发动机罩斜边碰撞造成的；44.2%的腿部伤害则是由于腿部与保险杠发生碰撞造成的[3]，所以必须有针对性地在这些方面做出改善。

目前国际上用于车辆的行人安全保护装置主要可分为保险杠改进、行人安全气囊系统、发动机罩技术以及车辆智能安全保障系统4 类。在汽车被动安全性范围内主要包含了前3 类。

2.1 保险杠技术

保险杠改进是对保险杠外形进行优化设计，或在保险杠的适当位置放置高密度泡沫材料，使碰撞伤害减轻。采用性能好的材料是减轻伤害的有效方法。除采用新材料外，改进保险杠的外形设计也可以提高行人保护能力。如将保险杠的碰撞点抬高，并尽可能不出现尖锐的突起，使整个前脸造型圆润，从而降低碰撞时对行人的伤害[4]。

研究结果表明，存在2 种理论用于解释小腿骨折的致伤机制。一种理论认为小腿骨折是直接作用力造成，多发生在碰撞点附近，采用作用力和加速度进行评估；另一种理论认为碰撞点以下的小腿惯性弯矩是导致骨折的原因，骨折不一定发生在碰撞点，这一理论被用于解释胫骨近地端的骨折，采用弯矩进行评估。而针对长骨的弯曲试验表明，长骨材料具有生物材料常见的黏弹性特性。骨折的发生不仅取决于载荷大小和加载形式，也取决于载荷持续时间，如图1所示[5]。

一般运用多体动力学方法来进行事故重建分析，CPMS0 百分位行人多体动力学模型经过多种尸体试验验证，被用做参考的基准行人模型。该模型由24 个椭球体组成，由14 个关节铰链连接，并增加了可旋转的膝盖和可模拟骨折的腿骨部分。骨折是通过建立的一个球铰链实现的，行人小腿通过被球铰链连接的2 段刚体来描述，一旦作用在铰链上的载荷超过设定的限值，球铰链就由锁止变为自由运动状态。使用VC 编程控制软件中GEBOD 程序，以便行人模型基于真实受害者的身高和体重，调整身体各部分的尺寸、质量和惯性矩，根据行人伤害的骨折部位信息，调整可模拟骨折的铰链在小腿的高度位置。肇事车也采用多体动力学模型建立，根据实际外形和尺寸确定模型前部结构形状，参考Euro-NCAP 类似车型的行人测试结果，不同汽车的前部结构刚度特性采用对应的刚度曲线以定义前部接触特性。

评价指标包括，可断裂铰链处的横向加速度（对应加速度评价指标）、侧向力（对应剪切力评价指标）、轴向力与剪切力的合力和力峰值的作用时间，同时计算了保险杠与小腿的接触作用力。

2.2 发动机罩技术

2.2.1 发动机罩抬升技术

目前的发动机罩抬升装置主要有气体发生器式和机械式2 种。气体发生器式抬升装置通过化学反应产生瞬时高压气体，推动发动机罩后端抬升，反应迅速，但属于一次性使用的产品，使用后的维修成本较高；机械式抬升装置通过释放加载后的弹簧或者高压气体抬升发动机罩，结构复杂且体积较大，但可实现可逆使用，成本较低[6]。

最新的行人保护设计引入了汽车碰撞预警技术，汽车通过安装在车头的雷达和摄像头等探测前方行人，在人与车碰撞发生前一定时间触发行人保护装置，从而为行人保护争取时间。本研究设计的主动式发动机罩抬升装置基于最新的行人保护设计理念，主要由传感系统和发动机罩抬升装置组成。传感系统中有为抬升装置触发信号的传感单元，当传感系统探测并判断汽车将与行人发生碰撞时，传感单元为抬升装置触发信号。抬升装置通过加装在底部的气体发生器，瞬时产生大量气体，将发动机罩的尾端抬升。该装置反应迅速且可靠性高，结构简单，体积小巧，使用后维修方便，成本低，具有很好的经济性。

一般采用实车试验验证新型主动式发动机罩抬升装置的有效性。分析发动机罩的抬升时序，采用高速摄像机记录发动机罩的整个抬升过程。

2.2.2 发动机罩结构参数仿真及总布置设计

欧盟对儿童头型撞击发动机罩的试验要求为：使用2.5 kg 的头型以40 km/h 的速度与汽车发动机罩发生碰撞，在整个发动机罩试验区域内，头部伤害指数（HIC）不得超过1 000。通常发动机罩与发动机舱内部件有一定距离，如果在撞击过程中发动机罩变形过大而与舱内部件接触，很有可能造成二次碰撞，增大头部伤害[7]。

发动机舱内部对头部碰撞有影响的零部件主要是：发动机罩、蓄电池、空滤、电器盒及储液罐等。在进行发动机舱布置时，应考虑头部碰撞区域，尤其是蓄电池、空滤及发动机本体，要降低这些部件的高度，增大与发动机盖板的有效距离；同时应结合具体零件尺寸考虑离地间隙、运动干涉及热平衡等因素对发动机舱布置的限制，这些限制性约束主要与前期造型和总布置有很大关系。因此，在布置发动机舱时应考虑全面，避免造成法规和布置上的冲突[8]。通常采用Hypermesh等软件建立发动机罩和头型的数学模型，添加约束条件，如材料和接触条件等，从而对不同的撞击位置及不同发动机罩结构厚度等参数进行仿真。

2.3 行人安全气囊技术

行人保护安全气囊可避免人体撞击到汽车前挡风玻璃上。这类气囊共有发动机罩气囊与前围安全气囊2 种，两者配合使用可减少最常见的行人伤亡事故。

发动机罩气囊位于保险杠上方，紧靠保险杠处开始展开。碰撞前由一个碰撞预警传感器激发，可在50～75 ms 内完成充气。保持充气状态时间可达数秒。充气后的安全气囊在前大灯之间的部位展开，由保险杠顶面向上伸展到发动机罩表面以上。气囊的折叠模式和断面设计保证气囊展开时能与汽车前端的轮廓相吻合，以保证儿童头部和成人腿部的安全。

前围气囊系统的作用则是提供2 次碰撞保护，防止行人被甩到发动机罩后部后被前窗底部碰伤。该系统包括2 个气囊，分别由汽车中心线向一侧的A 柱延伸。气囊由传感器探测到行人与保险杠发生初始碰撞后触发。在行人翻到发动机罩上滚向前窗这段时间内，气囊完成充气，2 个气囊沿前窗底部将左右A 柱之间的区域完全覆盖，不仅能盖住前窗玻璃底部，还可盖住刮水器摆轴与发动机罩支座等致命“硬点”。同时，气囊不会完全遮挡驾驶员的视线。

2.4 其他技术

2.4.1 溃缩式前大灯设计

设计方案必须实现：1）前大灯的安装支架弱化，在撞击时发生溃缩；2）前大灯后部必须留有充分的溃缩空间，这样可达到吸收冲击能量的目的；3）前大灯的溃缩运动过程中，不应该有刚性较大的零件与前大灯运动包络干涉。为了满足安装支架的弱化，实现在碰撞时前大灯整体掉落。设计碰撞导向槽结构，引导碰撞时大灯的运动，并且实现在碰撞时前大灯溃缩。此外，通过采用PC 材料减少前大灯面罩壳体的厚度，减少前大灯锐角，并且减少前大灯和发动机盖的重合区域，来减少碰撞的刚性接触，尽可能实现前大灯的溃缩[9]。

利用与发动机罩相似的研究方法进行有限元分析。通过建立的前大灯结构有限元模型和儿童头部的有限元模拟模型，开展碰撞分析。首先需要确认前大灯的安装脚支架溃缩结构的设计。运用有限元LS-DYNA 等仿真软件分析，记录碰撞各阶段前大灯安装脚的应力应变状态。

2.4.2 翼子板结构优化设计

采用与发动机罩相似的研究方法进行翼子板结构优化，包括内凹式结构、外倾式结构及分段式结构等，并以法规的HIC 值作为仿真验证的标准[10]。

3 中国行人保护技术现状

中国一些汽车企业已经积极行动起来，各车企在新车研发时都要专门考虑行人安全保护方面的工程设计和进行相关试验。2010年A 公司耗资上千万元在中国汽车技术研究中心进行了国内第1 次行人碰撞试验，并承诺将碰撞数据用于汽车研发，把先进的行人保护技术运用到新车型上。同年，B 公司在欧洲E-NCAP 6 大官方认可的汽车安全碰撞试验室——西班牙IDIADA 试验室进行了“行人保护”碰撞测试，包括2 项强制性测试（儿童头部碰撞发动机罩区域测试及小腿撞击保险杠测试）和2 项非强制性测试（大腿撞击机罩前边缘测试及成人头部碰撞风挡玻璃区域测试），均达到了相关标准，顺利通过了欧洲EC 第1 阶段法规认证。