油门踏板对驾驶员下肢损伤的影响*

吴俊 刘宇豪 姚远 曹立波

(1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300; 3.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400023)

油门踏板对驾驶员下肢损伤的影响*

吴俊1刘宇豪2姚远3曹立波1

(1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300; 3.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400023)

汽车正面碰撞中驾驶员脚部与油门踏板直接作用，其力学性能是影响驾驶员下肢损伤的重要因素之一.然而，现阶段在对驾驶员下肢损伤的仿真研究中，油门踏板常被忽略或者使用刚体模型模拟，不能准确反映踏板对驾驶员下肢的作用情况且无法研究踏板断裂吸能对驾驶员下肢损伤的影响.针对这一情况，文中建立了详细的油门踏板有限元模型，并通过6组踏板部件实验充分验证了模型的有效性.基于该模型研究了踏板摩擦系数、旋转刚度、踏板行程、踏板侵入量和断裂扭矩等参数对驾驶员下肢损伤的影响.结果表明，油门踏板断裂扭矩对驾驶员下肢损伤具有显著的影响，降低踏板断裂扭矩能够有效地降低驾驶员胫骨力和胫骨指数，进而降低驾驶员下肢损伤的风险.研究结果指出了可断裂式踏板设计对驾驶员下肢损伤防护的意义，并为油门踏板结构设计提供参考.

正面碰撞；油门踏板；下肢损伤

汽车的发展在给人们提供便利的同时也带来了严重的社会问题，据统计全世界每年因道路交通事故而死亡的人数高达百万之多，伤千万以上[1-13]，给受害者及其家庭带来沉重的精神和经济负担.在所有的损伤类型中，下肢损伤虽不像头部和胸部损伤一样容易致命，却容易致人残疾，进而给受害者带来极大的精神和肉体的痛苦[2-14].据交通事故统计数据，碰撞事故中，下肢损伤占所有中度以上损伤(AIS 2+)的三分之一；而当乘客系上安全带以及汽车配有安全气囊时，下肢损伤所占的比例更是头部损伤的两倍[3].在美国，每年因交通事故造成的经济损失中，下肢损伤造成的经济损失占17%；在不发生翻滚的正面碰撞事故中，前排驾驶员和乘员因下肢损伤而造成的损失达到82亿美元[4].驾驶员下肢损伤发生的频率高，治疗困难，给社会带来了巨大的经济损失.因此，开展对驾驶员下肢损伤的研究十分必要.

影响驾驶员下肢损伤的约束系统部件主要包括汽车安全带、仪表板、膝部气囊、脚底泡沫垫和踏板等.安全带能够有效限制碰撞中身体的位移，从而防止下肢与车内物体相撞[5]；应用力学性能良好的仪表板或适当增加脚底泡沫垫、膝部气囊等能够有效地降低下肢受到的冲击，从而起到保护驾驶员的作用[6-8].然而，目前针对踏板对驾驶员下肢损伤影响的研究较少，而现有的研究也存在着局限性.2008年，Miyahara等[6]研究了脚底泡沫垫对下肢的保护，为了避开踏板系统的影响，仅研究乘员侧的损伤情况；陈鹏辉等[7-8]采用多刚体模型研究了驾驶员的下肢动力学响应，并研究了加速场、膝垫刚度、脚部气囊等因素对下肢损伤的影响；胡陈晨[9]在踏板对下肢损伤的影响研究中，采用刚体单元模拟踏板，研究了驾驶员下肢损伤的特点.上述针对下肢损伤的研究中，油门踏板或被忽略或者使用刚体模型模拟，均不能真实反映踏板与驾驶员脚部的作用情况.在正面碰撞法规和C-NCAP中均规定驾驶员侧假人的右脚应放在未踩下的加速踏板上[10]，碰撞力会首先通过踏板系统传递到脚部，进而引起驾驶员下肢的损伤[11].因此，在研究驾驶员下肢损伤时，分析踏板系统的影响对于准确、全面地评价下肢的损伤风险至关重要.针对这种情况，文中建立了详细的油门踏板有限元模型，研究了踏板相关参数对驾驶员下肢损伤的影响，并分析了可断裂式踏板对驾驶员下肢的保护效果.

1 油门踏板冲击实验

1.1 实验设置

为了模拟实际碰撞中驾驶员脚部对踏板的作用情况，采用摆锤对油门踏板进行加载，并设计了两种踏板加载方案，如图1所示.撞击效果如图2所示.

图1 踏板固定方式Fig.1 Pedal fixation methods

方案1 模拟驾驶员脚部踩压踏板，作用力方向垂直于踏板平面的加载方式.当摆锤将踏板压至其行程末端时，冲击力与踏板表面垂直.为了模拟这一加载方式，踏板在运动至行程末端时，踏板平面与摆锤冲击面平行.

方案2 模拟驾驶员脚部沿车行进方向水平向前移动对踏板进行加载.踏板的固定表面与水平面的夹角为90°，与车辆中踏板固定方式一致.

图2 踏板冲击示意图Fig.2 Schematic diagram of pedal impact test

实验所用摆锤质量为33.6 kg.实验过程中，使摆锤高度依次增加10 cm，直至使踏板断裂.采用高速摄像记录冲击过程，并记录摆锤的加速度信息，以获得踏板在不同冲击速度下的响应.每次试验均采用新踏板以确保实验结果的可信度.

1.2 实验结果

采用第1种固定方式进行实验，将摆锤相对初始位置(冲击作用点位置)分别升高10、20、30 cm，摆锤速度分别为1.4、2.0、2.4 m/s.当摆锤位置升高30 cm时，踏板发生断裂，断裂力为2 448 N.摆锤加速度波形以及踏板断裂情况如图3所示.

图3 固定方案1实验结果Fig.3 Test results of scheme 1

方案2中摆锤的设置与方案1一致.当摆锤升高30 cm时，踏板发生断裂，断裂力为1 312 N.3种工况下的摆锤加速度波形以及踏板断裂情况如图4所示.

两种固定方式下，油门踏板的断裂位置基本相同.但两次断裂力差别较大，分别为2 448和1 312 N.这是因为不同的固定方式下，摆锤冲击的作用点不同.方案1中，力的作用点在踏板下端面，离断裂位置约为130 mm；方案2中，力的作用点在踏板上端面，离断裂位置约为230 mm.两次断裂时的扭矩分别为318和302 N·m.可见，踏板断裂所需的扭矩基本一致.

图4 固定方案2实验结果Fig.4 Test results of scheme 2

2 踏板模型的建立与对标

提取踏板的三维几何尺寸，并建立有限元模型，踏板模型如图5所示.油门踏板选用的材料模型是24号*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料，材料参数由踏板供应商提供.模型的断裂方式为网格删除方式，即当单元的应力达到极限值时，该单元被删除.加强筋以及踏板底座为壳单元，其余部分为六面体单元.该模型共有单元4 781个，其中壳单元3 448个，最小雅克比为0.64，六面体单元1 333个，最小雅克比为0.58.总质量为334 g，与踏板实际质量一致.

图5 踏板模型Fig.5 Pedal model

仿真结果与实验结果的对比如图6所示，摆锤加速度曲线相似度如表1所示，6种工况下仿真曲线与实验曲线峰值大小、峰值出现时刻以及曲线重叠区域的相似度均在90%以上.进一步对比踏板仿真与实验中的断裂情况，如图7所示，可见仿真中油门踏板断裂位置与实验中基本一致，均发生在踏板转轴处.由上可知，仿真模型能够反映真实的踏板碰撞响应.

图6 各工况加速度曲线对比Fig.6 Comparison of acceleration in different conditions

表1 仿真结果与实验结果对比Table 1 Comparison of the results between simulations and tests

图7 踏板断裂情况仿真与实验对比Fig.7 Comparison of pedal fracture between simulation and test

3 踏板对驾驶员下肢损伤的影响

3.1 约束系统模型

文中使用的约束系统模型为胡陈晨验证过的模型，如图8所示[9].其中假人有限元模型用的是美国FTSS公司开发的Hybrid III 50百分位有限元模型，经过10多年的发展，该模型在细节及响应上与真实Hybrid III 50百分位试验假人有着较高的相似度[9].采用文中建立的油门踏板模型替换原约束系统中的刚体踏板模型，对比仿真与实验结果，如图9所示，可见仿真与实验结果基本一致，可用于后续驾驶员下肢损伤研究.

3.2 实验设计

选取了5个踏板相关参数研究其对驾驶员下肢损伤的影响，包括踏板摩擦系数、旋转刚度、踏板行程、踏板侵入量、断裂扭矩.参数的取值范围参考踏板供应商提供的数据及参考文献[7,9,12,15]，每个参数选取4个水平，如表2所示.其中，踏板断裂扭矩水平1为在碰撞中踏板完全断裂，断裂扭矩水平2、3为踏板在碰撞中部分断裂，断裂扭矩水平4为踏板模型的原始断裂扭矩，即在碰撞过程中不发生断裂.参照正交设计表L16(45)进行实验设计，共进行16次实验.按照实验设计表进行仿真，输出上胫骨力、上胫骨指数、下胫骨力、下胫骨指数等参数.仿真结果如表3所示.

图8 约束系统模型Fig.8 Restraint system model

表2 因素水平表Table 2 Factor-level table

表3 仿真结果Table 3 Simulation results

3.3 下肢损伤的影响因素分析

3.3.1 踏板参数对胫骨力的影响

通过表3计算得到各因素对胫骨力影响的均值，如表4所示，并通过student-t检测对各因素进行显著性分析.当P值小于0.05时，该因素对下肢损伤的影响显著.

表4 胫骨力均值与P值Table 4 The mean values of tibia force and P values

从表4中可以看出，踏板断裂扭矩对驾驶员胫骨力的影响显著.随着踏板断裂扭矩增大，驾驶员的胫骨力呈明显的增长趋势，踏板断裂扭矩和驾驶员胫骨力呈正相关.当断裂扭矩较小时，踏板在与驾驶员脚部接触过程中更容易达到断裂的临界值，进而发生断裂；驾驶员脚部受载解除，下肢由于惯性继续向前运动，胫骨压缩力迅速减小.

对于踏板侵入量，当其增大时，驾驶员脚部受到的冲击增大，驾驶员的胫骨力也随之增加；但当踏板侵入量增大到一定值(水平4)后，胫骨力的增加趋缓或出现下降趋势.这是因为，当侵入量增大时，踏板在脚部的挤压过程中更容易发生断裂，踏板的断裂限制了胫骨力的进一步增大，因此胫骨力的增长趋缓.

由表4可知，油门踏板的摩擦系数、旋转刚度以及踏板行程等因素对驾驶员胫骨力的影响不明显.

3.3.2 各因素对胫骨指数的影响

表5为各因素对驾驶员胫骨指数的影响.胫骨指数由胫骨压缩力和绕X、Y轴弯矩决定，计算公式如下：

TI=|MR/(MC)R|+|FZ/(FC)Z|

(1)

(2)

式中：MX为绕X轴弯矩；MY为绕Y轴弯矩；(MC)R为临界弯矩，为225 N·m；FZ为Z向的轴向压缩力；(FC)Z为Z向临界压缩力，为35.9 kN.

由表5可知，踏板断裂扭矩对驾驶员胫骨指数有显著的影响，胫骨指数随踏板断裂扭矩增大而显著增加.碰撞过程中，脚部与踏板作用后，脚踝发生旋转，膝盖角减小，使胫骨的弯曲力矩上升，直至膝盖碰撞到护膝板或者运动至极限位置，脚踝开始锁止，此时胫骨弯矩明显增大.最后，由于腰带的较大张力，臀部出现回拉现象，下肢开始回弹，膝盖角增大，胫骨弯矩减小.当踏板发生断裂后，驾驶员脚部由于惯性向前运动，此时膝盖角增大，胫骨扭矩下降；而胫骨力如前文分析，在踏板断裂后也迅速减小，因此，胫骨指数也随之下降.其他各因素对胫骨指数的影响不显著.

表5 胫骨指数均值与P值Table 5 Mean values of tibia index and P vaules

4 结论

文中根据驾驶员脚踩压踏板的特点，设计了两种踏板实验的固定方式，获得了踏板在不同冲击速度下的响应；建立了详细的有限元模型，并通过对标多种工况，验证了模型的有效性.在约束系统中研究了油门踏板对驾驶员下肢损伤的影响，并得出以下结论：

(1)踏板断裂扭矩对驾驶员下肢损伤具有显著的影响，随着踏板断裂扭矩的降低，驾驶员下肢损伤也随之降低.当然，可断裂式踏板设计要考虑踏板的使用条件，应避免在正常使用过程中发生断裂.

(2)油门踏板的摩擦系数、旋转刚度、踏板行程等参数对驾驶员下肢损伤的影响不显著.对于摩擦系数，可适当增加踏板摩擦系数，以防止由于摩擦过小使驾驶员操作时脚部脱离踏板，对驾驶员操控车辆产生影响；旋转刚度应控制在一个合理的范围内，过小会使驾驶员踩踏油门时没有力的感觉，不易控制车辆速度，过大会使驾驶员踩踏不舒适，并使驾驶员产生疲劳；踏板行程要考虑身材较小乘员脚部的运动范围.

(3)驾驶员下肢损伤会随踏板底座的侵入量增加而增大，但在配合可断裂踏板时，侵入量增大更容易使踏板发生断裂，从而降低驾驶员下肢损伤的风险.

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Supported by the National Natural Science Foundation of China(51505137)

EffectofAcceleratorPedalonDriver’sLowerExtremityInjury

WUJun1LIUYu-hao2YAOYuan3CAOLi-bo1

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China;2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China;3.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology, Chongqing 400023, China)

In frontal crashes, the accelerator pedal has a direct impact on the driver’s feet, and its mechanical property is one of the main factors affecting the driver’s lower extremity injury. However, in the current simulation researches on the driver’s lower extremity injury, the accelerator pedal is often ignored or simulated by using the ri-gid body model, which cannot accurately reflect the effect of the pedal on the driver’s lower extremity and cannot be used to analyze the effect of the pedal fracture on the driver’s lower extremity injury. In order to solve these problems, a detailed finite element model of the accelerator pedal is constructed, and it is proved to be effective through six groups of pedal component tests. Based on this model, the effects of the pedal friction coefficient, the rotation stiffness, the travel and the intrusion volume,the fracture torque on the driver’s lower extremity injury are revealed. The results show that the fracture torque of the pedal has a significant effect on the lower extremity injury. Specifically, reducing the fracture torque can greatly decrease the driver’s tibia force and tibia index, thus reducing the risk of the lower extremity injury. This research result also highlights the value of the breakable pedal designing on the driver’s lower extremity protection, and can be taken as a reference for the structure design of accelerator pedals.

frontal crash; accelerators; lower extremity injury

2016-08-29

国家自然科学基金资助项目(51505137);汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室开放基金项目(NVHSKL-201410)

吴俊(1984)，男，博士，助理研究员，主要从事车辆被动安全研究.E-mail：wujun701@163.com

1000-565X(2017)08-0028-07

U 461.91

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.005