国内某车型小偏置碰撞假人伤害分析与研究

刘宏达

摘 要：本文研究了国内某车型小偏置碰撞试验中假人的运动过程及头部、颈部、胸部与下肢部位的伤害机理与考核指标，这些指标反映车身碰撞特性、乘员约束系统特性及两者间的匹配这三个方面的综合性能，论文对假人的伤害进行了详细分析，同时提出了相关改进方向，为车型开发设计及安全性能改进提供参考。

关键词：汽车安全；小偏置碰撞；假人伤害；约束系统

中图分类号：U491.2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0050-08

Abstract： In this paper， the movement mechanism of the dummy and the injury mechanism of the head， neck， chest and lower limbs and the evaluation index of the dummy in a smalloverlap crash test are studied. These indexes reflect the comprehensive performance of the body collision characteristics， occupant restraint system characteristics and the matching between the two aspects. The paper gives a detailed analysis of the dummies' injury， and puts forward the relevant improvement direction， which can provide reference for the development and design of vehicles and the improvement of safety performance.

Key Words： Vehicle safety； small overlap crash； dummy damage； occupant restraint system

随着人们对汽车碰撞安全性能的日益关注和世界各国汽车碰撞法规的不断完善，汽车碰撞安全技术得以快速發展。现行碰撞试验形式主要有100%正面刚性壁障碰撞、40%正面偏置可变形壁障碰撞、侧面可变形移动壁障碰撞、侧面柱撞等。

但现实生活中发生的重大汽车碰撞事故里，有一类事故为正面小偏置碰撞。据统计小偏置正面碰撞死亡人数大约占交通死亡事故的1/4，因为小偏置正面碰撞过程中，碰撞承载面在汽车主要承力构件纵梁外侧，纵梁不能通过纵向压溃变形而吸收冲击能量，导致车身产生极大的变形，这些变形侵入对车内乘员造成巨大伤害。

1 小偏置正面碰撞试验简介

小偏置正面碰撞试验，是美国道路交通安全保险协会（IIHS）提出的一项碰撞测试，测试要求车辆以64.4±1 km/h的速度去撞击一个特定的刚性屏障，碰撞时车辆与壁障表面重叠宽度为车辆总宽的25±1%，示意图如图1所示。主要模拟现实行车过程中与对面的来车、路边的树木和电线杆等发生碰撞这样的事故。试验时在前排驾驶员位置安放一个Hybrid Ⅲ50%假人。IIHS会根据车身结构、假人约束和假人受伤情况三个方面分别进行评价，最终的成绩分为四个等级，分别是“good（优秀）、Acceptable（可接受）、Marginal（及格）、Poor（差）”。其中假人伤害评价如表1所示：

2 国内某车型小偏置碰撞的假人伤害分析

2.1 试验简述

本次试验车辆为国内某厂家中型SUV，车辆整备质量1842kg（904kg/938kg），车辆宽度1850mm，实测试验速度为63.96km/h。

2.2 头部伤害分析

式中：R （t ）为T0≤t≤TE 期间的头部质心处的合成线性加速度（g），T0为碰撞起始时间，T_E为碰撞终止时间，t1、t2是使HIC达到最大值的时间段的起始和终止时间。小偏置碰撞中考核的是HIC15，既t2-t1=15ms。

与100%正面碰撞不同，小偏置碰撞中由于车辆前端与壁障重叠面积较小，车辆侧方向甩动幅度较大，假人头部容易从正面气囊滑出并砸向A柱，从而造成二次伤害。

通过高速摄像我们可以看到假人的运动过程如图2所示，车辆碰撞前期，安全气囊和气帘顺利展开，大约在碰撞发生后80ms，正面安全气囊展开至最大，此时假人头部也刚好基本砸在正面气囊中间位置，然而随着甩尾的发生，假人头部滑离正面气囊，约在200ms时刻处开始与A柱和门护板接触，发生二次碰撞。

假人头部合成加速度曲线见图3，从曲线中可以看到在碰撞零时刻后80ms-90ms，合成加速度值达到最大值，与之前的高速摄像相对应，该时间段假人头部刚好与正面气囊相接处。而在200ms-260ms曲线中出现了另一较为明显的波峰，该时间段波峰的出现也正好验证了高速摄像拍到的假人头部滑离正面气囊，砸到A柱和门护板这一情况的发生。

该试验车型配备了较为完善的被动安全系统，气囊匹配效果较好，正面安全气囊基本展开至最大时与假人头部接触，侧面安全气帘的顺利展开也对假人头部砸向A柱和门护板时起到了良好的保护作用。本次试验假人头部HIC=134，从表1中可以看出，在IIHS小偏置碰撞假人伤害评价中头部可以获得“优秀”等级。

2.3 颈部伤害分析

IIHS小偏置碰撞对于颈部的考核有颈部伤害指标Nij、颈部轴向张力和颈部压力。其中颈部轴向张力和压力均是通过累积曲线进行评价的。

颈部伤害指标Nij代表四种伤害机制：压缩（Compression）、拉伸（Tension）、弯曲（Flexion）和伸展（Extension）。如表2所示：

安全带和安全气囊等外力会使假人的头部与胸部之间产生相对运动，进而产生约束使假人颈部收到伤害。因此在分析假人颈部伤害时需要结合头部和胸部的运动情况来分析。

如图4所示是本次试验假人头部合成加速度曲线和胸部合成加速度曲线响应及速度响应情况。头部与胸部运动趋势基本保持一致，且峰值差异较小，两者速度在前50ms基本相当，整体没有明显滞后情况，两者差值在80ms左右达到最大，此时刻假人颈部伤害最为严重，颈部伤害指标Nij如图5所示：Nte=0.287、Ntf=0.192、Nce=0.020、Ncf=0.086，从中可以看到在0.0793s时Nte达到最大值0.287，小于IIHS评价中的优秀限值0.8。颈部轴向伸张力和压缩力累计曲线如图6所示，实际伤害曲线也均在IIHS考核限值曲线以内。

2.4 胸部伤害分析

正面高速碰撞过程中，人体胸部的受力过程变化较为复杂，它除了受到安全带的拉力外，还会受到头部及下躯干所施加的约束，以及安全气囊、方向盘所施加的外力等。在IIHS小偏置碰撞试验中，对假人胸部伤害程度的评价有四个方面：

胸部加速度G3ms，即持续时间为3ms时的最大胸部加速度；

胸部压缩变形量，胸部收到外力挤压时产生的变形大小；

胸部挤压速度，也就是胸部被压缩时的变化快慢；

胸部黏性指标VC，胸部变形的即时压缩量和变形率的乘积，其计算公式如下：

式中Y[t]为胸部对时间的变形量（m），对于HybridⅢ50%假人，Scaling factor=1.3，Defconst=0.229m，?t为测量胸部变形量的时间间隔（s）。

该试验车型驾驶员侧安全带具备预紧和限力功能，图7分别是试验过程中驾驶员安全带卷收器织带、腰带和肩带力曲线。从卷收器织带力和腰带力曲线看到，碰撞后50ms左右安全带开始预紧并限力，此时安全带迅速将假人拉住，保证假人和座椅的相对位置关系，避免假人向前运动量过大，同时限力器的作用使安全带肩带力在整个碰撞过程中保持在5KN以下，防止了过大的安全带拉力对假人胸部造成的伤害。整个胸部在碰撞过程中表现较为出色，胸部伤害指标如表3所示：

2.5 下肢伤害分析

25%小偏置正面碰撞位置避开了汽车纵梁，汽车左前轮成为了主要受力部件，轮胎侵入驾驶舱过程如图8所示，原本狭小的假人下肢空间被进一步压缩，假人下肢也因此受到了更多伤害的可能，诸如下肢与仪表板碰撞，下肢被夹在底板和仪表板之间，防火墙和脚踏板等的侵入，脚从踏板上滑落并与底板接触，脚被挤压在踏板下面等等。

下面结合试验中假人左腿数据，来阐述IIHS小偏置碰撞试验中对假人下肢伤害的评价：

膝-大腿-髋关节损伤风险KTH，它是用来表征大腿骨折和髋关节骨折风险的指标，KTH通過对股骨压缩力进行积分计算而来，积分时间段从股骨力峰值之前的最近零点开始，到越过峰值后第一次等于4050N的时间为止。驾驶员左大腿股骨力曲线如图9所示，灰色区域即是大腿股骨力积分时间段，将积分所得值和大腿股骨力放在同一坐标系下，既可得到KTH指标，如图10所示，在该项指标中假人左大腿只能获得“可接受”的评价等级。

胫骨-大腿骨位移，也就是我们通常所说的膝盖滑动位移，它是由于膝盖撞击仪表板时受到剪切力载荷引起的，表征的是膝盖受到冲击的程度。左胫骨-大腿骨位移曲线如图11所示，膝盖滑动的最大位移达到了16.2mm，介于15mm～18mm区间，根据表1可知，该项考核勉强达到“及格”的标准。

脚部加速度，踏板对假人脚部的挤压、碰触和小腿的摆动都会使脚部产生加速度，IIHS对假人脚部加速度有一定限值要求，只有脚部加速度在150g以下才能在该部位获得“优秀”等级。

3 综合评价及总结

该车型小偏置碰撞假人伤害评级如表4所示（上下胫骨轴向力和胫骨指数TI取伤害值较大者进行评价），从表中可以看到假人下肢部位拉低了整个假人伤害的评级，左腿的伤害程度也明显高于右腿，尤其是在胫骨-大腿骨位移和胫骨指数TI两项考核中仅获得“及格”的等级。

从高速摄像和试验后照片可以看出，车辆左前轮极大的侵入到驾驶舱里，左A柱有较明显的变形，驾驶员生存空间被严重压缩，假人下肢被挤压在了仪表板下，故而下肢部位成为了此次试验中假人受伤最为严重的部位，试验前后对比照片如图13所示。

综合上述分析进行简单总结：

小偏置碰撞过程中，车辆侧方向甩动幅度较大，假人头部容易滑出正面气囊砸到A柱造成二次伤害，配置侧面气帘并充分保证气帘面积，同时控制好气囊和气帘展开时间可有效降低假人头部和颈部受到的伤害；

安全带良好的预紧和限力功能，可以迅速将假人拉住，保持假人坐姿，匹配良好的安全带与安全气囊可以充分降低乘员的伤害，达到乘员保护的目的。

小偏置碰撞对车辆前端结构是一个很大的考验，假人下肢部位的保护也是小偏置试验中需要重点对待的地方，改进车身前端结构形式，加强车身A柱，最大程度的保证驾驶舱生存空间，有利于提高小偏置碰撞试验的假人伤害评级。

在有必要的情况下，比如假人头颈胸部伤害指标余量充分的前提下，可以适当考虑缩短安全带预紧时间，增加安全带限力，牺牲掉部分假人头颈胸部伤害指标，让假人更加快速的与座椅保持相对位置关系，避免假人下肢部位与仪表板发生过多的刚性接触，从而保护假人下肢部位。

随着“中国保险汽车安全指数测评规程”（C-IASI）的发布，小偏置碰撞将成为热点，这也将对中国汽车行业带来更大的挑战，对国产汽车的安全性能提出更高的要求。

参考文献：

Small Overlap Frontal Crashworthiness Evaluation Rating Protocol （Version III） ，Rating Guidelines for Restraints and Dummy Kinematics， Injury Measures， and Vehicle Structural Performance Weighting Principles for Overall Rating ，May 2014，http//：highwaysafety.org

Crash Analysis Criteria Description Version 2.1.1 [S].

SAE J 211-1，Instrumentation for Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation[S].

陈可明，杨伟，乔鑫等.车辆小偏置正面碰撞分析 [C]//第十五届汽车安全技术学术会议论文集，中国，芜湖，2012： 178-182.CHEN Keming， YANG Wei， QIAO Xin， et al. Vehiclesmall overlap frontal impact analysis [C]// 15th Conf ofAutomotive Safety Technology， Wuhu， China， 2012： 178-182.（in Chinese）.