C-IASI对汽车设计的影响

刘果

【摘  要】2017年中国汽车工程研究院与中保研汽车技术研究院联合发布中国保险汽车安全指数（C-IASI）规程2017版。C-IASI融合了国际先进经验并结合中国汽车保险与车辆安全技术现状，是目前国内对汽车安全技术要求最严苛的测试评价体系。C-IASI包含耐撞性与维修经济性、车内乘员安全、车外行人安全、车辆辅助安全四项指数。本文将浅析C-IASI对汽车设计的影响。

【关键词】C-IASI;耐撞性与维修经济性;车内乘员安全;车外行人安全;车辆辅助安全;汽车设计

Abstract：China Automotive Engineering Research Institute released the China Insurance Automotive Safety Index（C-IASI）Program（2017）with China institute of automotive technology in 2017.C-IASI integrates advanced international experience and the current situation of automobile insurance and vehicle safety technology in China，and it’s the most stringent test and evaluation system for automobile safety technology in China.The C-IASI includes four indexes：Damageability and Repairability，Vehicle occupant safety，Pedestrian safety，Vehicle Assistant Safety.This paper will analyze the influence of C-IASI on vehicle design.

Keywords：C-IASI;Damageability and Repairability;Vehicle occupant safety;Pedestrian safety;Vehicle Assistant Safety;Vehicle design

1前言

自1956年新中國第一辆汽车诞生到2018年全国汽车保有量超2.3亿辆，我国汽车制造产业经历了急速发展的62年。与之对应的是车辆安全法规研究相对滞后，1999年我国推出实施了“关于正面碰撞乘员保护的设计规则”（CMVDR294）[1];2006年由国内检测机构参考国际汽车行业的碰撞安全法规推出了非强制性标准—C-NCAP碰撞评价体系，至此国内各大主机厂开始加大汽车安全性的投资力度。2017年由中国汽车工程研究院与中保研汽车技术研究院联合发布了中国保险汽车安全指数（简称C-IASI）2017版，C-IASI充分融合了国际先进经验并结合中国汽车安全技术现状，是目前国内对汽车各项安全技术要求最严苛的测试评价体系。更严格的法规意味着更高标准要求，必然对现有汽车安全设计产生深远的影响。

2 耐撞性与维修经济性指数

耐撞性与维修经济性指数引用RCAR低速结构碰撞测试规程2.2版和RCAR保险杠测试规程2.0版中的条款，开展车辆低速结构测试以及车辆保险杠测试。车辆低速结构测试分为车辆低速结构正面碰撞试验和车辆低速结构追尾碰撞试验。车辆保险杠测试分为静态测量碰撞测量（车辆100%重叠撞击壁障）目前作为监测项执行。

2.1车辆低速结构测试

在低速结构测试中，正面碰撞车辆用15km/h速度以车辆40%宽度处撞击10°刚性壁障（见图1上），在追尾碰撞中质量为1400±5kg的移动壁障以10°撞击车辆尾部40%宽度处[2]（见图1下）

2.2 耐撞性与维修经济性指数对汽车设计的影响

在耐撞性评价中主要考察碰撞后车辆闭合件间隙，以及底盘结构变形（见图2）。在车辆维修经济性评价中，车辆维修经济性性能评价公式：维修费用/厂商指导价[2]。

维修费用越低则得分越高，因此让车辆保险杠、防撞梁及吸能盒在低速碰撞中起到充分的吸能作用，使纵梁以及车身部分不被损坏，是最合理的设计思路，在总体布置及造型阶段需要把握以下原则[3];

①安全气囊在所有的低速实验中都不起爆;

②设计螺栓连接的可充分吸收碰撞能量的吸能盒结构;

③水箱框架设计成活装结构，方便拆换;

④后备箱门以及尾灯设计合理的高度，避免碰撞中损坏;

⑤合理设计前分缝线，以免低速碰撞中损坏发动机罩盖;

⑥保险杠与翼子板避免刚性连接，合理设计二者分缝线;

在车身设计时要增加前、后防撞横梁的有效宽度及有效高度，增加接触面积使其有效宽度大于车声宽度的85%;防撞梁有效高度与壁障的重叠率应大于75%，尽量使前、后防撞梁中心线高度与壁障保持一致，在碰撞时能充分保护后端零件及覆盖件，使碰撞能量均匀分散至防撞梁，避免外覆盖件受力变形。

防撞梁前、后部设计足够长度及大截面的吸能盒结构，并合理匹配吸能盒与纵梁前后部的刚度，在低速碰撞时能充分吸收碰撞能量，保证纵梁前后端不发生塑性变形。在前后碰撞区范围的高价值零部件计足够的空间，如水箱前预留空间要大，避免将喇叭等零件设计在水箱之前，防止碰撞能量由临近部件传递至水箱导致水箱损坏。后部排气管道（针对燃油车）设计隐藏在防撞梁后面，以免碰撞损坏。

3 车内乘员安全指数

车内乘员安全指数包括正面25%偏置碰撞试验规程、侧面碰撞试验规程、车顶强度试验规程、座椅/头枕静态试验规程、座椅/头枕动态试验规程、前排假人及座椅调节规程、后排外侧假人及座椅调节规程。本节将从正面25%偏置碰撞试验来浅析车内乘员安全指数对汽车设计的影响。

3.1 正面25%偏置碰撞试验

正面25%偏置碰撞试验中车辆以64.4km/h±1km/h 的速度、25%±1%的重叠率（驾驶员侧）正面撞击固定刚性壁障（见图3）。试验车辆驾驶员位置放置一个Hybrid III 50%假人，用于测量碰撞过程中驾驶员的损伤情况[4]。正面25%偏置碰是目前世界上最严苛的碰撞工况之一，其目的是重现和评估车辆前角撞到另一辆车、树木以及电线杆之类的物体时，车身机构减速吸能性能以及对车内乘员的保护情况。

3.2正面25%偏置碰撞试验对汽车设计的影响

在正面25%偏置碰实验中，碰撞侵入量测量值评估中，所有测量点被分为乘员舱下部和乘员舱上部两个区域，对乘员舱下部和乘员舱上部分别进行评级。

正面25%偏置碰撞实验中乘员的伤害主要来自车身结构侵入的伤害，法规主要通过加速度值和各侵入量来衡量整车安全性（见图4），因此在车辆设计中应遵循以下原则：

①前端框架纵梁结构与壁障重叠尽量大，使其能有效降低车辆的速度;

② 前部悬架和驱动部件无严重的失效，例如控制臂、转向节、驱动轴、转向机和车轮;

③ 轮胎不能侵入“铰链柱”，A柱和门槛不溃缩变形;

④ A柱和门槛的不能产生较大变形，防止防火墙、转向管柱方向盘侵入乘员舱;

对于正面25%偏置碰撞其耐撞性能设计主要着重能量的传递与吸收，偏置碰中碰撞力的主要传递路径是沿着与ODB重合的保险杠、吸能盒和前纵梁往后面的车架传递[5]，在车辆与ODB只有25%重叠率的工况下车辆前端吸能结构不能有效降低车速，导致碰撞能量传递至后方乘员舱，对车内乘员造成较大伤害。因此必须构建更加完善的能量传递路径，加强吸能结构。比如设计时增加前防撞横梁的宽度，在防撞横梁的外侧增加斜面支撑，使之与纵梁形成三角结构，或在防撞横梁的外侧增加“碰撞块”，使结构在纵向与壁障串联。

在小偏置碰撞过程中一部分能量会由轮胎向后传递至铰链柱，如果没有设计好能量传递路径和方向就会导致轮胎侵入铰链柱进而压缩车内乘员生存空间，为此可在铰链柱设計能量转移结构。

4 车外行人安全指数

车外行人安全指数包含包含头型冲击试验、柔性腿/上腿型冲击保险杠试验、上腿型冲击WAD775mm试验

其中头型试验包含儿童头型试验和成人头型实验，WAD1000mm到WAD2100mm和左右发动机罩侧面基准线所围起来的区域为头型试验区域;保险杠试验区域（腿型试验区）由保险杠上部基准线、保险杠下部基准线和保险杠角组成[6]。

C-IASI目前将上腿型冲击WAD775mm试验作为监测项，本节将从头型实验和柔性腿冲击保险杠试验分析其对汽车设计的影响。

4.1 头型实验

头型试验采用儿童/成人头型以11.1m/s±0.2 m/s的速度冲击车辆发动机罩等车辆前部结构，测量头部伤害指标，评价指标为HIC15。由于作为广泛评价头部损伤指标的HIC值，在计算时只考虑加速度和作用时间因此在头型试验区域设计时应遵循以下原则;

①头型实验区域内的两侧翼子板刚度不宜过大;

②发动机罩盖试验区域下面要有足够变形吸能空间，发动机罩盖刚度要适中;

③前围上部刚度不宜过大;

④雨刮总成安装结构强度适中;

车辆两侧翼子板上部头型试验区域部分应设计足够的变形空间且刚度不宜过大，以减小试验时头型加速度。发动机罩盖刚度设计不能过大，可采用双层结构，在夹层之间合理运用减震胶，在头部碰撞发动机罩盖过程中机罩机构对头部加速度的影响通过应力波传递[7]，减震胶的合理运用可以有效减小加速度波形的幅值。同时罩盖下面要设计足够空间，如因发动机布置及总体设计所限，可使用主动式发动机罩，在碰撞过程中主动抬高发罩，以减小对行人头部的伤害。

同时针对发动机舱内不同的布置方式可采取对发动机罩盖筋板进行非对称设计[8]，在下端吸能空间适宜且较为固定的区域采用长肋板形状的内罩板结构（如发动机上端较为平整面积较大区域）;在吸能空间充裕的区域采用内罩板结构空缺的结构形式（如发动机周围区域）;在吸能空间不充足的区域采用筋板交叉结构设计。罩盖筋板的非对称设计可以有效减小头型撞击时的HIC值。

4.2 柔性腿型实验

柔性腿型实验中，采用FLEX-PLI 柔性腿型以11.1m/s±0.2 m/s 速度冲击车辆前保险杠，测量腿部伤害指标。在第一接触时刻，柔性腿型的底端距地面基准平面高度为75 mm±10 mm[9]（见图5）。

柔性腿型主要考察胫骨弯矩的得分取T1、T2、T3、T4 中最差的得分。韧带伸长量的得分：当ACL/PCL（前/后交叉韧带伸长量）小于限值，得分根据MCL（内侧副韧带伸长量）的限值进行评分，高低性能值见表1。在针对柔性腿型设计时要注意以下要点;

①在柔性腿型测试区域相关组件硬度降低;

②保险杠与前防撞横梁之间要预留足够空间;

③在腿型胫骨碰撞接触区域的蒙皮格栅后面要有均匀吸能承载件;

④在膝盖韧带碰撞接触区域的蒙皮格栅的外表面要连贯无突变;

碰撞中影响行人腿型的车辆前端装置包括：前保险杠、前大灯、前横梁及吸能装置、下支撑、发动机罩等。对小腿伤害影响最大的是前横梁吸能装置和下支撑，吸能装置位于防撞横梁前端，主要作用是吸收腿型撞击的能量同时会影响腿型姿态，下支撑位于横梁下段，安装在水箱下横梁前段，其作用是影响腿型运动姿态[10]。

膝部韧带伸长量与膝部上部与下部相对运动有关，在设计车辆前部结构时在车辆碰撞点中间格栅位置应适当降低吸能承载件刚度，增加膝关节下部侵入量来减小膝部韧带拉伸量。在车辆两侧前大灯测试区域，应降低大灯安装点刚度，使膝关节上部有一定侵入量以改善膝部韧带拉伸量。

车辆前端与胫骨接触位置结构刚度对筋骨弯矩值影响较大，设计时要采用低密度前保险杠泡沫或低硬度塑料吸能件，避免因刚度过大导致弯矩超标[11]。

5 车辆辅助安全指数对汽车设计的影响

自动紧急制动系统为车辆辅助安全指数的一个试验工况，试验规程引用IIHS 中“Autonomous Emergency Braking Test Protocol.Version 1”（2013 版）编制。试验工况分为FCW 功能测试和AEB 功能测试，FCW 功能测试包含72km/h±1.6km/h 的速度对静止目标车、低速目标车和减速目标车的测试工况;AEB 功能测试包含20km/h±1km/h 和40km/h±1km/h 对静止目标车的测试工况，采集目标车车速、主车车速、两车横向距离、两车纵向距离、横摆角速度、FCW 报警时刻等数据[12]。

自动紧急制动系统（AEB）技术能有效预防因为车辆最追尾而造成的交通事故，是车辆主动安全领域的热点技术。AEB系统利用传感器感知车辆环境信息，结合本车运动状态，判断危险程度。当车辆存在碰撞风险时，AEB可以及时给予驾驶员提醒。紧急情况下AEB能主动控制车辆速度，避免碰撞或减轻碰撞的程度，从而减少事故的发生和损失。因此在车辆设计之初应该考虑配备AEB，以提高车輛主动安全性能。

6 总结

本文通过分析C-IASI的耐撞性与维修经济性、车内乘员安全、车外行人安全、车辆辅助安全四项指数实验规程及评价标准，反向阐述了车辆设计开发时应对方案，C-IASI作为目前国内标准要求最高的安全法规，对推动我国汽车安全技术升级有及重要的意义。更严苛的法规要求对应更先进的设计方法和更高的安全设计标准，将直接影响汽车安全各方面的设计。

参考文献：（Reference）

[1]朱西产.（2001）.实车碰撞试验法规的现状和发展趋势.汽车技术（4）.

[2]中国保险汽车安全指数规程，第1部分：耐撞性与维修经济性指数（2017版）

[3]Rcar Design Guide[R].Version 1.1 Rcar，August 2008

[4]中国保险汽车安全指数规程，第2部分：车内乘员安全指数 正面25%偏置碰撞试验规程（2017版）

[5]黄政平.（2011）.汽车正面偏置碰撞安全性研究.（Doctoral dissertation，湖南大学）.

[6]彭坤.（2019）.基于中日欧新车评价规程的行人保护试验差异对比.中国汽车工程研究院

[7]张轶川，朱西产，& 苗强.（2010）.发动机罩减震胶的行人保护作用分析.汽车工程（4），293-298.

[8]李景涛，刘卫国，张金换，& 赵福全.（2013）.有利于行人保护的非对称式发动机罩盖的设计.汽车安全与节能学报，4（2），142-151.

[9]中国保险汽车安全指数规程，第3部分：车外行人安全指数 行人保护试验规程（2017版）

[10]吕铖玮，杨海燕，吕晓江，周大永，& 刘卫国.（2013）.行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计.汽车安全与节能学报（3），266-272.

[11]刘卫国，吕晓江，谷先广，卢冬梅，周大永，& 孙立志.（2015）.基于euro-ncap评价规程行人柔性腿型碰撞试验.汽车安全与节能学报，6（2），128-133.

[12]中国保险汽车安全指数规程，第4部分：车辆辅助安全指数 自动紧急制动系统试验规程（2017版