小偏置碰撞中膝盖-大腿-髋部伤害风险解析

张俊南 Zhang Junnan

小偏置碰撞中膝盖-大腿-髋部伤害风险解析

张俊南
Zhang Junnan

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

KTH（Knee-Thigh-Hip injury criteria，膝盖-大腿-髋部伤害风险）是25%小偏置碰撞中评价腿部伤害的主要指标之一。解析KTH的计算方法和评价办法，通过大量测试结果和假人标定结果，分析影响驾驶员KTH的主要因素，为试验结果的评价、分析以及车辆结构开发提供支持。

小偏置碰撞；KTH；计算方法；评价方法；影响因素

0 引 言

随着安全带和安全气囊的应用越来越多，更多乘员得以在严重的车祸中幸存；但是许多正面和正面偏置碰撞会导致下肢伤残，虽然对生命威胁较小，但会长久对生理、心理产生不良影响，其中膝盖-大腿-髋部的综合性损伤在所有下肢严重损伤中占比50%[1]。

尽管膝盖-大腿-髋部的综合性损伤在正面碰撞中发生的比例较高且带来高昂的社会成本，但人们对此的关注度并不高。目前主流的试验标准中，只有IIHS(Insurance Institute for Highway Safety，美国公路安全保险协会)和 C-IASI（中国保险汽车安全指数）采用KTH（Knee-Thigh-Hip injury criteria，膝盖-大腿-髋部伤害风险）来评价乘员膝盖和大腿受到的伤害。

1 KTH伤害风险

KTH是一个对膝盖、大腿、髋部伤害进行综合评价的指标，采用百分比（%）来表示。KTH伤害风险通过力的峰值和力的冲量组合方式来综合评估膝盖、大腿、髋部的受伤风险，同时考虑力的峰值和力的持续时间[2]。表1列出了HIII-50%假人在风险边界3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、75%下的低限值力、力的冲量和高限值力。

表1 KTH损伤评估界限

注：-为试验标准中未做要求。

为了计算膝盖端和髋部的伤害风险，Rupp等[3]在2009年KTH损伤标准中通过计算和比较确定了KTH总体受伤风险，建立了伤害风险曲线。

1.1 HIII-50%假人膝盖端伤害风险

HIII-50%假人膝盖端的高限值力受伤风险曲线[4]479如图1所示，计算公式为式（1）、式（2）。

femur=1-e-a（1）

=e（（lnF-2.514）/0.261 1）（2）

式中：femur为膝盖端伤害风险，%；为HIII-50%假人大腿轴向力，kN。

图1 膝盖端力风险曲线

1.2 HIII-50%假人髋部低限值力伤害风险

HIII-50%假人髋部的低限值力伤害风险由式（3）[4]482得出，反映的是累积正态分布，其与髋部受力、身高、髋部角度等因素有关。

式中：hip-force为髋部低限值力伤害风险，%；为累计正态分布；为乘员身高，cm；为髋关节弯曲角度，°；为髋关节外展角度，°；为膝盖撞击试验中，实体试验和HIII-50%假人试验的转换系数；为HIII-50%假人大腿轴向力，kN。

按照HIII-50%假人身高178 cm，正常姿态下，髋关节弯曲30°、外展15°，转换系数=0.712 6，代入式（3），得到50百分位假人髋部受力伤害风险曲线如图2所示。

图2 髋部力风险曲线

1.3 HIII-50%假人髋部力的冲量伤害风险

对于HIII-50%假人髋部力的冲量伤害风险，通过HIII假人仿真和实体试验得到，Kuppa[5]通过拟合边界风险值，得到其风险曲线，如图3所示，计算公式为式（4）。

式中：Phip-impulse为髋部力的冲量伤害风险，%；I为假人髋部力的冲量，Ns。

1.4 KTH伤害风险评价方法

KTH伤害风险评价由低限值力、力的冲量和高限值力3部分组成，其中通过低限值力和力的冲量对髋部（hip）伤害风险进行评价，通过高限值力对股骨远端（femur）伤害风险进行评价，见表1。

膝盖端受力伤害风险、髋部受力伤害风险和髋部力冲量伤害风险分别由式（1）、式（3）和式（4）计算得到，其中髋部伤害风险由髋部受力伤害风险和髋部力冲量伤害风险中较小的一个确定，KTH总风险由膝盖端风险和髋部风险中较大的一个确定，其判定公式如式（5）。

KTH=Max[Min(hip-force,hip-impulse),femur] （5）

式中：KTH为KTH总体风险，%；hip-force为HIII-50%假人髋部低限值力伤害风险，%；hip-impulse为HIII-50%假人髋部力的冲量伤害风险，%；femur为HIII-50%假人膝盖端伤害风险，%。

以4组力和力的冲量组合为例进行KTH伤害风险评价方法说明，这4个组合分别为A（5 000 N，140 Ns）、B（7 000 N，130 Ns）、C（6 000 N，110 Ns）、D（9 000 N，100 Ns），结果分布如图4所示。

对于A组合，将大腿压缩力5 000 N代入式（1）、式（2），得出股骨远端伤害风险femur为3.1%，将大腿力5 000 N代入式（3），得出髋部力的伤害风险hip-force为2.7%，将大腿力的冲量140 Ns代入式（4），得出冲量的伤害风险hip-impulse为27.9%，髋部风险hip取hip-force和hip-impulse中的较小值为2.7%，KTH总风险取femur和hip中的较大值为3.1%，则组合A的最终KTH伤害风险为3.1%，作用在股骨远端（femur）。组合B、C、D以此类推，KTH风险评价见表2。

图4 4种组合的结果分布

表2 A、B、C、D的KTH风险评价结果

2 KTH伤害风险的影响因素

2.1 结构因素

根据IIHS和C-IASI标准，对A柱上铰链、A柱下铰链、门槛、上仪表板、转向管柱、左下仪表板、搁脚板、制动踏板、左侧足板等进行侵入量测评，测评结果见表3，并分别对乘员舱上部、下部进行评价。若上部或下部侵入量全部位于优秀区域，则该区域结构评价为优秀。若侵入量测量值在不同评级区域，则结构评价为测量值位于区域最多的一级。若一半在同一个区域，另一半在另一个区域，则结构评价为较低区域等级。总体评价取乘员舱上部、下部较差结果。

根据IIHS和C-IASI标准，KTH评价分为优秀、良好、一般、较差4个等级，计算结果根据表4进行评价。

选取60款车型，包括小型轿车、中型轿车、大型轿车及多用途乘用车，就IIHS、C-IASI标准中要求的结构测试结果对KTH伤害风险的影响进行分析。60款样车以64 km/h速度进行25%偏置碰撞，其中有9款样车的驾驶员膝盖、大腿、髋部有可能会受到伤害，占总车型数量15%。同时，从表5可以看到，当驾驶员受伤风险指标KTH取值非优秀时，车辆的结构评价也非优秀。

表3 结构评价表 cm

表4 KTH伤害风险评价

表5 车型试验结果

对于结构评价良好及以下（包括良好）的车辆，驾驶员KTH取值为非优秀的车辆占比20%；对于结构评价及格及以下（包括及格）的车辆，驾驶员KTH取值非优秀的车辆占比26%；对于结构评价差的车辆，驾驶员KTH取值非优秀的车辆占比47%，如图5所示。

由此可以得出，在64 km/h、25%偏置碰撞工况下，驾驶员KTH值与车辆结构有关，当车辆结构评价为差时，驾驶员膝盖、大腿和髋部受伤的风险较高。

图5 KTH结果分布

大量试验资料显示，在25%小偏置碰撞中，膝盖与仪表板接触的位置主要集中在以上仪表板结构点（UPPER DASH）的向为基准的一条竖直线上，如图6所示。

图6 膝盖与仪表板接触位置

仪表板总成安装在仪表板横梁上，仪表板横梁通过螺栓等固定方式连接到车身上，侧面的固定位置通常位于前门框内侧，如图7所示。

由于仪表板横梁两侧与车身的固定形式为刚性连接，因此在25%小偏置碰撞中，发生在碰撞侧门框上的变形会引起仪表板横梁固定点的位移，从而导致仪表板总成发生位移，如图8所示。

图7 仪表板横梁固定形式

图8 试验后仪表板横梁固定点状态

选取上述车型中结构评价为差的车型，对比试验后上仪表板结构点（UPPER DASH）和A柱上铰链结构点（Upper Hinge Pillar）的向位移、上仪表板结构点（UPPER DASH）和A柱下铰链结构点（Lower Hinge Pillar）的向位移，如图9所示。两条曲线越接近，表示变形量越接近[6]。通过对比发现，上铰链处的位移对上仪表板结构点（UPPER DASH）的位移存在较大影响，这是由于仪表板横梁两端的固定点通常位于前门框偏上部。

图9 上、下铰链与上仪表板变形量对比

由以上分析可知，驾驶员膝盖、大腿和髋部的受伤风险与车辆的具体结构有关，门框上铰链处侵入量过大，会引起乘员舱内仪表板侵入量增大，从而增大驾驶员受伤的风险。

2.2 接触位置因素

KTH伤害指标考察的本质是力和力的持续时间，为了研究接触位置对大腿力、膝盖滑移的影响，对HIII-50%假人腿部进行冲击试验[7]。在撞锤质量、刚度、释放高度不变的条件下，调整撞锤与腿部在方向的接触位置，如图10所示。

图10 腿部撞击位置

撞锤完全撞击膝盖位置，试验结果显示膝盖和小腿之间基本没有滑动，大腿压缩力相对较大，达到10.2 kN，膝盖滑移基本没有，仅为0.5 mm，如图11所示。

图11 撞击膝盖位置试验结果

撞锤撞击小腿位置，试验结果显示小腿与膝盖之间发生明显滑移，大腿压缩力和膝盖滑动位移几乎同时在第36 ms出现，膝盖滑移较大，达到13.7 mm，大腿压缩力相对较小为2.0 kN左右，如图12所示。

图12 撞击小腿位置试验结果

对车型1进行分析，进行64 km/h小偏置工况碰撞后，膝盖滑移和大腿压缩力的表现为：大腿压缩力在76 ms时开始响应，在91 ms达到峰值6.0 kN，大腿力冲量为60.1 Ns，膝盖滑移量仅为1.2 mm，如图13所示。大腿压缩力相对较大，膝盖和小腿之间基本没有滑移，这是因为膝盖先接触仪表板，根据前文介绍的算法和评价方法，将大腿力6.0 kN代入式（1）、式（2），得出股骨远端(femur)伤害风险femur为6.1%，将大腿力6.0 kN代入式（3），得出髋部力的伤害风险hip-force为15.9%，将大腿力的冲量60.1 Ns代入式（4），得出冲量的伤害风险hip-impulse为0,将计算得到的伤害风险代入式（5），得出KTH综合风险为6.1%，根据IIHS和C-IASI评价办法，评价为良好。

对车型2进行分析，进行64 km/h小偏置工况碰撞后，膝盖滑移和大腿压缩力的表现为：大腿压缩力和膝盖滑移同时在72 ms时开始响应，膝盖和小腿之间有明显滑移，在97 ms时达到峰值 18.7 mm，大腿压缩力相对较小，在97 ms时达到峰值5.0 kN，大腿力冲量为107.9 Ns，如图14所示。此种情况为小腿先接触仪表板，根据前文介绍的算法和评价方法，将大腿力5.0 kN代入式（1）、式（2），得出股骨远端(femur)伤害风险femur为3.1%，将大腿力5.0 kN代入式（3），得出髋部力的伤害风险hip-force为2.7%，将大腿力的冲量107.9 Ns代入式（4），得出冲量的伤害风险hip-impulse为3.9%,将计算得到的伤害风险代入式（5），得出KTH综合风险为3.1%，根据IIHS和C-IASI评价办法，评价为优秀，但由于膝盖滑移过大，膝盖滑移评价为差，最终腿部总体评价为差。

图13 车型1大腿压缩力、膝盖滑移曲线

通过以上分析可知，当膝盖直接接触仪表板时，大腿压缩力较大，膝盖滑移较小；当小腿先接触仪表板时，大腿压缩力和膝盖滑移几乎同时出现，且膝盖位移量较大，大腿压缩力相对较小。

2.3 仪表板刚度因素

为了研究接触物刚度对大腿压缩力和膝盖滑移的影响，对HIII-50%假人腿部进行冲击试验。在撞锤质量、释放高度、撞击位置不变的条件下，改变撞锤表面刚度，试验结果如图15所示[8]。

图15 撞锤刚度改变后大腿压缩力、膝盖滑移对比

撞锤表面刚度变化对HIII-50%假人大腿压缩力和膝盖滑移量有显著影响，刚度越大，相同能量的撞击引起的大腿压缩力和膝盖滑移量越大。

对车型3进行分析，进行64 km/h小偏置工况碰撞后，车辆结构评价为良好，KTH值为良好，大腿压缩力和膝盖滑移在72 ms左右同时出现响应，大腿压缩力在81 ms达到峰值5.7 kN，膝盖滑移量峰值为7.5 mm，如图16所示。

图16 车型3大腿压缩力、膝盖滑移曲线

该车型结构点的侵入量十分接近优秀，不存在侵入量过大问题，查看车辆试验后状态，膝盖、小腿都有接触仪表板的痕迹，但并未对仪表板产生破坏，仪表板背面无尖锐结构，如图17所示。结合IIHS、C-IASI评价标准以及前文所述KTH计算方法，判断仪表板刚度过大引起大腿压缩力超标，从而导致KTH结果未能达到优秀。

图17 试验后仪表板状态

对于结构评价良好以上（包括良好）车型，共计29款，KTH取值为非优秀的车型仅有1款，占比为3%，如图18所示。

图18 KTH非优秀车型占比（结构:优秀~良好）

由分析可知，大腿压缩力和膝盖滑移量受仪表板刚度的影响，仪表板刚度过大，会引起大腿压缩力过大，导致伤害风险增大。

3 结 论

对25%小偏置碰撞中假人伤害评价指标KTH值进行解析，给出KTH的计算方法和评价方法，为试验结果的评价和研究提供支持。

通过试验数据和实例分析，分析25%小偏置碰撞中影响乘员KTH的主要因素，为车身结构开发提供支持。

（1）结构因素，车辆结构对驾驶员KTH值有较大影响，结构评价为差的车辆所对应的驾驶员膝盖、大腿和髋部伤害风险较高；

（2）接触位置因素，仪表板与腿部的接触位置会影响KTH值，仪表板与膝盖接触，则大腿压缩力较大，膝盖滑移量小；仪表板与小腿接触，则大腿压缩力相对较小，膝盖滑移量大，有可能造成膝盖滑移量超标，导致腿部整体评价不理想；

（3）仪表板刚度因素，仪表板刚度会影响KTH值，刚度越大，大腿压缩力、膝盖滑移量越大，膝盖、大腿和髋部的伤害风险越高。

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A

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2020-06-03