SUV-载人摩托车事故中摩托车驾乘人员的损伤研究

许倩源， 周 华,2， 杨长海， 陈 佳， 侯彦巧， 车瑶栎

(1.西华大学汽车与交通学院，成都 610039； 2.汽车测控与安全四川省重点实验室，成都 610039； 3.苏宁置业集团有限公司，成都 620860；4.成都农业科技职业学院，成都 610039)

摩托车因其行驶便捷性，使其成为发展中国家中小型城市和农村等地区的一种主要交通工具，占居民总出行量的25%以上，载人现象盛行，载人摩托车事故为常见摩托车事故类型[1].2015年我国发生摩托车交通事故37 608起，占总道路交通事故的21.03%[2].2017年我国发生摩托车交通事故39 780起，占总道路交通事故的19.59%[3].摩托车驾乘人员作为弱势道路使用者，与车辆碰撞易受到严重损伤，故对驾乘人员的损伤研究具有重要意义.

国外学者Guo等作者[4]对两起汽车-摩托车事故进行重建，分析了摩托车驾驶人和乘客在碰撞过程中的运动形态及受力情况.Huijbers和Janssen研究发现碰撞速度对驾驶人损伤程度影响最大[5].摩托车载人现象在发达国家较少，因此国外学者对载人摩托车事故进行系统深入研究较少[6].国内学者黄伟等作者[7]统计分析了重庆市135起摩托车事故，结果显示：死亡人员中行人占20.69%，摩托车驾驶人占59.31%，乘坐人占20%；死亡人员损伤部位统计表明，65.52%的死者头部遭受损伤，95.17%的死者四肢受伤，上肢与下肢发生骨折的比为1∶2.1.王兴华等作者[8]研究表明头部和下肢在交通事故中是最易受伤的部位，最主要的致命因素为头部损伤，占弱势道路使用者致命损伤的80%.张乾懿等人统计结果显示载人摩托车事故占总摩托车事故28%，16～24岁之间的摩托车驾驶人载人现象更普遍[9].摩托车与汽车迎面碰撞事故中摩托车及其驾驶人损坏和损伤最为严重[10].

目前国内外学者对摩托车事故的研究现状，主要是较为宏观的统计和损伤分析，对载人摩托车事故驾乘人员的动力学响应研究较少.2015～2017年我国乘用车中SUV的占有率达到25%～30%，并呈逐年增加的趋势，人和二轮车与SUV车辆发生碰撞时的死亡率远大于普通轿车，SUV在前部结构上(保险杠高度、车头长度和重心高度等)与轿车、厢式客车等有显著差异，事故中驾乘人员损伤特点也有明显差异[11].鉴于此，本研究从国家车辆事故深度调查体系(NAIS)中选取一例符合载人摩托车与SUV迎面碰撞事故类型的案例，利用Pc-Crash软件建立碰撞模型并展开仿真试验，对驾驶人和乘客的头部损伤进行对比研究，为摩托车驾驶人和乘客损伤分析与保护以及摩托车交通安全管理提供参考.

1 模型建立与验证

PC-Crash仿真软件在道路交通事故鉴定中应用非常广泛，其实用性及有效性已得到国内外学者的充分证明[12].为确保事故重建的准确性，应使驾乘人员损伤情况在事故重建获得的损伤数据中得到解释，车辆变形痕迹在仿真中得以体现.

1.1 案例详情

如图1所示，2018年2月19日，12∶30.丰田普拉多沿省道303线由小金县向成都方向行驶，行驶至小金县省道303线某路段，与对向占道行驶的载人摩托车迎面相撞，造成了摩托车驾驶人死亡及乘客重伤的重大交通事故.

图1 事故现场图

1.2 模型建立

对涉案的摩托车、摩托车驾驶人及乘客、SUV，利用PC-Crash软件建立碰撞模型，并用事故相关数据验证模型的有效性.

首先根据交警采集的事故现场资料，利用CAD绘制事故现场图，将该图导入PC-Crash软件中，由事故现场实际情况按比例进行缩放.SUV选取Toyota-4Ru刚体模型，SUV参数通过车辆识别代号及型号查询、事故车辆具体尺寸可得，以此调整SUV模型参数.摩托车、驾驶人、乘客选取PC-Crash软件中自带的多刚体模型.根据交警提供的资料获得驾驶人和乘客信息，驾驶人身高175 cm,体重70 kg；乘客身高160 cm,体重60 kg.利用PC-Crash软件对载人摩托车模型根据事故数据进行缩放.

根据《典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定》[13]，仿真试验时，设人与车之间的摩擦因数为0.45，人、摩托车与路面间的摩擦因数为0.6，SUV与路面间的摩擦因数为0.7.根据询问笔录可知，SUV碰撞时刻速度约为60 km/h左右，摩托车超速行驶.再由文献[14]中提出的方法对涉案车辆的车速及碰撞位置进行预估.

1.3 模型验证

仿真结果表明，当SUV车速为56 km/h、摩托车车速为45 km/h时，摩托车、驾驶人、乘客的仿真抛距值分别为12.93、17.72、10.61 m，与事故现场实际抛距比较误差均小于5%，仿真模型能与实际情况很好吻合.在图2和图3中，通过对比分析，摩托车、SUV的损坏情况能在仿真中得到合理解释.驾乘人员的各部位损伤仿真值如表1所示，驾驶人头部、胸部、大腿、左小腿损伤达到耐受极限，其中胸部和头部的严重损伤是造成驾驶人死亡的直接原因.乘客左大腿、小腿发生严重损伤.以上车辆及人员情况与国家车辆事故深度调查体系(NAIS)中记录的信息一致，模型的有效性得到验证.

图2 t=6 ms时的碰撞对应关系

图3 t=150 ms时的碰撞对应关系

表1 摩托车骑车人和乘客的损失分析

2 仿真方案设计

将SUV纵轴旋转到摩托车纵轴位置转过的角度记为碰撞位置角θ(0o≤|θ|≤90o)，以θ的正负表示旋转方向，顺时针记为负，逆时针记为正.θ的取值决定摩托车与SUV碰撞时的相对位置，如图4所示，定义当-30°≤θ≤30°时为迎面碰撞.

图4 碰撞位置角

冉启林等作者[19]对NAIS中的24例摩托车事故的统计分析结果显示：16例摩托车碰撞车速在10～35 km/h之间，18例汽车碰撞车速在30～70 km/h之间.文献[20]中统计表明,90%的汽车-摩托车事故中汽车的速度在37～72 km/h之间.

为研究碰撞位置角、碰撞速度对摩托车驾驶人和乘客损伤影响规律，SUV碰撞时刻速度设定5组：30、40、50、60、70 km/h，摩托车速度设定6组：10、15、20、25、30、35 km/h.根据θ的取值将仿真试验分为5组进行，设θ为-30°、-15°、0°、15°、30°.

3 仿真结果与分析

摩托车驾乘人员损伤主要来自与汽车和路面碰撞所致，头部损伤值取驾乘人员与汽车或路面撞击中的最大值.

3.1 摩托车驾乘人员的动力学响应过程

表2为不同时刻驾乘人员与SUV碰撞后的动态响应状态.当碰撞位置角为30°时，两人随摩托车逆时针旋转从SUV左侧抛出，未与SUV发生碰撞；当碰撞位置角为15°时，驾驶人头、胸、腹与发动机盖碰撞，乘客沿驾驶人背部向前滑移，头部与发动机盖轻微碰撞，随后两人从SUV左侧腾空抛出；当碰撞位置角为0°时，驾驶人快速撞向发动机盖之后向上爬升一段距离，乘客沿驾驶人冲向发动机盖但未发生碰撞，随后驾驶人沿前保险杠滑下，乘客抛向空中四肢大幅摆动；当碰撞位置角为-15°时，驾驶人上半身与发动机盖碰撞，乘客头部与发动机盖靠近风窗玻璃处轻微碰撞，随后乘客以比驾驶人更高的抛高抛出，乘客先落在发动机盖再坠向地面；当碰撞位置角为-30°时，两人从左侧与发动机盖发生碰撞，随后驾驶人沿发动机盖下滑，乘客抛向空中，四肢摆幅较大，落向发动机盖并从发动机盖右侧坠向地面.

表2 不同时刻驾乘人员与SUV碰撞后的动力学响应状态

3.2 碰撞位置角、摩托车车速对驾乘人员损伤影响

SUV车速一定(50 km/h)，研究碰撞位置角θ及摩托车车速对摩托车驾乘人员的损伤影响.

图5为摩托车车速与驾驶人、乘客头部HIC值的关系对比曲线.该图显示，两人头部HIC值随摩托车速度的增加而增大.当摩托车车速达到约22 km/h时，驾驶人的头部受到致命损伤的概率较高.乘客头部HIC值受摩托车车速影响较小，其头部损伤未超过耐受极限.

图5 驾乘人员头部HIC值与摩托车车速的关系

图6为碰撞位置角θ与摩托车驾驶人、乘客头部损伤的关系对比曲线.该图表明，乘客头部损伤受碰撞位置角θ的影响比驾驶人小.驾驶人头部损伤随θ由-30°到30°的变化过程中：摩托车车速由10 km/h到20 km/h时，头部损伤逐渐减小；车速25 km/h到35 km/h时，驾驶人头部HIC值先减小后增大.驾驶人在θ为-15°时头部损伤最小，分析得出，其原因可能是在此碰撞位置驾驶人髋部先与发动机罩前沿碰撞消耗了一部分碰撞能量所致.

图6 驾乘人员头部HIC值与碰撞位置角的关系

3.3 碰撞位置角、SUV车速对驾驶人与乘客各部位损伤影响

摩托车车速一定(20 km/h)，研究碰撞位置角θ及SUV车速对驾乘人员的头部损伤影响.

图7为SUV车速与摩托车驾驶人、乘客头部HIC值的关系对比曲线.该图表明，两人头部HIC值随SUV车速增大而上升，驾驶人的头部损伤大于乘客.当-30°<θ<15°时，驾驶人头部HIC值受SUV速度影响较大，SUV速度达到约44 km/h时，时头部损伤达到耐受极限.当θ=30°时，迎面碰撞时间较短，驾驶人逆时针方向抛出未与SUV碰撞，头部HIC值受SUV车速影响较小.乘客在设定的任意碰撞位置角头部HIC值受SUV车速影响均较小，不会受到严重损伤.

图7 驾乘人员头部HIC值与SUV车速的关系

图8为碰撞位置角θ与摩托车驾驶人、乘客头部HIC值的关系对比曲线.两人头部损伤随θ由-30°到30°的变化过程中呈逐渐减小的趋势.驾驶人头部损伤在SUV速度大于50 km/h时受θ的变化影响较大，当-30°<θ<15°时，驾驶人头部损伤均达到耐受极限.乘客头部损伤受θ影响较小，随角度变化头部HIC值有较小波动，未受到严重损伤.当θ=30°时，驾驶人和乘客逆时针方向抛出，两人运动状态相似均未与SUV碰撞，碰撞时间较短获得碰撞能量较小，两人头部未遭受致命损伤.

图8 驾乘人员头部HIC值与碰撞位置角的关系

3.4 讨 论

摩托车驾乘人员头部HIC值均随碰撞速度增加而增大，驾驶人比乘客头部损伤更易受碰撞速度影响.

1)当-30°<θ<15°时，驾驶人头部损伤主要来自与发动机罩盖碰撞所致.

2)当θ=30°时，驾驶人头部损伤来自与地面碰撞，在该碰撞位置摩托车车速与SUV车速对驾驶人头部损伤影响差异性较大.分析得出，其原因是摩托车与SUV碰撞时间较短，SUV速度增加难以使驾驶人获得较大碰撞能量，而摩托车速度增大时，驾驶人动能随之增加.

3)乘客的头部HIC值在各个碰撞条件下均较低，分析得出，其原因是在碰撞时，乘客首先与驾驶人发生一次碰撞消耗一部分碰撞能量，接着与发动机罩盖碰撞时，驾驶人与发动机盖先碰撞对乘客具有一定缓冲作用，故乘客头部损伤较小.

4 结 论

1)当SUV车速一定时，摩托车驾乘人员头部HIC值随摩托车车速的增加而变大，驾驶人比乘客头部更易受到损伤.碰撞位置角θ对乘客的头部损伤影响较小；当摩托车车速大于15 km/h时，碰撞位置角θ对驾驶人头部损伤较大，驾驶人遭受致命损伤的概率较高.

2)当摩托车车速一定时，两者头部HIC值随SUV车速增加而变大.当-30°<θ<15°时，驾驶人头部损伤受SUV车速影响远大于乘客.随θ由-30°变化到30°，驾驶人头部损伤逐渐减小，且其头部损伤受θ影响大于乘客.

3)更多不同的碰撞类型、车型对载人摩托车事故中驾驶人、乘客的损伤影响有待进一步研究.