基于乘用车内部凸出物试验测评方法研究

2021-04-02武永强刘培伟娄磊

时代汽车 2021年4期

武永强　刘培伟　娄磊

摘要：目前，国内外有关汽车内部凸出物试验的标准中均只将假人头部作为参考指标;而正面碰撞法规和C-NCAP（2021版）中均将假人的头、颈、胸、骨盆、腿等部位损伤值作为衡量汽车安全性能优劣的重要评价指标。本文通过滑台碰撞试验方法，对汽车内部凸出物试验测评方法进行研究;结果显示：假人的头、颈、胸、腿部均受到不同程度的损伤;尤其是95th假人的骨盆位移量过大，造成假人下半身受到损伤更为严重。因此，本文建议乘用车内部凸出物试验测评方法中，应适度考量假人多个部位及其损伤指标，旨在不断完善我国汽车安全标准体系，进一步提升汽车安全性能，更好地保护驾乘人员的乘车安全。

关键词：内部凸出物滑台碰撞假人损伤测评方法

Research on Test and Evaluation Method Based on Interior Fittings of Passenger Car

Wu Yongqiang Liu peiwei Lou Lei

Abstract：At present， the standard of interior fittings test at home and abroad only regards the dummy head as the assessment index. However， the head， neck， chest， pelvis， leg and other parts of the dummy are taken as important evaluation indexes to evaluate the safety performance of vehicles in frontal crash regulations and C-NCAP （version 2021）. In this paper， the dynamic test and evaluation method of vehicle interior fittings is studied by the sled crash test method， the results show that the head， neck， chest and legs of the dummy were damaged in different degrees; Especially， the pelvic displacement of 95th dummy is too large， which makes the lower body of the dummy more seriously damaged. Therefore， it is suggested that multiple parts of the dummy and its damage index should be considered appropriately in the test and evaluation method of passenger car interior fittings， so as to continuously improve the automobile safety standard system in China， further improve the vehicle safety performance， and better protect the safety of drivers and passengers.

Key words：interior fittings; sled crash; dummy injury; evaluation method

1 前言

汽车内部凸出物试验动态确定的头部碰撞区域试验目的主要是验证气囊、安全带等约束系统能否对车内乘员进行有效的约束，防止汽车碰撞过程中车内的尖锐部件对乘员造成额外伤害。

目前，国内外汽车内部凸出物相关试验标准中，只考核汽车仪表板等内饰部件能否豁免假人的头部发生接触，对头部的损伤值及其它部位的损伤均未提及[1]。然而，在现行的C-NCAP评价体系中均将假人的头、颈、胸、骨、腿等部位的损伤值作为衡量汽车安全性能优劣的重要参考指标[2]。此外，基于多种车型、多种工况下的动态内凸试验大数据统计，内凸试验中所用碰撞测试假人通常选较为严苛（身材较大、体重较重）的95th男性假人做为考核对象;相比于50th假人，95th假人对汽车安全约束系统的要求会更加严苛。因此，在汽车动态内凸试验中，研究95th假人多个部位的损伤很有必要，这不仅为了最优地保护较大驾乘人员的乘车安全，也为各企业优化汽车约束系统和内饰设计提供了重要的指导意义。

本文依据C-NCAP评价体系和正面碰撞相关标准，通过滑台碰撞的方法，对乘用车内部凸出物试验测评方法进行研究。以身材较大、体重较重的95th假人为研究对象，重点分析研究95th假人的头部3ms合成加速度、颈部弯矩My、胸部压缩量、骨盆位移量、腿部力等部位损伤值，旨在不断提升我国汽车安全性能，降低交通事故伤亡;同时，也为进一步完善乘用车内部凸出物试验测评方法提供强有力的数据支撑和技术支持。

2 內凸试验现行测评方法及问题简述

汽车内部凸出物试验主要是考核在安全带、气囊等约束系统的作用下，乘员的头部是否与仪表板发生接触。若试验中假人的头部与仪表板没有发生接触，则认为汽车的仪表板能够豁免乘员头部发生碰撞，只需满足仪表板上下分界线以上区域能被直径为165mm的球头接触到的部位可被倒圆;若乘员头部与仪表板发生接触，则要先确认碰撞点，再划定碰撞区，在划定的碰撞区内进行静态的吸能、圆角等试验加以验证。

虽然在安全带、气囊等安全约束系统的作用下，假人的头部已很难与仪表板等部位发生接触[3-4];但是在碰撞加速度和惯性力的共同作用下，假人的颈部、胸部、骨盆、腿部等部位也会受到不同程度的冲击，尤其是腿部会与汽车IP产生二次撞击。试验后假人及汽车仪表内饰状态如图1所示。

然而，现行的乘用车内凸法规中并未对这些部位制订明确的考核要求。简言之，安全带和气囊等约束系统虽然可以有效地避免假人头部与汽车仪表板發生接触，但并没有最优地保护好身材高大驾乘员的乘车安全。

3 滑台碰撞内凸试验测评方法概述

基于CAE仿真分析材料，参考C-NCAP评价体系，通过采集试验后假人重点部位的损伤数值来表征假人的损伤程度，进而探究汽车内凸试验的测评方法。其中，主要是研究分析假人头部、颈部、胸部、骨盆、腿部等部位的损伤特性，进一步完善汽车内凸试验的合格判定标准。

滑台碰撞方法是一种用台车进行的模拟碰撞试验，液压伺服的加速式台车精度高、一致性好。汽车内凸试验滑台碰撞方法示意图如图2所示，一般包括三种不同角度的碰撞工况，分别是：主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞。

本文通过滑台碰撞试验方法，随机统计几款不同车型中95th假人分别在+18°、0°和-18°三种碰撞工况下各位部位的损伤数据。重点分析假人头部3ms合成加速度、颈部弯矩My、胸部压缩量、骨盆加速度和腿部力等损伤指标，来进一步探究汽车内凸试验测评方法，旨在不断完善我国汽车安全标准法规，进一步提升汽车安全性能，降低交通事故伤亡率，更好地保护好驾乘人员的乘车安全。

4 滑台碰撞试验假人损伤分析

4.1 假人头部3ms合成加速度

假人分别在主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞三种内凸试验工况条件下，随机选取4款不同车型的试验数据，95th假人头部3ms合成加速度结果如图3所示。

图3所示的三种内凸试验工况结果均显示，95th假人头部3ms合成加速度的变化趋势基本完全一致，只是峰值有所不同。如主驾+18°碰撞中，95th假人的头部3ms合成加速度最大值分别为58.39g、44.68g、45.10g和61.42g;在-18°碰撞工况下，95th假人的头部3ms合成加速度最大值分别为48.88g、65.24g、51.60g和52.68g;同理，副驾0°碰撞中95th假人的头部3ms合成加速度最大值分别为65.72g、48.03g、66.70g和63.32g。从图中可以得知，假人头部3ms合成加速度并没有出现明显的尖峰，表明由于安全带和气囊等约束系统的保护，可以有效避免假人头部与车内仪表板发生直接接触。这满足了现有内凸试验测评方法中对假人的唯一考核点，即头部与车内仪表板没有硬接触。但结果显示假人的头部3ms合成加速度最大值大多维持在60g左右，相对来说比较大，因此有必要进一步确保头部损伤程度。

4.2 假人颈部弯矩My

假人分别在主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞三种内凸试验工况条件下，随机选取4款不同车型的试验数据，95th假人颈部弯矩My结果如图4所示。

图4所示的三种内凸试验工况结果显示，主驾+18°碰撞工况中95th假人颈部弯矩My均大于副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞工况;如主驾+18°碰撞中，95th假人的颈部弯矩My分别为64.95Nm、47.08Nm、18.95Nm和35.87Nm;副驾-18°碰撞中，95th假人的颈部弯矩My分别为17.90Nm、18.32Nm、13.38Nm和20.25Nm;副驾0°碰撞中，95th假人的颈部弯矩My分别为22.19Nm、20.38Nm、30.49Nm和24.68Nm。这表明了+18°碰撞工况下中假人颈部损伤更为严重。这是由于主驾+18°碰撞工况中，由于受到安全带的约束保护和方向盘存在等影响，限制了胸部向前的运动空间，当假人的胸部与方向盘接触后停止向前运动，但假人头部由于惯性会继续向前运动，致使假人头部相对于躯干部分的弯曲程度继续加大，即颈部弯矩My变大。尤其是对于身体较大、体重较重的95th假人，造成假人的颈部损伤加重。

4.3 假人胸部压缩量

胸部压缩量作为评价乘员胸部伤害程度的重要参考指标，是衡量汽车安全性能优劣的重要依据之一。在C-NCAP评价车型的碰撞损伤数据库中发现，胸部的得分率最低。本文分别在主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞三种内凸试验工况条件下，随机选取4款不同车型的试验数据，95th假人胸部压缩变形量结果如图5所示。

图5所示的三种内凸试验工况结果均显示，95th假人的胸部压缩量在碰撞过程中的变化趋势完全一致，仅峰值存在差异。如主驾+18°碰撞中，95th假人的胸部最大压缩量分别为44.76mm、29.27mm、33.57mm和40.59mm。副驾-18°碰撞中，95th假人的胸部最大压缩量分别为32.46mm、35.24mm、31.46mm、和28.49mm。副驾0°碰撞中，95th假人的胸部最大压缩量分别为48.54mm、38.56mm、53.82mm和39.81mm。参考C-NCAP评价体系及乘用车正面偏置碰撞的乘员保护评价方法及假人损伤指标限值，50th假人胸部高性能值是22mm，低性能值是50mm;由此可见，本文试验结果，胸部表现一般。而且95th假人较于50th更为严苛，以此类比，95th假人胸部在碰撞过程中受伤程度更大。这是由于假人受惯性力作用，在碰撞瞬间继续向前运动;而安全带的肩带和腰带紧紧的将假人束缚在座椅上，对假人胸部产生较大压力，尤其身材较大、体重较重的95th假人胸部向前弯曲的程度更大，致使假人胸部下端溃缩，胸部压缩变形量增大[5-8]。

4.4 假人骨盆位移量

骨盆位移量是衡量汽车安全约束系统对乘员保护效果的重要参考指标之一。通常情况下，假人的骨盆位移量是根据参考坐标点，结合高速录像的方法，通过软件计算得出的，但是受到车身结构及空间的影响，用计算的方法算出骨盆位移量的难度较大且精确度不高[9]。本文试验中在假人骨盆尾椎处安装一个独立的拉线式位移传感器，通过数采系统可以直观地表征骨盆位移量的变化轨迹;本文以某一款车型内凸试验为例，对比分析95th分别在主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞三种工况下假人骨盆位移量，结果如图6所示。

参考GB 14166-2013中相关要求，假人骨盆位移量的限值为200mm。图6中试验结果表明：95th假人骨盆在三種碰撞工况中骨盆的最大位移量均超过了限值，分别达到了221.431mm、253.783mm和256.28mm，表明了约束系统并没有最优的保护好较大乘员的乘车安全。同时，结合试验录像回放及图1所示的试验后假人与仪表板的接触痕迹，明显看到假人膝盖和小腿上半部分的颜料印在了仪表板上，表明在激烈的碰撞过程和有限的车内空间中，假人腿部和仪表板之间发生了较大的撞击。这是由于在碰撞加速度和惯性力的共同作用下，假人在碰撞瞬间继续保持向前运动的趋势。而95th假人在体重、尺寸等方面比50th假人更大，造成了安全带、气囊等汽车安全约束系统不能最大限度的将95th假人束缚在座椅上，达不到像保护50th假人那样的约束效果，即不能最优保护身高偏高、体重偏重的乘员。较大的骨盆位移量会使得假人与汽车内饰部件之间发生剧烈的撞击，这将会对乘员的膝部、腿部受到较大的伤害。

4.5 假人左/右大腿力

由于在剧烈的碰撞过程中，腿部往往会和车内仪表板发生二次撞击。95th假人腿部运动空间更狭小。为了便于研究假人腿部伤害，试验前在假人的膝部和腿部涂上不同颜色的颜料，以此来判断碰撞后是否与仪表发生接触及接触部位。本文分别在主驾+18°碰撞、副驾0°碰撞和副驾-18°碰撞三种内凸试验工况条件下，随机选取4款不同车型的试验数据，95th假人左/右大腿力的损伤数值结果分别如图7和图8所示。

图7和图8表明在内凸试验三种碰撞工况中，假人的大腿力均受到不同程度的损伤。尤其是结合试验录像及本文3.4假人骨盆位移量试验结果分析，表明安全带等约束系统并没有最优的保护好较大的95th假人的下半身;而且，较大的碰撞加速度以及有限的车内空间，导致了假人的膝部及小腿与汽车的仪表板产生了直接撞击，如图1所示。现行的C-NCAP评价体系和正面碰撞试验标准中均把假人腿部损伤作为评价汽车安全性能优劣的重要考量指标，也充分说明了腿部损伤指标的重要性。因此，腿部损伤也应作为汽车内凸试验测评指标之一。

5 结论

本文依据C-NCAP评价体系和正面碰撞相关标准，通过滑台碰撞试验方法，对汽车内部凸出物试验测评方法进行研究，结果得出：

1、试验结果显示：95th假人假人的头、颈、胸、腿部均受到不同程度的损伤;尤其是假人的骨盆位移量过大，造成假人下半身损伤更为严重。这表明内凸试验中，气囊和安全带等汽车安全约束系统未能有效将95th假人束缚在座椅上，即未能最优保护好身材高大、体重较重的驾乘人员的安全。

2、现有的内凸标准中假人损伤测评方法仅考虑头部是否接触仪表等内饰而不考核假人其它部位损伤情况;结合本文的试验结果，建议乘用车内部凸出物试验测评方法中，应适度考量假人多个部位及其损伤指标，旨在不断完善我国汽车安全标准体系，进一步提升汽车安全性能，更好地保护驾乘人员的乘车安全。

参考文献：

[1]全国汽车标准化技术委员会.《乘用车内部凸出物》：GB 11552-2009.北京：中国标准出版社，2009.

[2]中国新车评价规程（C-NCAP）2021版.

[3]葛如海.汽车正面碰撞乘员约束系统匹配研究[D].镇江：江苏大学，2007.

[4]乔维高，张越.汽车正面碰撞中乘员约束系统对乘员的保护分析[J].上海汽车.2008：18-20.

[5]全国汽车标准化技术委员会.《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》：GB/T 20913-2007.北京：中国标准出版社，2007.

[6]赖兴华，等.汽车碰撞工况下乘员胸部损伤评价的最新进展.汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学汽车工程系.2010，中国汽车安全技术国际研讨会.

[7]商恩义，周大永，刘卫国，韩刚.某车偏置碰撞中假人胸部压缩变形量偏大的影响因素。[J]汽车安全与节能学报，2016年，第7卷，第1期，60-65.