基于某车型的不同乘员性别远端保护响应差异分析

杨明俊，卜晓兵，郭庆祥

（1.戴姆勒大中华区投资有限公司，北京100000，中国；2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300，中国）

目前，汽车侧面碰撞安全开发主要集中在对碰撞侧驾乘人员的伤害保护，而且世界上各大主流评级机构均出台了相应的评价规程[1-3]。然而国外有统计表明，大约30%的侧面碰撞伤害是发生在远端乘员身上，其中有43%的伤害达到了AIS3+[4]；而国内根据2011—2022 年CIDAS 数据统计，约49%的侧面碰撞发生在远端，并且约36%的伤害达到AIS3+。国内外学者针对远端乘员保护特性也进行了许多深入的研究。其中2005 年，K.Digges 通过IIHS 碰撞工况的乘员仿真指出，改进现有MADYMO 假人模型来评估远端碰撞环境的安全性能很有必要[5]；2014 年，Y.Narayan 通过分析NASS-CDS 中2009—2012 年的碰撞事故数据，研究了受约束的前座乘员在远侧碰撞中的碰撞特征和伤害模式，该发现对提高远端乘员安全性有重要作用[6]；2017 年，A.M.Edwards 通过模拟仿真试验，研究评估了充气安全带及肩带固定位置等对远端侧面柱碰过程中Hybrid III 和 THOR-M 假人运动学和碰撞伤害指标的影响,结果表明充气式安全带有减轻乘员颈部伤害的潜力[7]；2018 年，S.Kalaga 通过对远端乘员ES-2re 假人未系安全带和系安全带2 种情况的乘员运动学及伤害进行对比，指出安全带的重要性[8]；2019年，S.Umale 通过使用THOR 50th 男性假人进行配备与未配备中央安全气囊的滑台对比试验，研究了中央安全气囊在侧碰远端乘员保护的有效性，结果表明中央安全气囊能有效降低因接触侵入结构而受伤的风险[9]；2021 年，C.Visvikis 通过使用Q10儿童假人进行了14 次不同儿童约束装置的滑台试验，研究了不同儿童约束系统在侧碰远端碰撞过程中保护儿童头部的能力[10]；2021 年，D.Perez-Rapela 通过配备远端安全气囊的滑台试验，研究新型远端专用安全气囊在抑制和预防远端碰撞伤害方面的有效性，并评估了 WorldSID 假人对远端安全气囊存在的反应[11]；2022 年，国内学者建立THOR 假人的滑台仿真模型并进行了12 次不同环境设置的仿真试验，分析了碰撞角度、碰撞速度和D 形环位置对远端碰撞过程中乘员胸部损伤的影响[12]。可以看出，目前的研究中对女性乘员的考虑鲜有提及。而随着汽车的普及，国内的女性驾驶员占比逐年增加，根据公安部交通管理局数据可知，2020 年达到了约32%,这意味着男性与女性驾驶员的比例接近2：1。因此覆盖不同性别的远端乘员安全措施应该得到开发者及相应机构的重视。

2020 年，欧盟新车认证程序中心（European New Car Assessment Program，Euro NCAP）[2]正式引入了远端乘员保护并应用侧面滑台试验评估前排乘员的伤害，其中评估对象仅为全球侧碰50 百分位（WorldSID 50th）男性乘员；中国新车评价规程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）2021 年版[3]的侧面可移动变形壁障（advanced european mobile deformable barrier，AE-MDB ）工况中引入了非撞击侧的远端伤害监控，采用EuroSID-2 50 百分位（ES-2 50th）男性乘员进行评估，但目前规程只做为监测项还没有详细的评分细则。显然以上主流的消费者评级机构在远端乘员保护上均未对女性乘员有相应的要求。由于男性与女性生理构造及乘坐姿态等存在差异，针对不同性别乘员在远端乘员保护工况下响应差异性开展研究很有必要，对促使更全面地考虑碰撞过程中不同类别的远端乘员保护安全有重要意义。

为了深入研究侧碰远端乘员保护中不同性别乘员在碰撞过程中的响应差异，本文基于Euro NCAP 2020远端乘员保护试验方法，并根据侧碰远端乘员的运动及其响应原理解析，从碰撞损伤结果和碰撞响应时间2 个方面对50 百分位男性乘员（WorldSID 50th）和5 百分位女性乘员（small size side impact dummy secondgeneration,SID IIs 5th）的响应差异进行研究与分析。

1 基于Euro NCAP 2020 远端乘员保护试验方法

本文参考Euro NCAP 2020 远端乘员保护试验方法，采用滑台方式进行试验，如图1 所示。滑台试验输入波形通过提取某车型AE-MDB 侧碰工况下非碰撞侧B 柱加速度波形，并按转换计算公式Ax,sled=1.035Ay,veicle进行转换(Ax,sled为滑台试验x向加速度,Ay,veicle为侧碰工况下非碰撞侧B 柱y向加速度),使得滑台试验加速度波形与实车碰撞波形相当。另外,在滑台驾驶员侧分别放置WorldSID 50th 男性假人和SID IIs 5th 女性假人[13-14],分别对乘员头部、颈部及胸腹部位进行远端乘员保护评价[15-16]。

图1 侧碰远端乘员保护试验方法示意图

侧碰滑台试验的环境件配置如图2 所示，包括带头枕的前排座椅、中控台扶手、目标乘员及预紧式安全带[17]等。滑台准备过程中对某量产车型车身进行加固，按规程要求在副驾驶乘员座椅与中控台和B 柱之间填充泡沫，使座椅在滑台试验过程中保持稳定。

图2 基于Euro NCAP 2020 远端乘员保护滑台试验设置

滑台试验中选取AE-MDB 侧碰试验工况非碰撞侧的B 柱波形(如图3 所示)作为滑台的目标加速度，通过液压阀控制输出则可得到滑台的响应加速度。

图3 滑台试验加速度波形

2 侧碰远端乘员保护响应原理解析及试验矩阵

2.1 侧碰远端乘员保护响应原理解析

在汽车发生侧碰时候，远端乘员并未直接受到碰撞接触力。由于三点式安全带主要约束乘员躯干的纵向运动，对于乘员侧向的约束力相对较小。因此，假定乘员的运动为各部位在惯性力作用下围绕骨盆质心P的侧倾运动，如图4 所示。由于座椅腰托，中控台扶手等对乘员的限制，乘员运动过程中躯干的运动会逐渐被约束，而头颈部则会继续发生旋转直至反弹[18-20]。

图4 侧碰远端乘员运动模型

图4 中P点为乘员骨盆质心位置；C点为乘员胸部质心位置；αc为上躯干角度；N为下颈部质心位置；H为头部质心位置；αh为头部转角；Lc为胸部质心到下颈部质心距离；Ln为颈部到头部质心距离。

由刚体运动学原理和矩阵乘法原理可得乘员颈部质心点N相对胸部质心点C的运动方程如式(1)和式(2)所示：

同理可得乘员头部质心点H相对颈部质心点N运动方程如式(3)和式(4)所示：

根据乘员的受力分析矩阵模型有：

其中，mh为乘员头部质量；Fy为乘员颈部施加给头部的y方向的力，即剪切力；Fz为颈部施加给头部的z方向的力，即拉伸力；Jh为头部质心转动惯量；Mocx为枕骨骨节施加给头部的绕x轴力矩；Mocy为枕骨骨节施加给头部的绕y轴力矩；为头部角加速度；dy为枕骨骨节至头部y方向距离；dz为枕骨骨节至头部z方向距离。

从上面公式可以看出，侧面碰撞过程中影响远端乘员各部位响应的因素不仅与碰撞车辆在侧向的加速度有关，还与乘员自身各部位的体型尺寸、质量、转动惯量以及相对中央扶手的相对位置有关。

2.2 WorldSID 50th 男性乘员与SID IIs 5th 女性乘员试验矩阵

目前最具代表性以及使用较广的侧碰假人为WorldSID 50th 男性假人和SID IIs 5th 女性假人，因此分别在主驾驶位置放置此2 种类别假人代表不同性别乘员进行试验对比研究。

根据Euro NCAP 2020 远端乘员保护规程以及美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety,IIHS）侧碰假人摆放要求，WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员在前排乘坐时的基准座椅位置分别为P1和P4，如图5 所示。为了更好地发现不同类别乘员在侧碰远端试验中规律性的差异表现，在基准位置进行小距离调整座椅位置并进行多次试验，以此对比不同位置下不同性别乘员的试验结果，分析不同乘员之间的响应差异。

图5 WorldSID 50th 男性和SID IIs 5th 女性乘员座椅位置

本文试验包含3 次WorldSID 50th 男性乘员滑台试验和2 次SID IIs 5th 女性乘员滑台试验。根据假人标定要求，试验前对WorldSID 50th 男性侧碰撞假人按照ISO 15830 和WG5 N1041 的规范进行准备及标定，SID IIs 5th 女假人按照CFR 572 中V 部分的规定进行标定，以保证试验结果可靠性。远端乘员保护试验矩阵的座椅设置及实际滑台试验过程中非碰撞侧B 柱y向碰撞加速度如表1 所示。

表1 远端乘员保护试验矩阵

WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员在试验中的乘坐姿态及各个关键关节测量尺寸对比如图6所示。可以看出，相较于男性乘员，女性乘员姿态特点为：坐姿靠前，乘员躯干角度较小，颈部较修长而腰椎较短。

图6 WorldSID 50th 男性和SID IIs 5th 女性乘员乘坐姿态

3 侧碰远端乘员保护运动姿态对比分析

在试验中由于WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th女性乘员的乘坐姿态及各个关键关节尺寸存在差异，因此侧面碰撞过程中不同性别的远端乘员运动姿态响应有所区别。

3.1 远端乘员y 向运动姿态对比

将某款车型5 次滑台试验中不同乘员在0、60、130 ms 时刻的y向运动姿态（如图7 所示）进行对比分析，可以得到如下规律及差异：

1）对于乘员运动初期，相同时间内SID IIs 5th 女性乘员比WorldSID 50th 男性乘员偏转位移较大，如图7b 所示。

2）由于颈部结构差异，SID IIs 5th 女性乘员比WorldSID 50th 男性乘员最大头部转角要小，先到达头颈部的转动极限位置，如图7c 所示。

图7 远端乘员y 向运动姿态对比

3）WorldSID 50th男性乘员比SID IIs 5th女性乘员更早地脱离安全带对上躯干的约束，这对于限制WorldSID 50th 男性乘员y向位移更不利。

3.2 远端乘员x 向运动姿态对比

对不同乘员分别在0、140、200 ms 时刻的x向运动姿态（如图8 所示）进行对比分析，可得到如下规律及差异：

图8 远端乘员x 向运动姿态对比

1）对于头颈部姿态，SID IIs 5th 女性乘员在到达头颈部转角最大后，其头部主要往x负方向运动；WorldSID 50th 男性乘员则相反，头部主要往x正方向运动。

2）对于躯干与手臂姿态，SID IIs 5th 女性乘员的安全带有从肩膀上滑脱趋势，但依然对乘员躯干有约束作用，且乘员手臂大体往x正方向运动；WorldSID 50th 男性乘员的安全带完全从肩膀上滑脱，安全带对上躯干约束削弱，且安全带干涉乘员手臂运动，导致其手臂往x负方向运动。

4 侧碰远端乘员保护损伤对比分析

目前Euro NCAP 2020 远端乘员保护试验及评价规程只规定了WorldSID 50th 男性乘员的评价指标，对于女性乘员的评价指标并未出台，因此，本文为了分析不同类别乘员之间响应差异性的规律，对WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员采用相同的评价指标进行分析研究[21-23]。

4.1 头部损伤对比

碰撞过程中，头部3 ms 合成加速度是表征乘员头部未发生直接接触时的重要损伤指标；图9 为WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员在不同座椅位置下的头部3 ms 合成加速度对比，其中图8a 为头部损伤结果对比，9b 为头部加速度响应过程对比，分析可知有如下规律及差异：

1）对于头部3 ms 合成加速度（a3m）损伤结果，乘员性别之间的表现差异较小，即使乘员座椅位置小范围移动情况下也无大变化。

2）对于头部3 ms 合成加速度响应时间，乘员性别之间存在一定的差异。如图9b 所示，同等的头部3 ms 合成加速度水平，SID IIs 5th 女性乘员响应时间比WorldSID 50th 男性乘员响应时间提前约12 ms。分析原因为女性乘员体型及体重相比男性乘员要小，惯性力较小。这一特征也提示说明，在开发远端乘员保护措施的时候，如开发远端保护气囊，需要综合考虑不同乘员性别带来的头部运动响应时间的差异性。

图9 头部损伤实验结果对比

4.2 颈部损伤对比

颈部损伤表征指标有颈部力（Fz）和颈部弯矩（M），其中颈部力分为上颈部力和下颈部力。图10a 和图10b分别为颈部力损伤结果及响应曲线对比。分析可知有如下规律及差异：

图10 颈部损伤实验结果对比

1）对于颈部力损伤结果，SID IIs 5th 女性乘员上下颈部力均比WorldSID 50th 男性乘员的要小，其中女性乘员上颈部力比男性乘员平均小约36%，下颈部力平均小约20%。其原因主要为女性乘员头部质量较小。

2）对于颈部力Fz响应时间，以上颈部力响应曲线为例。女性乘员比男性乘员更快到达颈部力最大值，在约91 ms 达到最大值，而男性乘员约104 ms 达到最大值，即男性乘员颈部最大损伤的时间滞后。

WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员颈部绕x轴弯矩(Mx)的实验结果如图11 所示，分析可知有如下规律及差异：

图11 颈部绕x 轴弯矩(Mx)实验结果对比

1）对于颈部弯矩Mx损伤结果，女性乘员上下颈部弯矩损伤结果均比男性乘员平均小约24%。

2）对于Mx的响应时间，女性乘员下颈部弯矩响应时间比男性乘员响应时间提前约12 ms。

WorldSID 50th 男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员颈部绕y轴弯矩(My)实验结果对比如图12 所示。颈部伸展弯矩是乘员颈部最不耐受的一种弯矩。分析可知有如下规律及差异：

图12 颈部绕y 轴弯矩(My)实验结果对比

1）对于颈部伸展弯矩损伤结果，女性乘员上颈部弯矩损伤结果与男性乘员几乎一致；而下颈部的损伤结果乘员类别之间差异很大，其中SID IIs 5th 女性乘员的下颈部弯矩平均为WorldSID 50th 男性乘员的2.2 倍。这主要是SID IIs 5th 女性乘员的颈部结构导致侧碰过程中颈部有比较明显的绕y轴摆动，而WorldSID 50th男性乘员摆动幅度较小。

2）对于颈部伸展弯矩（My）的响应时间,同等水平的下颈部弯矩，SID IIs 5th 女性乘员的下颈部伸展弯矩比男性乘员响应更快。

4.3 胸部损伤对比

胸部损伤指标主要是胸部上中下肋骨的压缩变形量（ΔSc）。实验结果如图13 所示，可见WorldSID 50th男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员的胸部肋骨压缩变形量基本一致，并不表现出性别差异，但男性乘员胸部损伤指标对乘员乘坐位置较敏感。

图13 胸部损伤实验结果对比

4.4 腹部损伤对比

腹部损伤的主要指标是腹部上下肋骨的压缩变形量(ΔSa)。实验结果如图14 所示，分析可知有如下规律及差异：

图14 腹部损伤实验结果对比

1）对于腹部损伤结果，不同乘员性别之间腹部上下肋骨压缩变形量有明显区别，其中女性乘员的腹部上肋骨压缩变形量比男性乘员平均小43%，下肋骨平均小62%。这与2 种类别乘员的体型及座椅位置与中央扶手相对位置有关，也与安全带预紧对乘员姿态约束作用有关。

2）对于腹部损伤损伤响应时间，WorldSID 50th男性乘员和SID IIs 5th 女性乘员均在约70 ms 处达到最大峰值，响应时间一致。

5 结论

本研究对侧碰远端乘员运动及其响应原理进行了解析，并基于Euro NCAP 2020 远端乘员保护试验及评价规程，通过某车型5 次侧碰滑台试验结果，对于不同性别乘员运动姿态以及男性乘员（WorldSID 50th）和女性乘员（SID IIs 5th）依据各部位评价指标得到的碰撞损伤结果和碰撞响应时间进行了对比分析。结果表明，基于某车型的不同性别乘员远端保护响应差异呈现如下规律和趋势。

1）以头部3ms 合成加速度评价损伤，WorldSID 50th 男性乘员与SID IIs 5th 女性乘员响应时间相当；但SID IIs 5th 女性乘员响应时间比WorldSID 50th 男性乘员响应时间提前约12 ms。

2）以乘员颈部弯矩评价损伤，SID IIs 5th 女性乘员下颈部弯矩最大约为WorldSID 50th 男性乘员的2.2倍；SID IIs 5th 女性乘员响应时间比WorldSID 50th 男性乘员响应时间提前约12 ms。

3）以胸腹部压缩变形量评价损伤，SID IIs 5th 女性乘员胸部肋骨压缩变形量与WorldSID 50th 男性乘员基本一致，而腹部压缩变形量平均比男性乘员小约50%；响应时间无差异。

通过以上分析，对基于某车型侧面远端乘员保护试验中男性乘员（WorldSID 50th）和女性乘员（SID IIs 5th）各部位的响应差异有了深入了解，为研究不同性别乘员在侧碰远端保护中的响应提供了基础数据,为未来深入开发侧碰远端乘员保护方案提供了一定的的技术支持。