25%小偏置碰撞中后排乘员前倾量测量方法研究

于潇 郑萌

中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆市 401122

1 引言

近年来，随着汽车保有量的不断增加，交通事故数量也在急剧攀升，据调查，在有汽车参与的交通事故中，正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞所占比例分别是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高，而小偏置碰撞又是正面碰撞中对驾乘人员伤害性较大的碰撞类型之一。因此，开展对25%小偏置碰撞中乘员前倾量测量方法的深入研究，已成为当下汽车安全领域的热点话题。

目前，车辆碰撞试验仍是衡量车辆被动安全性能最直接也是最有效的手段，这是由于绝大对数的交通事故都是由碰撞所致，因此，通过对“汽车碰撞试验”的测试结果进行分析，能够真实的了解车辆在道路交通事故中对驾乘人员的保护程度。美国作为最早颁布小偏置碰撞法规的国家，于2012年8月，美国公路安全保险协会(IIHS)颁布了小偏置碰撞试验规程和评价准则，这是第一部对小偏置碰撞工况做出详细要求并进行实车试验的测试体系。随后，在2016年，我国在参考IIHS 偏置碰撞试验规程和评价准则的基础上，经过多轮论证分析，最终提出了中国保险汽车安全指数(C-IASI)测试评价体系。这是我国第一部包含25%小偏置碰撞的试验规程。与此同时，国内外相关机构、学者都对25%小偏置碰撞中涉及的车辆结构、碰撞策略等进行了优化分析，但随着偏置碰撞相关规程的不断完善，会逐步引入对后排乘员的状态监控，目前行业内就后排乘员前倾量测量方法的研究仍属于空白，因此，本文以正面25%偏置碰撞评价规程为基础，通过建立相关的数学模型，利用位移传感器及角度传感器采集的原始数据，对25%小偏置碰撞中乘员前倾的测量方法进行研究。

2 小偏置碰撞试验的介绍

我国在根据IIHS 颁布的小偏置碰撞试验规程和评价准则的基础上，提出了中国保险汽车安全指数（C-IASI），C-IASI 规程包括正面25%偏置碰撞试验，如下图1 所示，为25%偏置碰撞工况示意图，试验车辆以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，刚性壁前端是半径为150mm 弧度为115 的圆弧柱，驾驶员由Hybrid III 50%男性假人代替。在碰撞试验中，采集假人伤害数据、车体结构变形数据、假人运动状态数据，从而对试验车型的安全性能进行评估。

图1 小偏置碰撞工况的示意图

其中，试验工况中涉及的壁障为刚性壁障，壁障固定于车辆牵引方向驾驶员侧的地面上，其结构尺寸如下图2、3 所示。距离为。

图2 壁障顶部和轴侧视图

图3 壁障侧面和正面视图

3 模型的建立

在车辆碰撞试验中，由于惯性力的存在，乘员的前倾时间约为300ms，对后排乘员前倾量的测量，实则是测量颈部支架位置的空间位移量（峰值约400mm）。由于传统拉线式位移测量方法的局限性，因此文中提出新的测量方法：本方法中所测量的位移并不是直接经过传感器测量得出，而是通过建立车辆三维坐标系构建位移解算模型，将采集到的位移数据、角度数据进行运算，进而获取乘员在车辆坐标系X、Y、Z 方向的前倾量。

参考C-IASI 偏置碰撞规程中坐标系的定义，取车辆后排中心为原点，建立车辆三维坐标系，从前向后为X 轴的正方向，从左向右为Y 轴的正方向，Z 轴垂直向上，如下图4 所示，后排假人颈部支架安装在距离Z 轴的Y 轴正方向上，两个角度传感器分别位于X 轴、Z 轴方向上，位移传感器位于Z 轴上，且与原点的

图4 位移解算模型

由上述所构建的模型可得，在后排假人前倾过程中，具体的位移解算公式如下：

式中：

D:乘员前倾方向（X）解算位移；

D:乘员前倾方向（Y）解算位移；

D:乘员前倾方向（Z）解算位移；

Δ:位移传感器的动态伸长量；

:位移传感器固定安装点到假人颈部支架固定点的距离；

:角度传感器的测量值；

:角度传感器的测量值；

:角度传感器的初始值；

:角度传感器的初始值；

其中，为了消除安装造成的解算误差，在试验开始时测量得到各角度传感器初始值，在解算公式中，对测量结果加以修正。其次，在实际装配过程中，略等于0，而在实际测试中，此解算模型可以测量乘员前倾过程中所有方向的位移量，即空间位移量，也可以基于指定某平面来解算投影在平面内的位移量。

4 测量方法的确定

4.1 测量模块的确定

在本文所提出的乘员前倾量测量方法中，原始数据的测量模块主要由两个角度传感器和一个位移传感器组成。为了减小假人受到冲击时，假人对测量模块的反作用力，位移传感器需具备低阻力的特点；为了提高测量精度，减小试验误差，角度传感器需具备高精度的特点，具体的选型如下表1 所示。

表1 传感器的选型

为降低测量模块对假人的作用，整个测量模块固定于支撑杆上，如下图5 所示，为测量模块装配的三维示意图。

图5 测量模块装配图

测量模块通过螺纹固定于安装支架上，支架采用极轻、高强度铝合金或者碳纤维材质，可上下伸缩并配有把手进行固定。此外，还配备吸盘支架固定于侧窗玻璃处，从而实现全自由度锁定。支撑杆可以通过强力吸盘固定于车内空间，也可通过在车顶打孔布置螺纹固定的方案，加强支撑杆的固定能力。

此外，测量模块测量端即位移传感器的拉杆球头位置固定于假人颈部支架位置上，颈部支架测量点相对于固定支架的相对坐标系进行测量。固定支架可通过调节的方案与整车坐标系重合，如下图7 所示。

图7 连接示意图

4.2 电气系统的构成

文中提出的乘员前倾量测量方法，所涉及的电气系统采用直流12V供电，由位移传感器、

图6 支撑杆

传感器信号通过数据采集仪进行实时采集和计算，生成测量端的空间轨迹。可以指定平面对空间轨迹进行投影，也可直接生产空间轨迹图，输出空间轨迹位移量。相较于拉线测量方案，可获得空间位移曲线，且精度更高。

5 总结

本文在25%偏置碰撞试验规程和评价准则的基础上，提出一种后排乘员前倾量的测量方法，与传统的拉线式位移测量方法相比，其优点在于：

（1）本方法中所测量的位移并不是直接经过传感器测量得出，而是通过建立车辆三维坐标系构建位移解算模型，将采集到的原始位移数据、角度数据进行运算，进而获取乘员在车辆坐标系X、Y、Z 方向的前倾量；

（2）测量方案中高精度传感器与信号采集系统的引入，极大的提升了试验数据的精确度，同时增加了数据运算的准确度；

此方法的提出旨在解决后排乘员前倾量测量的难题，为偏置碰撞中后排乘员状态的监控提供方法依据。