移动渐进变形壁障碰撞试验中驾驶员小腿伤害研究

张俊南 余海龙

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

1 前言

欧洲新车评价程序（European New Car Assess⁃ment Program，Euro NCAP）于2020年引入了正面50%重叠移动渐进变形壁障（Mobile Progressive Deform⁃able Barrier，MPDB）碰撞测试项目[1]。部分车型在该项测试中存在驾驶员小腿伤害超标导致的丢分情况。

针对这一问题，国内外学者多从仿真角度分析碰撞过程中假人小腿的伤害机理，通过有限元建模，并结合某单一车型验证模型，用于假人对应位置伤害的预测[2-7]。本文选取20组车型的试验数据，从统计角度分析造成驾驶员腿部伤害超标的主要原因，为车辆结构优化提供参考。

2 Euro NCAP MPDB碰撞测试项目

2.1 试验方法

MPDB 碰撞测试项目中壁障车质量为1400 kg，试验车辆与壁障车分别以50 km/h 的速度进行碰撞，重叠率为50%。在试验车驾驶员位置放置第50百分位的THOR 假人，乘员位置放置第50 百分位的Hybrid Ⅲ假人，后排分别放置Q6 和Q10 儿童假人，碰撞形式如图1所示。

图1 正面50%重叠MPDB碰撞测试碰撞形式

2.2 假人小腿伤害指标

Euro NCAP MPDB 碰撞测试项目中，规定驾驶员THOR 假人小腿评价指标包括胫骨指数（Tibia Index，TI）和胫骨压缩力（Tibia Compression，TC），如表1所示。

表1 Euro NCAP MPDB碰撞测试项目驾驶员小腿伤害评价指标

THOR 假人小腿胫骨压缩力通过小腿力传感器直接采集；胫骨指数由小腿力传感器采集到的力载荷和力矩载荷计算得到。指标主要反映垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上、下部位的弯曲力矩导致小腿骨、脚踝等受到伤害的情况[8-9]。作用在小腿上的力与力矩如图2所示。

2.3 假人伤害结果统计

随机抽取20款进行了Euro NCAP MPDB碰撞测试的车型，驾驶员小腿伤害评价得分情况如图3所示。

图3 驾驶员腿部伤害评价得分

在Euro NCAP MPDB 碰撞测试项目中，驾驶员小腿得分最高为4 分。20 款车型中，有19 款车型驾驶员THOR 假人小腿/脚部被扣分，假人腿部伤害统计结果如表2、表3所示。

表2 假人左、右腿部伤害统计结果

表3 假人腿部罚分情况统计结果

在Euro NCAP MPDB 碰撞测试项目中，驾驶员假人腿部被罚分情况较为突出，且腿部被罚分的主要原因是小腿胫骨指数超标。

3 胫骨指数分析

3.1 胫骨指数

小腿胫骨指数为：

其中：

式中，MR为Mx和My的合成力矩；Mx、My分别为绕x轴、y轴的弯曲力矩；(MC)R为临界弯矩；Fz为z向的轴向压缩力；(FC)z为z向临界压缩力。

3.2 假人胫骨指数分析

由于驾驶员假人右小腿胫骨指数丢分情况最为严重，本文重点针对驾驶员THOR 假人右小腿胫骨指数进行分析。由式（1）可知，胫骨指数主要受到胫骨压缩力、作用在胫骨上绕x轴和绕y轴的弯曲力矩的影响。

20款车型驾驶员右小腿胫骨指数如表4所示，小腿胫骨指数越大，假人受到的伤害越大，其得分越低。

表4 右小腿胫骨指数统计结果

由表4 可知，MR/(MC)R所占胫骨指数平均比例为91.75%，Fz/(FC)z所占胫骨指数平均比例仅为8.25%，如图4所示。

图4 右小腿胫骨指数组成占比统计

由式（2）可知，Mx或My过大都有可能导致合成力矩MR过大。由统计结果可知，My占MR的平均比例为91.05%，Mx占MR的平均比例仅为8.95%，如图5所示。

图5 右小腿MR组成占比统计

统计结果表明，MPDB 碰撞测试项目驾驶员小腿胫骨指数超标主要受小腿合成力矩MR影响，其中弯曲力矩My过大是主要原因。

4 小腿受力分析

Euro NCAP MPDB 碰撞工况为正面碰撞，碰撞过程中假人的躯干、腿部的主要运动方向为车辆纵向[10]。腿部、脚部受载荷方向、运动方向以及关节结构等因素的影响，小腿主要沿车辆纵向运动。

4.1 小腿受力分析

碰撞过程中，脚部向前运动受到限制，而臀部和膝盖的整体前移迫使小腿绕踝关节和膝关节转动，导致小腿产生弯曲力矩My。在此过程中，容易出现加速踏板向后移动的情况，这会增加脚部受到的载荷，迫使脚部向后运动，小腿受到的弯曲力矩My随之加剧，如图6所示。

图6 右小腿受力分析

某车型MPDB 碰撞试验腿部力曲线如图7 所示。从时间来看，小腿弯曲力矩My在第53 ms 左右达到峰值-120.14 N·m，而大腿压缩力在第58 ms 左右开始由正向转为负向增大，在第64 ms 左右达到峰值-1.75 kN。这说明大腿在第58 ms 以后接触仪表板，小腿弯曲力矩My在此之前已经达到最大值，可以排除大腿撞击仪表板对小腿弯曲力矩My的影响。从受力方向来看，小腿弯曲力矩My从碰撞开始后即向负向增大，说明小腿绕膝盖向后转动，其原因是加速踏板对脚踝施加向后的载荷。

4.2 加速踏板位移分析

碰撞过程中假人右侧小腿弯曲力矩My与假人脚部受到的载荷直接相关，加速踏板的位移对小腿伤害产生重要影响。20 款车型中假人小腿伤害和加速踏板的位移情况如表5所示。

表5 右小腿伤害和加速踏板位移统计

按加速踏板x向位移由小到大进行排序，得到加速踏板x向位移与驾驶员右小腿弯曲力矩My、胫骨指数的关系如图8、图9所示。

图8 小腿力矩My与加速踏板位移的关系

图9 小腿胫骨指数与加速踏板位移的关系

在MPDB 碰撞测试项目中，随着加速踏板向后位移的增大，小腿受到的弯曲力矩My有明显增大的趋势，且小腿胫骨指数随弯曲力矩My的增大同步增大。

5 结束语

在Euro NCAP MPDB 碰撞工况中，驾驶员右侧小腿部位受伤风险较高，主要由胫骨指数超标导致，其主要原因是胫骨受到的弯曲力矩过大。造成小腿胫骨弯曲力矩过大的原因是加速踏板位移对脚部的冲击，碰撞过程中加速踏板位移越大，小腿胫骨指数越大，得分越低。

为降低小腿伤害，可以考虑通过加强车身结构或调整踏板强度，缓解脚部受到的由加速踏板施加的载荷冲击。