汽车正面碰撞安全评价方法的研究与应用

摘 要：文章基于国内汽车被动安全发展的现状，并结合国外有关汽车保险评级的方法，从高速碰撞和低速碰撞两个方面出发，提出了一套公平、客观的，且适用于国内汽车在正面碰撞安全方面的评价方法。然后，依据该评价方法对几款车型进行了实车验证。结果证明，该评价方法可以为消费者提供车辆在正面碰撞中，有关乘员防护性能和车辆抗损性能方面的综合信息。

关键词：正面碰撞 被动安全 评价方法

0 引言

目前，在欧盟、美国及日本等汽车发达国家中，汽车碰撞安全评价已经成为保险公司制定汽车保险费用的一项重要依据。例如美国，其大部分保险公司在制定车险费用时，通过计算与人相关的主要费率系数和与车相关的次要费率系数来得出车辆承保的费率系数，从而得到总的车险费用[1]。其中，与车相关的次要费率系数则是通过相关的测试方法来确定，例如40%正面偏置碰撞，侧面碰撞，车顶强度测试，以及翻滚等测试方法。

汽车的高速碰撞试验主要用于考核车辆发生高速碰撞时，通过分析车内假人各部位所采集到的伤害值来确定整车的安全性，考核的是车辆对车内乘员的防护性[2-3]。相比高速碰撞试验，低速碰撞试验主要考核的是车辆自身的抗损性能，通过分析碰撞后车辆受损程度的大小和修复的难易程度来评价车辆的碰撞安全性[4]。相比高速碰撞，低速碰撞的事故率在现实生活中发生的概率较高一些。例如在城市路况中，车辆之间的碰撞事故一般都属于低速碰撞，且车内乘员一般都不会受到很大的伤害[5]。

因此，本文基于国内汽车被动安全发展的现状，并结合国外有关汽车保险评级的方法，从高速碰撞和低速碰撞两个方面出发，提出了一套公平、客观的，且适用于国内汽车在正面碰撞安全方面的评价方法。

1 评价方法

本文提出的汽车正面碰撞安全评价方法主要包括两个部分，分别为高速的正面碰撞试验和低速的偏置碰撞试验。高速部分主要通过假人的伤害值来进行评分，低速部分则通过车辆的损坏程度来进行评分。具体的评价方法为：首先，依据高速试验和低速试验中的考核项目，分别设置相应的评价指标，并为各项评价指标设定一定的分值。然后，依据各项评价指标的测试结果来计算得分，并将得分求和得出每项试验的得分。最后，将每项试验的得分进行求和，即得出该车型的总分。

1.1 高速试验

高速试验为试验车辆以100%重叠正面冲击固定刚性壁障。碰撞速度为500-2km/h。要求试验车辆到达壁障的路线在横向任意方向偏离理论轨迹不得超过150mm，如图1所示。在前排驾驶员和乘员位置分别放置一个Hybrid III型第50百分位男性假人，用以测量前排人员的受伤害情况。

该项试验考核的是车辆对车内乘员的保护性。通过分析车辆在发生正面碰撞后，车内假人的伤害值来判断车辆性能的好坏。试验的评价指标为假人头部、颈部、胸部和大腿的伤害值。

1.2 低速试验

低速试验为试验车辆以40%重叠正面冲击固定不可变形壁障。碰撞速度为15+1-1km/h，要求偏置碰撞车辆与不可变形壁障碰撞重叠宽度应在40%车宽±25mm的范围内，如图2所示。在前排乘员位置放置一个Hybrid III型第50百分位男性假人，假人作配重使用不需要采数。

该项试验考核的是车辆自身的抗损性。车辆在发生碰撞时，由于是低速碰撞，假人几乎没有伤害。因此，通过分析车辆的损坏程度来判断车辆碰撞安全性能的好坏。试验的评价指标为车辆的被动安全装置、零部件损坏程度和车身结构的变形量。

2 高速试验

高速试验为50km/h的正面100%重叠刚性壁障碰撞试验。在该项试验中，可以得到的最高分数为10分。分值由前排假人的伤害值所决定，假人的评分部位为头部、颈部、胸部和大腿部，每个部位的最高得分分别为3分、2分、3分和2分。

前排假人评分以驾驶员侧假人的伤害指数为基础，只有当乘员侧假人相应部位的得分低于驾驶员侧假人相应部位的得分时，才采用乘员侧相应部位得分来代替。对于前排的成年假人，基本的评分原则是：设定高性能指标限值和低性能指标限值，分别对应每个部位的最高得分和0分；若同一部位存在多个评价指标，则采用其中的最低得分来代表该部位的得分；所有单项得分保留到小数点后两位。

2.1 头部部位评分

假人的头部评价指标包括头部伤害指数（HIC35）和3ms合成加速度值，每一个指标对应的最高得分均为3分，最低得0分，采用高性能限值和低性能限值来计算。

低性能限值和高性能限值分别对应0分和3分，处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后两位。

2.2 颈部部位评分

颈部的评价指标包括剪切力Fx、伸张力Fz和伸张弯矩My，每一个指标对应最高分均为2分。

高性能限值：

剪切力

Fx 2.5 kN @ 0 msec，1.3 kN @ 25–35 msec，1.1 kN @ 45 msec

伸张力

Fz 3.0 kN @ 0 msec，2.6 kN @ 35 msec，1.1 kN @ 60 msec

伸张弯矩

My 50 Nm

低性能限值：

剪切力

Fx 3.1 kN @ 0 msec，1.5 kN @ 25–35 msec，1.1kN @ 45 msec

伸张力

Fz 3.3 kN @ 0 msec，2.9 kN @ 35 msec，1.1kN @ 60 msec

伸张弯矩

My 57 Nm

对于颈部的剪切力和伸张力是通过累积曲线来评价的，是限值对时间的函数。经过调整，计算出点对时间的图。每个点均对应各自的高低性能限值，通过线性插值可计算出每个点对应的分数，以其中最低得分作为部位得分。限值图和评分界限如图3和图4所示。对于伸张弯矩，采用线性插值的方法来计算得分，然后采用四舍五入的方法保留小数点后两位。

2.3 胸部部位评分

胸部评价指标包括压缩变形量和粘性指数（VC），每一个指标对应最高分均为3分。

低性能限值和高性能限值分别对应0分和3分，处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后两位。

2.4 大腿部位评分

大腿部位的评价指标为假人大腿压缩力。

对于大腿压缩力，是通过累积曲线来评价的，是限值对时间的函数。经过调整，计算出点对时间的图。每个点均对应各自的高低性能限值，通过线性插值可计算出每个点相对应的分数，以其中最低分作为部位得分。限值图和评分界限如图5所示。

3 低速试验

低速试验为15km/h的正面40%重叠刚性壁障碰撞试验。在该项试验中，可以得到的最高分数为10分。具体得分通过判断试验后车辆的被动安全装置是否启动，零部件损坏率，以及车身前端结构的变形量而得出。每项的最高得分分别为4分、3分和3分。

基本的评分原则是：对于被动安全装置是否会启动采用条件性判断，即满足条件得4分，否则不得分；关于零件损坏率和车身前端结构的变形量采用设定高性能指标限值和低性能指标限值，分别对应每项测试的最高得分和0分。

3.1 被动安全装置评分

被动安全装置采用条件性判断，即符合条件得分，否则不得分。

满分条件为：试验后车辆配置的所有被动安全装置均未启动。

试验后，若车辆满足该条件，则该项测试得满分；若存在任一被动安全装置被触发，则得0分。

3.2 零件损坏率评分

零件损坏率通过记录试验后车身零件的损坏数量和程度来计算得出，采用高性能限值和低性能限值来计算。

低性能限值和高性能限值分别对应0分和3分，处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后两位。

3.3 车体结构损坏评分

车体结构损坏的评分主要通过测量被测试车辆的底盘结构件在试验前后是否存在变形而得出，其对应最高分为3分，采用高性能限值和低性能限值来计算。

低性能限值和高性能限值分别对应0分和3分，处于两者之间的测量值采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后两位。

4 试验验证

为了验证该评价方法的可行性，下面对4款车型进行测试。如表1所示，为4款车型的基本信息。

由表1可知，4款车型按车型级别来划分，有2款车型为A级轿车，2款车型为A0级轿车。另外，4款车型均配置有双侧安全气囊。

4.1 高速试验测试结果

对4款车型进行高速碰撞试验后，对假人采到的数据进行统计，驾驶员侧假人数据和乘员侧假人数据结果如表2和表3所示。

根据表2和表3中的数值，将驾驶员侧假人和乘员侧假人的得分进行计算，得到4款车型在高速碰撞试验中的综合得分，结果见表4。表中D代表驾驶员，P代表乘员。

由表4可知，在高速碰撞试验测试中，得分最高的为车型4，该车型为一款A0级轿车。另外，通过试验结果也可以发现，2款A0级轿车的测试结果均比2款A级轿车的测试结果要好。证明了车辆对车内乘员保护性能的好坏与车辆的大小无关。

4.2 低速试验测试结果

图6为车型1和车型2试验后的乘员侧照片。车型1在试验后假人坐姿微向前倾，但是主副驾安全气囊并没有触发。车型2在试验后，假人坐姿保持良好，但是主副驾安全气囊已经完全展开。考虑到试验速度为15km/h的低速碰撞，车辆在发生碰撞过程中所产生的加速度并不能对乘员产生伤害，反而会由于气囊的触发可能会使乘员面部受伤。另外，由于气囊的触发使得车辆在后期的维修成本会增加。因此，在低速试验中有必要对安全气囊一类的被动安全装置进行评价。

图7为4款车型试验后引擎盖损坏情况。由图可知，车型1的引擎盖变形量最大，在划分的4个评价区域中，有3个区域内的结构已经产生了变形；车型2只在左下角区域内有变形；车型3的引擎盖无变形；车型4的引擎盖在左下角和右下角有变形。

低速碰撞试验后，对4款车型的测试结果进行统计，结果如表5所示。

根据4款车型低速碰撞试验的测试结果，统计低速碰撞试验的得分，结果见表6。

由表6可知，在低速碰撞试验测试中，得分最高的为车型1，其次为车型2 ，两款车型均为A级轿车。在低速碰撞试验的3项考核指标中，有关零件损坏率的考核4款车型的得分率都较低。综合比较4款车型，在低速碰撞试验中，A级车的测试结果比A0级车的测试结果要好。

4.3 评价结果

将4款车型的高速碰撞试验和低速碰撞试验的测试结果进行统计，得出车辆正面碰撞安全评价的测试结果，结果如表7所示。

根据测试结果，4款车型中得分最高的为车型1，其次为车型2，然后为车型4，最后为车型3。按照车型来分，得分较高的两款车型均为A级轿车，得分较差的为两款A0级轿车。虽然车型较大的车辆，其测试结果要好一些，但是通过比较最好车型和最差车型的得分，其相差只有1.48分。另外，排名中间的两个车型，其得分仅差0.2分。

将4款车型高、低速试验的测试结果按照单项试验的得分率进行统计，统计结果如图8所示。

由图可知，4款车型的高速试验，其得分率均在80%以上，其中有3款车型的得分率在90%以上，该项试验测试结果的得分率均较高。相比而言，低速试验的得分率均在80%以下，且最高得分率仅为70%，剩余得分率均在60%以下，该项试验测试结果的得分率均较低。

产生这样的一个测试结果，分析原因，可能与国内目前在汽车被动安全领域的测试中，有关车辆安全性能的测试标准和评价方法均为高速的碰撞试验，其中并没有引入低速的碰撞试验。因此，测试车型在高速碰撞试验中，其得分率均较高，而低速碰撞试验的得分率较低。这也证明了，本文提出的有关汽车正面碰撞安全评价方法中，引入低速碰撞试验的合理性和重要性。

5 结论

通过本文的研究，为汽车在正面碰撞中，其被动安全性能的测试提供了一套新的测试和评价方法，该测试和评价方法具有以下3个特点：

（1）区别与国内传统的汽车被动安全测试和评价方法，在测试和评价中引入了低速碰撞试验；

（2）针对低速碰撞试验的特点，引入了相应的评价指标和测试方法；

（3）测试结果既可以反映车辆对车内乘员的保护性，也可以反映车辆自身的抗损性。

依据该评价方法，对4款车型进行实车验证后，得出以下结论：

（1）对于高速碰撞，主要考核的是车辆对车内乘员的防护性。相比而言大型车的吸能空间较大，但是在发生碰撞时，其产生的能量也大。因此，车辆尺寸的大小并不能决定其安全性能的好坏，即小车不一定不安全；

（2）对于低速碰撞，主要考核的是车辆自身的抗损性，相比而言车辆尺寸越小，其前端的零部件布置空间更小。发生碰撞后，由于其吸能空间小，除了对保险杠会产生直接的破坏，也会对其他零部件产生损坏。因此，小型车在低速碰撞中处于劣势；

（3）低速试验相比高速试验，其得分率普遍较低，即车辆的低速碰撞性能普遍较差，使得车辆在发生低速碰撞后，其维修成本较高。

参考文献：

[1]张向磊，闫美如，杨佳璘.汽车保险等级评价在中国适应性分析[J].汽车工程师，2015（4）：17-19.

[2]张金换，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]水野幸治.汽车碰撞安全[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016：12.

[4]李兴虎，李臣，周炜.王晋.建立适合中国道路交通和市场需求的汽车低速碰撞评价体系[J].汽车安全与节能学报，2013（4）：315-321.

[5]朱海涛，王季峰，李充，等.车辆正面碰撞加速度波形特征参数与乘员伤害研究[J].汽车技术，2010（7）：34-38.