车辆弹起式机盖技术及其测试法规研究

刘 洋 孙小光 杨占军 陈现玲 师玉涛 杨劲松

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

1 前言

行人与车辆发生碰撞时，往往导致行人严重受伤，尤其是行人头部与车辆发动机盖发生碰撞后可导致行人死亡，因此改善汽车发动机盖的行人保护性能对于行人安全至关重要，从而使得对弹起式发动机盖技术的研究逐渐得到重视。

弹起式机盖技术的关键在于行人检测触发的精确性[1]，以及其能否在现实交通事故中检测到身材各异的行人并发挥效用。目前，虽然各车辆研发机构开展了大量的弹起式发动机盖系统研究，但都缺乏依据统一法规对整个系统的有效性进行检测。为保证弹起式机盖的精确性和有效性[2，3]，Euro NCAP（欧洲新车评价规程）明确了测试法规要求，测试方法包括物理试验和数值仿真分析。本文针对弹起式机盖技术，并结合Euro NCAP对弹起式机盖测试法规要求，采用仿真与试验相结合的研究手段，将弹起式机盖设计与法规融为一体提出了弹起式机盖设计统一要求。

2 弹起式机盖技术简介

弹起式机盖由行人碰撞检测系统、电脑控制系统和执行系统组成，如图1所示。

行人碰撞检测系统用于检测行人是否与车辆发生碰撞，主要由传感器 （加速度传感器或压力传感器）、摄像头组成。

电脑控制系统是整个系统的核心部件，其功能是将检测系统的数据进行分类、识别、判断并向执行系统发出触发指令，该系统中存储了能够激活执行系统的条件，通过将行人碰撞检测系统的信号进行分析并检查是否与激活条件匹配，从而实现执行系统的触发。如采用加速度传感器组合作为行人碰撞检测系统时，电脑控制系统在存储能够激活执行系统条件过程中，需要输入多种物体与车辆发生碰撞的加速度曲线（包括行人），若某些物体与人体具有相似的碰撞加速度曲线时，采用摄像头对碰撞物体进行区分，图2为某车型弹起式机盖电脑控制系统的触发条件。

执行机构用于将机盖弹起，其作用类似促动器，主要类型包括气缸式、液压活塞式、压缩弹簧式、电动缸及火药顶升器等。其中气缸与液压活塞需要布置能量源，由于车辆机舱内部空间狭小，这2种方式难以应用。目前弹起式机盖执行机构主要采用压缩弹簧式或火药顶升器。

3 弹起式机盖系统原理与标定

3.1 工作原理

弹起式机盖工作原理如图3所示。检测车辆与行人碰撞的传感器安装在车辆前部，传感器实时采集碰撞信号并将信号传递至电脑控制系统，电脑控制系统对传感器发出的信号进行运算，识别是否有行人与车辆发生碰撞，一旦识别出行人与车辆将要发生碰撞，则电脑控制系统发出指令给执行系统，执行系统接收指令后将机盖后端顶起，行人头部此时与发动机盖碰撞。

3.2 系统标定

弹起式机盖标定是指采集各种物体与车辆前保险杠发生碰撞的加速度曲线并存储在电脑控制系统中，作为判断是否激活执行系统的条件。在弹起式机盖标定过程中，采用冲击器发射各种物体撞击静止车辆，通过车辆前保险杠内部安装的加速度传感器采集加速度曲线。冲击器可采用液压式、气动式或蓄能弹簧式，其应能够瞬间将物体加速到所要求的速度。弹起式机盖在任何温度下（常温、低温和高温）都应具备完成动作的能力。标定时需要将车辆放置于能模拟各种温度的特定温度箱内，如图4所示。

标定中需要的物体包括两类，一类是使执行系统激活的物体，包括 TRL－LLI（刚性腿模块）、FLEXPLI（柔性腿模块）、PDI－1、PDI－2 等。 其中 PDI是由Concept公司生产的具有最低门槛值的行人模块，PDI－1模拟 6岁儿童假人，PDI－2模拟 5%女性假人，如图5所示。这些物体与车辆发生碰撞的加速度曲线是电脑控制系统激活执行系统的必要条件。第2类物体是指那些不激活执行系统的物体，包括篮球、树枝、小动物、垃圾桶等，图7为发射小动物试验。在标定过程中，需要将上述物体与车辆发生碰撞的加速度曲线进行输入，这些物体与车辆发生碰撞的加速度曲线不会使电脑控制系统激活执行系统。

另外，安装有弹起式机盖的车辆需要进行必要的道路误作用试验，因车辆在行驶过程中，会遇到坑洼路段或撞击路肩等情况，由路面颠簸等 （如路肩路、科隆路、斜路肩、上斜坡）引起的车辆加速度不应使弹起式机盖激活。

4 弹起式机盖测试方法研究

为保证弹起式机盖系统的有效性和可靠性，根据Euro NCAP对车辆弹起式机盖检测要求，并结合对弹起式机盖测试与开发的经验，弹起式机盖必须满足表1中的测试技术条件。

表1 弹起式机盖测试技术条件

4.1 CAE仿真

弹起式机盖车辆安装的传感器必须能够识别一系列行人假人，包括6岁儿童假人、5百分位女性假人、50百分位男性假人、95百分位男性假人等。在CAE仿真中，每个假人都应与车辆进行2次撞击，在2次撞击中只要有1次系统不识别即可判断为HTD假人。

仿真中假人姿态应符合以下要求。

a. 假人站姿要求。假人的站姿应使其面部朝向垂直于车辆纵向中心平面的方向，保证车辆撞击行人侧面。假人的双腿呈前后打开状态，后侧腿首先与保险杠接触，脚后跟之间的距离满足表2中的要求。如果车辆的造型导致假人前侧腿首先与车辆保险杠接触，则仍采用上述假人姿态进行摆放。

表2 模型中行人假人脚后跟之间距离规定 mm

b.H点高度要求。假人穿鞋垂直站立在地面上，使其H点距地面的高度满足表3中的要求。

表3 模型中行人H点与地面之间的距离 mm

c. 摩擦因数。假人脚部与地面之间的摩擦因数应为 0.3±0.1。

信息流可以通过不同的渠道得到。动态认知逻辑也可以模拟在群中的私人交流(考虑电子邮件bcc和cc)、复杂度的问题，可用于处理说谎和欺骗。

d. 测试速度。撞击速度应为能激活弹起式机盖执行机构的最低车速。对应每个假人的撞击位置有2个，一个位于车辆中心线处（点1），另一个位于保险杠内部防撞梁区域最外侧位置（点2），如果弹起式机盖的宽度（Wb）大于防撞梁的宽度（Ab），则需要添加附加点（点3）进行测试，如图7所示。

仿真输出的参数包括保险杠侵入量（D）、保险杠受力（F）、能量（E）和有效质量（Me）等，依据这些参数并结合传感器类型显示仿真模拟用假人与物理试验中模块的相关性，判断HTD。HTD确定后，选择合适的物理假人进行物理试验。对于大部分车型，HTD一般为6岁儿童假人，故目前Euro NCAP选择PDI模块进行HTD物理测试，用于代表6岁儿童假人。

4.2 物理试验

通过物理试验对行人碰撞检测系统和电脑控制系统的有效性进行验证，选择PDI-1作为碰撞模块进行检测系统验证，见图8，同时需要刚性腿冲击器进行冲击测试。PDI-1和刚性腿冲击车辆前保险杠时，弹起式机盖应该弹起，物理试验类型见表4。

物理试验前需要进行如下准备：记录碰撞及机盖弹起过程的高速摄像机；确定试验后撞击位置所使用油彩；测试模块飞行速度所用测速仪；执行系统触发时间显示设备 （可用灯泡并联到执行系统）；弹起式机盖弹起时间显示仪器。

表4 物理试验类型

进行冲击试验时，刚性腿或柔性腿模块重约13.4 kg，安装在设备推进器表面，以40 km/h速度、水平方向冲击碰撞点，模块不必安装传感器；也可使用等质量的代替物进行测试。

弹起式机盖的行人碰撞检测系统能够识别所有冲击器并能够触发使机盖弹起。若HTD假人与机盖撞击后机盖能够完全弹起，并且能够保持在最大展开位置，则说明机盖完全具备设计的保护行人的功能。如果机盖在HTD假人头部与机盖撞击后弹起或是不能永久保持在最大弹起位置，则说明机盖不具备设计的保护行人的功能，甚至可能对行人造成更严重的伤害。

4.3 低于使执行机构弹起的车速测试

在低于使执行机构弹起的车速情况下，弹起式机盖将按照设计不发生弹起，因相对于未安装弹起式机盖的车辆，安装有弹起式机盖的车辆其下方机构相对复杂，这些机构充当了硬点，固其对行人保护性能较差。因此，在此情况下，安装弹起式机盖的车辆在机盖不弹起的情况下也要能够对行人头部提供最低限度保护。Euro NCAP要求，在规定区域（图9中深色网格点区域）应满足伤害值HIC＜1 350, 其中2/3的网格点的HIC≤1 000。

4.4 高车速测试

4.4.1 行人碰撞动力学分析

使用3岁儿童假人、6岁儿童假人、5%女性假人、50%男性假人、95%男性假人进行车辆碰撞动力学分析，撞击速度分别为20km/h、40km/h和60km/h。试验结果表明，不同身高假人碰撞结果不同，身高944 mm的3岁儿童假人头部会与车辆保险杠发生碰撞，弹起式机盖将不会对3岁儿童假人起保护作用，碰撞后会被撞飞；身高1 140 mm的6岁儿童假人头部会与车辆的机盖前缘发生碰撞，弹起式机盖弹起高度足够保护6岁儿童假人，故应将6岁儿童作为弹起式机盖保护的最小对象；5%女性假人和50%男性假人会与车辆的机盖中部和后部产生碰撞，他们是弹起式机盖的重点保护对象；95%男性假人会与车辆挡风玻璃碰撞，故弹起式机盖无法保护身材较高的假人。试验结果还表明，车辆以60 km/h的速度撞击6岁儿童假人时，假人头部将会在假人与车辆碰撞零时刻后的第35 ms撞击机盖，因此弹起式机盖从检测行人到机盖抬升到指定位置的时间最多为35 ms；假人身材愈高、速度愈低，则头部撞击机盖时刻距假人与车辆碰撞时刻所需时间愈长。

假设弹起式机盖从检测行人到机盖弹起需要30 ms，则可得到假人与车辆碰撞零时刻到头部与机盖发生碰撞时刻之间差值的关系，如图10所示。

4.4.2 测试规程与要求

对安装有弹起式机盖的车辆，当车速达到设计值时，该车辆与行人发生碰撞后机盖才能弹起，设计车速一般为20～50 km/h。Euro NCAP官方规定，当以50 km/h车速（弹起式机盖弹起速度高限值）进行物理测试时，要求弹起式机盖必须弹起，但对弹起的时间和高度没有要求，利用表4中的HTD进行物理测试即可。

4.5 行人身体载荷造成机盖变形的测试

弹起式机盖与被动式机盖相比缺少周围支撑点的支撑（如减振胶块），弹起式机盖下方空间增大，如果机盖强度不足，则在行人身体与车辆发生接触而头部尚未与机盖发生碰撞时，由于行人身体冲击机盖会导致机盖出现变形，此时会对行人的颈部造成伤害，因此Euro－NCAP要求头部不应被过度的机盖变形所伤害。

当行人上半身施加载荷至机盖且头部与机盖刚刚接触时，通过测量分别处于弹起和非弹起状态下机盖与头部接触点在竖直方向载荷位移，完成行人身体载荷造成机盖变形的测试。2种状态下机盖在头部与机盖接触点位置竖直方向的载荷位移之差，不得超过机盖在该点因弹起所产生高度变化值的75%，如图 11 所示。 图中 Z（1）和 Z（2）分别为未弹起机盖和弹起机盖状态下由于身体载荷对机盖头部碰撞点产生的Z向压溃位移；h（2）为弹起机盖上某点因弹起所产生的高度变化值。由上述要求可知，Z（2）－Z（1）＜75%h（2）。

5 结束语

发动机弹起式机盖技术的应用可有效减少车辆对行人的伤害程度。分析了弹起式机盖技术原理，以及Euro NCAP对弹起式机盖测试法规要求，通过采用仿真与试验相结合的研究手段，将弹起式机盖设计与法规融为一体，为弹起式机盖设计提出了统一要求。

1 刘庭志.基于行人保护的弹起式发动机罩研究与开发：[硕士论文].广州：华南理工大学,2012.

2 魏政君.基于行人保护的弹起式发动机罩系统的应用研究：[硕士论文].广州：华南理工大学,2013.

3 Dominique Cesari.行人保护和车辆设计.汽车工程学报,2011,1（4）：366～371.