三种典型正面小重叠碰撞试验对比分析

季奕 马伟杰

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

主题词：交通事故 小重叠碰撞 实车碰撞测试 运动响应 乘员损伤

1 前言

随着汽车安全标准及NCAP评价规程的持续推出，大大促进了我国汽车碰撞安全技术的发展，而由于汽车安全技术的发展和进步，车辆正面碰撞中车辆的耐撞性和乘员保护能力有了显著的改善和提高。但是仍有正碰事故造成较大的伤害，就目前而言，正面碰撞大多为100%刚性壁障碰撞和40%可变性壁障碰撞。在这两种试验中，通过有效的设计缓解碰撞冲击，车辆前端的吸能性结构可以全部或局部参与其中，以达到保护乘员的目的。但是交通事故结果显示仍然会有较多的乘员严重伤害事故发生，如图1所示，国外事故统计表明，在正面碰撞事故中，类似撞树或者车对车小重叠碰撞事故占比较高[1-3]。

图1 各国小偏执碰撞事故比例

美国小重叠碰撞事故占正面碰撞总事故的22%，德国和瑞典分别为26%和27%，而这一数据在英国更是达到了34%之高。研究表明，由于事故车辆的前端吸能抗撞结构并没有或很少参与其中，车辆前端结构只是以很小的重叠率发生撞击，使得吸能部分并没有发挥作用，这类碰撞往往带来巨大的车身结构侵入驾驶舱以及强烈的横向运动，乘员的下肢和头颈部会由于这种运动姿态受到伤害[4-5]。NHTSA以及IIHS对美国国家车辆事故样本库中抗撞性样本系统对这类事故进行了深入的研究[6-7]，我们试图最大程度的通过某种试验方法代表小重叠率碰撞，并以此检验车辆结构和乘员约束系统的保护作用是该领域的研究重点[8-9]。随后，关于研究人员也对小重叠碰撞测试方法的对比分析[10]，对于碰撞测试中人体损伤评价指标也进行了大量的研究工作[11-14]，一些新的应对小重叠碰撞测试的方法也被提出[15-16]，由此可见，小重叠碰撞测试评价及应对方法是近年来汽车安全重点研究内容。

目前国内针对小重叠碰撞测试评价技术的研究较少，而考虑到该类碰撞试验对汽车的安全性提出了更高的要求，因此本文主要研究内容包括研究交通事故统计分析方法，并通过国内交通事故的事故统计分析，了解小重叠碰撞事故在我国发生的事故比例及碰撞特征；小重叠碰撞的试验方法大致分为3种形态，即车对车碰撞（Car to Car,C2C）、车对刚性固定壁障碰撞（IIHS）及移动壁障撞击静止车辆（NHTSA）方式，本文通过3次实车碰撞试验，通过车辆动态响应、碰撞强度、乘员损伤及车身变形4个方面分析以上3种碰撞试验的特点。为今后深入开展测试评价方法研究及标准法规的制定具有重要意义。

2 国内交通事故分析

小重叠碰撞事故特点主要包括3点：

（1）碰撞重叠率低，一般小于车宽1/3；

（2）由于重叠率低导致车身主要吸能部件前纵梁无法起到相应的作用；

（3）由于小重叠碰撞时乘员会发生斜向运动，导致原有的约束系统不能充分发挥其保护效果。

因此，本文进行事故数据筛选分析时，将小重叠碰撞事故的定义为（如图2所示）：正面碰撞时，若初次碰撞载荷集中在纵梁外侧（约占车宽25%），并且研究对象均为轿车。

图2 小重叠碰撞事故定义

图3 所示为我国小重叠正面碰撞事故比例占27%，而碰撞部位为车辆的1/4左侧和1/4右侧，分别占比56%和44%。从事故的受伤害程度来看，1/3重叠率重伤及死亡率分别是17%、11%，1/4重叠率重伤及死亡率分别是6%、15%，均高于其它重叠率碰撞形式。

图3 中国小重叠率事故比例

如图4所示，从小重叠碰撞事故车速分布范围较广，车辆碰撞速度超过40 km/h达到了93%，车辆碰撞速度在60 km/h到80 km/h比例最高，占比约为35%，而碰撞速度超过80 km/h的比例也达到了37%。因此，可以看出小重叠碰撞事故中车辆碰撞速度高于其它碰撞事故类型。图5所示为小重叠碰撞事故的平均车速，约为62.4 km/h。

图4 小重叠碰撞事故车速分布

图5 小重叠事故碰撞速度统计

由于小重叠碰撞事故中，车辆前纵梁没有弯曲变形起到很好的碰撞吸能的作用，这就使得车辆碰撞部位纵向变形量明显的大于其他碰撞类型，危害到了乘员的安全。根据车辆碰撞纵向变形量统计分析，如图6所示，车辆纵向变形量分布于30～60 cm的比例较大，约占44.2%；变形量大于60 cm的比例达44.2%，而从车辆结构上分析，当变形量大于60 cm，已经明显威胁乘员仓的生存空间，致使乘员失去必要生存空间，即挤压造成的伤害；而同时车辆发生旋转，乘员在旋转过程中与车辆侧面部件发生强烈接触造成伤害。

图6 小重叠碰撞车辆纵向变形量统计

如图7所示,可以看出正面完全重叠碰撞即正面100%重叠率碰撞中驾乘人员死亡率是最高的，达到17.65%，其次是正面1/4重叠碰撞为15.63%。正面1/3重叠碰撞中驾乘人员受伤率是最高的，达到46.67%，其余重叠碰撞中驾乘人员受伤率相差不大。

图7 正面碰撞事故人员受伤统计

根据小重叠碰撞事故人员伤害情况统计分析，小重叠碰撞事故中对驾乘人员头、面部及胸腔伤害较大，在所有损伤部位分布中，头面部损伤部位数为56，占所有损伤部位数的比例为49.6%，胸腔损伤部位数为21，占比为18.6%，如图8所示；在统计的AIS3+（严重级别及以上的损伤部位）伤害情况中，头面部的损伤部位数最多为14处，占中的AIS3+损伤部位数的比例为60.9%，如图9所示。根据各受伤区域的伤害程度统计发现，小重叠碰撞事故中，驾乘人员的头面部及胸腔部位的受伤比例及伤害严重程度明显高于其他受伤部位。

图8 乘员损伤部位分布

图9 乘员AIS3+损伤部位分布

小重叠碰撞事故中车辆碰撞速度的统计分析发现，发生乘员死亡的事故中碰撞车速均大于35 km/h，而在碰撞速度车速为35 km/h到75 km/h时，车内人员的伤害程度及受伤害的比例均最高，其中，轻伤伤害的比例达到20.2%，重伤比例为7.4%，死亡比例也达到4.3%，如图10所示。此外，通过对比分析发现，车辆在碰撞速度大于75 km/h的情况下，人员受重伤和死亡的比重加大，对人员伤害度加大。

图10 碰撞速度与乘员损伤关联性

3 研究方法

从实际的交通事故特点来分，小重叠偏置碰撞事故形态主要有3种最常见的碰撞形式，车撞固定物体（树、柱等）、车对车直线碰撞、车对车小角度斜向碰撞。目前，小偏置碰撞的试验方法大致分3种形态，即车对车碰撞、车对刚性固定壁障方式以及MDB撞击静止车辆方式，并且碰撞速度、重叠率以及碰撞角度也各有不同，这些重要参数与各国实际道路交通伤害情况及分布密切相关，因此如何结合中国的实际道路交通情况，研究开发适合我国交通特点的小偏置碰撞试验方法势在必行。

3.1 车对车小偏置碰撞测试方法

图11 车对车小偏置碰撞示意图[6]

德国、日本、瑞典等国家从90年代初期就开始小偏置试验研究，特别是Volvo汽车公司，通过大量的仿真分析，确定了不同碰撞速度、碰撞角度以及碰撞偏移量为影响因子的仿真矩阵，研究表明：碰撞角度15度，重叠率为30%时的车身A柱的不稳定性最为明显。因此，本研究车对车测试方案采用国际上普遍的车对车小偏置碰撞试验方法如图11，试验车辆称为目标车Target，撞击车辆称为子弹车Bullet，两车均以56 km/h速度相向而行，接近角度采用15°，重叠率采用25%。车对车碰撞的评价方法多是以现有的假人伤害为基准，参考以NCAP对乘员的评价方法，而车身以及约束系统的情况没有明确的性能参数指标。

3.2 IIHS小偏置碰撞测试方法

IIHS设计开发了4种碰撞壁障，这些是基于他们对实际交通事故的深入分析发现，正面小区域重叠碰撞主要有3种事故形式，车辆前端撞树或电线杆的柱碰、两车呈一定角度迎面相碰的斜碰、两辆车平行的小区域重叠碰撞，针对这3种主要的碰撞形式，Flat50（采用直径为50 mm的平面壁障）Flat150、Polo250（直径为250 mm的柱形壁障）以及正面偏置可变形壁障(Offset Deformable Barrier,ODB)。由于研究结果显示Flat150在车辆侧向位移量、乘员伤害程度、约束系统及假人运动、乘员舱结构完整性方面都是最严重的，IIHS决定采用Flat150作为最终的试验形式（图12）。具体碰撞形式为：车辆以(64.4±1)km/h的速度撞击刚性壁障(壁障高度为1 524 mm，倒角半径为150 mm)，车辆与壁障的重叠率为25%，驾驶员位置放置一个HybridIII50%男性假人用以测量假人伤害。

图12 IIHS小偏置碰撞示意

3.3 NHTSA小偏置碰撞测试方法

美国国家公路安全局（NHTSA）也从2009年开始从事这方面的研究,在此研究基础上，NHTSA开始进行小重叠率碰撞实验的独立研究，评估了不同形式的碰撞类型，至今，NHTSA开发出了2套应用新的研究用的可变形壁障的实验方法,一种是移动壁障以20%的重叠率和7度的碰撞角度撞击车辆。另一种是以35%的重叠率和15度的碰撞角度碰撞车辆，都是为了最大程度的揭示现实世界中成员运动特性和伤害原因。本研究采用的NHTSA最终的试验方案（图13），即：撞击小车和车头重叠面积为35%，试验车辆静止，车头都有一定的偏斜角度，撞击倾斜角则变为15°，测试试验速度为90 km/h，Hybrid III 50%男性假人用以测量假人伤害。

图13 NHTSA小偏置碰撞示意[8]

4 试验结果对比分析

无论IIHS的小偏置刚性壁障试验，还是NHTSA的移动壁障角度碰撞试验，这两类试验方法实质上都是复现在实际交通事故中，车辆发生小偏置碰撞的工况。有理由认为，车对车小偏置试验方法是最接近实际交通事故的碰撞工况，因此选择车对车碰撞的试验结果作为对比基准，分析IIHS和NHTSA试验结果差异性。以下关于3种试验方法的对比分析，均是基于对同一款车分别进行的车对车、IIHS和NHTSA3种小偏置试验的结果展开的。

4.1 汽车运动响应

对比了3种小偏置碰撞中目标车碰撞侧B柱加速度曲线，如图14所示。对于X向加速度曲线，IIHS试验方法的加速度峰值比车对车碰撞的低，但是波形脉宽略宽，而NHTSA试验方法的加速度曲线与之相反，峰值较高，但波形脉宽稍窄；从加速度积分的速度可以看出，NHTSA试验方法的X向速度分量与车对车碰撞更为接近，而IIHS方法的速度与另外二者的差距比较大，整体偏低。对于Y向加速度曲线，NHTSA试验方法的Y向加速度与车对车碰撞更为接近，而IIHS方法的Y向加速度曲线与X向类似，同样是峰值较低，脉宽较宽，但是速度积分的差别与X向速度趋势不同，IIHS方法的Y向速度反而比其他两种方法的要略高。

图14 三种小偏置碰撞试验车身加速度曲线对比

图15 显示了3种小偏置碰撞试验中，碰撞前和碰撞后的车辆姿态。从图15可以直观看出IIHS和车对车小偏置碰撞，车辆均有向左的旋转趋势，而NHTSA的车身运动姿态不同，为向右旋转。通过高速摄像分析可得车身运动曲线，量化的曲线中显示，车对车小偏置碰撞车身转动曲线为正向，表明旋转方向向左，与实际观察结果一致，在150 ms左右时旋转角度约为10°；IIHS车身转动曲线在碰撞前100 ms旋转方向为右向，而后转为左转，150 ms时旋转角度约为4°；而NHTSA小偏置试验方法旋转与前两者相反，150 ms时右转10°。3种小偏置碰撞的车身旋转角度均小于ODB试验中的转动，ODB试验车身转动约为12°@150 ms。

图15 3种小偏置碰撞试验车身运动对比

4.2 碰撞强度分析

用来衡量碰撞波形对车内乘员的相对强度的评价指标VPI（Vehicle Pulse Index），该指数的计算应用了单自由度的质量弹簧模型。模型的构成包括：质量块M代表乘员，弹簧k和松弛量s表征约束系统，见图16。

图16 VPI计算模型

约束系统的刚度k和松弛量s可以由用户自由定义，根据经验，通常情况可以设置k=2 500 N/m/kg，s=0.03 m。x(t)是车辆运动位移函数，作为系统的输入，通常使用主要碰撞方向的分量进行计算。y(t)是乘员的位移函数，作为系统输出，其关于时间的二阶微分加速度函数即为VPI指数。计算方法如式（1）。

式中：M为乘员质量；k为刚度系数；s为松弛位移量，y(t)是乘员的位移函数。

表1 三种试验方法驾驶员伤害指标对比

参考以上方法，计算3种小偏置试验的VPI，曲线如图17。取其最大值，VPI指数分别为52.55 g，32.39 g，55.93 g。虽然前文中，从碰撞速度变化量的角度预言了车对车碰撞强度最大、车辆变形量也会相应最大，但是从VPI指数也可以预言车对车试验的假人伤害处于三者中间，同时IIHS试验方法的假人伤害最低，NHTSA试验方法的假人伤害最高。将VPI指数矢量化，矢量方向参考高速摄像分析的车身X、Y运动分量，结果表明，IIHS小偏置碰撞的横向运动对乘员影响最大，其次依次为车对车小偏置碰撞、NHTSA小偏置碰撞，而传统的40%ODB试验的横向摆动最小，纵向VPI分量与车对车小偏置的纵向分量基本一致。

图17 VPI曲线及矢量图

4.3 乘员损伤分析

在3种试验小偏置试验方法中，车对车碰撞的目标车驾驶员、IIHS和NHTSA试验车辆的驾驶员是距离撞击点最近，乘员空间被侵入量最大的位置，驾驶员是受伤最严重的。因此选取该位置假人的伤害结果进行对比分析。按照响应先后来说，NHTSA响应最早，车对车碰撞次之，而IIHS的响应相对更加滞后。3组加速度曲线整体表现与VPI有着高度的相似规律。从伤害的绝对值看，IIHS试验的HIC36为87、头3 ms加速度为28.73 g、胸3 ms加速度为29.55 g，都非常小，几乎没有伤害；NHTSA和车对车碰撞的伤害值处于同一级别。

4.4 汽车车身变形分析

在IIHS小偏置碰撞试验方法中，包含一项车辆结构评价，通过对车辆乘员舱关键部位的变形量测量，确定车身结构安全的优劣。参考IIHS车身变形量评价方法，测量并计算同一车型在3种碰撞试验方法中的乘员舱变形量，如图18所示。总体而言，车对车碰撞形态中的变形量最大，特别是仪表板部分，已经进入黄色区域，对应评级为acceptable。对于IIHS和NHTSA两种小偏置碰撞方法，其二者的乘员舱变形量基本相同，只有A柱下铰链位置的变形，IIHS方法的变形很大，与车对车碰撞处于同一水平。

图18 车身变形量对比

5 结论

关于车对车碰撞试验方法、IIHS试验方法和NHTSA试验方法的假人伤害对比，整体而言，NHTSA试验方法与车对车碰撞更为接近，二者的头部、颈部、胸部等上半身的伤害相近，虽然腿部伤害中NHTSA低于车对车碰撞，但是曲线总体趋势具有相关性。IIHS试验方法与车对车碰撞差异明显，假人整体伤害均低于车对车碰撞，假人运动姿态也有明显不同。这主要是由于车对车碰撞和NHTSA方法的撞击形式都是被动撞击，即试验车辆自身静止不动，子弹车或移动壁障以一定速度撞击目标车辆，因此不同的目标车辆受到的冲击能量一致；而IIHS的撞击形式是主动撞击，及试验车辆以一定的速度撞击固定壁障，因此不同车辆收到的冲击能量与自身质量有关，车辆质量越重则能量越高，质量越轻则能量越低。以上对比试验中，试验车辆质量较轻，造成IIHS整体冲击能力较低，伤害较低。