某SUV车型小偏置和40%偏置碰撞中驾驶员伤害分析

黄志刚，王立民，刘灿灿，张山

某SUV车型小偏置和40%偏置碰撞中驾驶员伤害分析

黄志刚，王立民，刘灿灿，张山

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

为研究小偏置（SOB）碰撞试验和40%偏置碰撞试验中驾驶员伤害特点，基于SOB和C-NCAP 2018版评分标准对两个试验中假人伤害进行分析。结果表明，小偏置试验相比40%偏置试验碰撞更加剧烈，乘员舱侵入量更大，与此同时，假人各部位伤害相比40%偏置碰撞更加严重。试验结果可为车型、约束系统设计提供参考。

被动安全；小偏置碰撞；40%偏置碰撞；假人伤害

随着经济的发展，汽车保有量逐渐增多，汽车碰撞事件得到了人们越来越多的重视。汽车碰撞试验是验证汽车被动安全的重要手段之一，针对汽车碰撞，世界各国颁布了汽车碰撞法规，此外，新车评价规程（NCAP）也逐渐完善。中国新车评价规程（C-NCAP）经过发展，2018版正式颁布。

汽车正面碰撞试验形式主要有100%正面碰撞、40%偏置碰撞，经过统计，事故车辆重叠率为30%～40%时受伤率最高。在实际重大汽车碰撞事故中，小重叠碰撞事故占到了汽车碰撞事故的25%，但此类碰撞形式未列入各国碰撞法规和新车评价规程中[1]，为研究此类碰撞形式，公路安全保险协会（IIHS）于2012-08颁布了小偏置试验方法和试验评价准则[2]。

对于40%偏置和小偏置两种试验形式，国内外已经做了大量的实车碰撞试验，但鲜有两种试验形式的假人伤害对比分析。本文基于IIHS小偏置试验规程以及GB/T 20913—2007试验规程，选取某SUV车型进行实车碰撞试验并按照不同评价标准进行分析，对比不同试验类型假人伤害和车身加速度大小，由于C-NCAP 2018版标准相比GB/T 20913—2007评价更加严苛，所以参考2018版C-NCAP标准分析40%偏置试验中假人伤害。

通过分析可以直观研究不同正面碰撞事故类型下驾驶员伤害特点，同时为汽车设计提供参考。

1 小偏置及40%偏置碰撞形式

小偏置试验碰撞形式如图1所示，试验车辆以速度（64.4±1.0）km/h正面撞击一刚性壁障[3]，碰撞时，车辆前端与壁障的重叠率在（25±1）%车辆宽度范围内，壁障下边缘与地面接触。试验中所用的假人为Hybrid III 50%男性假人，该试验主要模拟车辆撞击电线杆、树木和另一辆车碰撞工况。小偏置碰撞假人伤害评价指标如表1所示。

40%偏置碰撞形式如图2所示，试验中壁障为固定可冲击变形壁障，试验车速度为56.0～57.0 km/h，试验车与壁障的重叠率在40%车辆宽度±20 mm范围内。试验车辆前排驾驶员和乘员分别放置一个Hybrid III 50%男性假人，用来测量前排假人伤害。试验中所用蜂窝率与ECER94中所使用蜂窝率一致，蜂窝率下边缘距离地面200 mm。

表1 SOB假人伤害指标

部位伤害指标参考限值优秀及格差 头HIC15700560700840 颈部NIJ1.000.81.001.2 颈部拉力/kN3.32.63.34.0 颈部压缩力/kN4.03.24.04.8 胸胸部加速度（3 ms）/g60607590 胸部压缩量/mm﹣50﹣50﹣60﹣75 压缩速度/（m/s）﹣8.2﹣6.6﹣8.2﹣9.8 粘性指标VC/（m/s）1.00.81.01.2 下肢膝-大腿-髋损伤风险KTH/（%） 51525 胫骨-大腿骨位移/mm-15-12-15-18 胫骨轴向力/kN﹣8.0﹣4.0﹣6.0﹣8.0 胫骨指数TI（上、下）1.000.801.001.20 脚部加速度/g150150200260

图1 小偏置碰撞形式

图2 40%偏置碰撞形式

2 试验假人伤害分析

试验车型选择国内某企业生产的SUV，车辆整备质量为1 777 kg（前轴861 kg，后轴916 kg），车辆宽度为1 835 mm。分别按照SOB以及40%偏置碰撞两种试验形式进行试验，下面分别对两种试验假人伤害进行分析。

2.1 小偏置试验

2.1.1 头部伤害研究

小偏置试验中，假人头部伤害采用头部伤害指数进行评价，由假人头部合成加速度在一定时间内的积分得到，按照以下公式计算：

式（1）（2）中：R为头部质心合成加速度；X，Y，Z分别为头部质心三个方向的加速度。

小偏置试验中，2－1=15 ms，计算碰撞过程中15的最大值并进行评价。在小偏置碰撞过程中的假人头部合成加速度如图3所示，根据碰撞过程中高速摄像图可以观察气囊在不同碰撞时刻展开形态以及与假人接触情况，如图4所示。当=89 ms时，头部合成加速度达到最大值51.2 g，此时假人头部与气囊接触最充分；当碰撞时间在173～280 ms时，可以看到，头部加速度曲线有一个小的尖峰。试验后假人照片如图5所示，假人头部颜色染在了圆圈所示车身结构上，假人头部在与气囊充分接触后发生侧向甩动，与车辆A柱发生了二次碰撞。通过头部合成加速度曲线，求得15 ms内最大伤害指数15=228（82～97 ms），低于小偏置优秀限值650，所以头部评价为优秀。

图3 SOB假人头部合成加速度

图4 不同时刻假人姿态

图5 试验后假人照片

2.1.2 颈部伤害研究

由表1可知，小偏置试验中颈部伤害需要研究颈部伤害指数ij[4]、颈部轴向张力及颈部压力。其中颈部轴向张力及颈部压力是按照时间累积曲线进行评价的，其表示在碰撞过程中某一大小的力所持续的时间。

ij按照下式进行计算：

式（3）中：z为轴向力；y为颈部弯矩；int和int为轴向力和颈部弯矩的临界值，不同形式下的ij按照表2进行计算。

表2 不同形式计算取值

Nij颈部轴向力颈部弯矩FintMint Ncf压缩力F＜0M＞0﹣6 106 N310 Nm Nce压缩力F＜0M＜0﹣6 106 N310 Nm Ntf拉伸力F＞0M＞06 806 N﹣135 Nm Nte拉伸力F＞0M＜06 806 N﹣135 Nm

经过计算，不同碰撞时刻的颈部伤害指数ij如图6所示，其中ce（37.7 ms）=0.015，cf（23 ms）=0.005，te（65.2 ms）=0.131，tf（85 ms）=0.278。在4个指数中，最大值为碰撞时刻为85 ms，tf=0.278，此数值小于SOB要求的0.8，所以针对ij，评价结果为优秀。

颈部压缩力和颈部拉力还要按照累计伤害曲线进行 评价，颈部轴向压缩力和颈部拉力的累积伤害曲线如图7和图8所示，观察后可知，轴向压缩力最大值为0.038 kN（17 ms），轴向拉力最大值为1.655 kN（85 ms），累积伤害曲线均在限值以下，按照IIHS SOB规范要求，颈部伤害指标评价结果为优秀。

2.1.3 胸部伤害研究

根据IIHS-sob试验评分规程，胸部伤害评价要考察胸部压缩量、胸部压缩率、粘性系数以及胸部加速度（3 ms）g。

胸部加速度（3 ms）g表示在碰撞过程中持续时间达到3 ms的最大加速度，粘性系数用胸腔的变形速率与胸腔的挤压变形率的乘积来表示[5]：

式（4）中：D（t）为胸腔厚度随时间变化的关系；D为初始胸腔厚度；VC的单位为m/s。

图7 颈部压缩力累积伤害曲线

图8 颈部拉力累积伤害曲线

碰撞过程中假人胸部压缩量、粘性系数以及胸部加速度曲线分别如图9、图10、图11所示。

观察后可知，最大胸部压缩量为29.7 mm，小于限值50 mm；经过计算胸部压缩率最大为1.251 m/s，小于限值6.6 m/s；胸部3 ms时最大合成加速度为47.65 g，小于限值50 g。胸部粘性指数最大值为0.183，远小于规范要求限值0.8。综上，按照上述4个指标，胸部伤害的评价结果为优秀。

图9 胸部压缩量曲线

图10 胸部VC曲线

图11 胸部合成加速度曲线

2.1.4 下肢伤害分析

下肢伤害分析包括膝-大腿-髋关节损伤风险、膝部位移、胫骨指数、胫骨轴向压缩力、脚部加速度。

指数由RUPP在2009年提出，用来评价大腿-髋关节损伤。准则与最大腿部压缩力的持续时间有关，通过系数可以评价腿部的伤害等级。其计算方法的依据为大腿力曲线，从峰值前大腿力数值为0时刻开始，一直积分到大腿力数值等于4 050 N为止。等于5%是优秀和可以接受的边缘。

碰撞过程中的大腿力曲线如图12所示，可知大腿力峰值小于4 050 N，所以积分结果为0，评价结果为优秀[6]。

左侧以及右侧膝部位移曲线如图13所示，用以表征膝部与仪表台碰撞产生的位移损伤，由于该车型配备了膝部气囊，双膝位移数值都较小，双膝位移最大值为右膝位移 3.36 mm，小于规范要求的12 mm。

图12 大腿力曲线

图13 膝位移曲线

胫骨指数综合考虑小腿弯矩与轴向压缩力，ZUBY（2001年）和WEIBOURNE等人（1998年）[7]详细阐述了胫骨弯矩与轴向压缩力的关系。在轴向压缩力的影响下，经过调整计算后的胫骨弯矩Yadj如下：

Yupperadj=Yupper－Z×0.028 32 （5）

Yloweradj=Ylower－Z×0.006 398 （6）

式（5）（6）（7）（8）中：X，Y分别为绕、轴的弯矩；Z为腿部轴向压缩力；C为临界弯矩，225 Nm；C为腿部轴向压缩力的临界值，35.9 kN。经过计算右侧小腿的指数峰值大于左侧小腿的指数。

碰撞过程中右小腿上下指数如图14所示。其中，上小腿指数峰值为0.44，下小腿指数峰值为0.48，两者均小于规范要求的限值0.8。与此同时，下小腿轴向压缩力也需要满足一定条件。左右腿各自较大峰值的轴向压缩力曲线如图15所示，可以看出，两腿轴向压缩力达到峰值的时刻几乎相同，左腿和右腿压缩力峰值分别为2.428 kN和3.032 kN，均小于规范要求的限值4 kN。

针对脚部指标评价，小偏置试验要求脚部的加速度不能超过150 g，脚部加速度受踏板变形、脚部与地板接触、小腿运动影响。试验中假人的左右脚部合成加速度如图16所示，碰撞时刻区间为54.16～57.16 ms时，左脚3 ms合成加速度最大值为56.638 g；碰撞时刻为75.03～78.03 ms时，右脚3 ms合成加速度最大值为59.588 g，峰值均小于150 g。此外，右脚的加速度峰值时刻较左侧脚部加速度峰值时刻滞后，分析原因为左侧脚部区域相比右侧碰撞区域变形更加严重且右侧脚部空间相比左侧较大，所以左侧脚部接触更早且更加充分，合成加速度峰值出现时刻更早。

综合上述，根据对头、颈部、胸、下肢的评价结果，该车型小偏置试验中假人伤害指标均为优秀。

图14 腿部TI指数

图15 腿部轴向压缩力

图16 脚部合成加速度

2.2 GB/T 20913—2007的40%偏置试验

对照C-NCAP 2018版进行GB/T 20913—2007的40%偏置试验假人伤害分析，与小偏置试验评价过程相似，同样要对驾驶员头、颈部、胸、下肢伤害进行分析。各部位评价结果如表3所示。由表3可知，假人各部位伤害均低于优秀限值，评价结果皆为优秀。

表3 C-NCAP2018偏置假人伤害指标及评价

部位伤害指标优秀及格数值评价结果 头HIC156501 00064优秀 3 ms时的加速度/g728829.5优秀 剪切力Fx1.9@0 ms 1.2@25～35 ms 1.1@45 ms3.1@0 ms 1.5@25～35 ms 1.1@45 ms0.356优秀 张力Fz2.7@0 ms 2.3@35 ms 1.1@60 ms3.3@0 ms 2.9@35 ms 1.1@60 ms1优秀 颈部弯矩42 Nm57 Nm30.1优秀 胸胸部压缩量/mm225023.1优秀 粘性指标VC/（m/s）0.51.00.056优秀 下肢大腿压缩力/kN3.89.07@0 ms 7.56@≥10 msL1.334 R0.636优秀 膝盖滑动位移/mm615L1.334 R1.919优秀 小腿胫骨指数TI0.41.3L0.24 R0.23优秀 小腿压缩力/kN28L1.300 R1.494优秀

2.3 两种类型试验指标对比分析

对两个试验的车身加速度、假人伤害、车身特定点位移量进行分析，对比两个试验各项指标的差异，进而分析不同重叠率偏置试验伤害特点。

小偏置试验与40%偏置试验在碰撞过程中的驾驶员侧车身方向加速度曲线如图17所示，从图17可以看出，小偏置试验中车身加速度峰值为96.9 g，远大于40%偏置碰撞试验中车身加速度峰值27 g。

除此之外，小偏置试验中车身加速度达到峰值的时刻要比40%偏置试验中时刻提前。分析其原因发现，小偏置碰撞时，车辆的主要变形区域为车身驾驶员侧，与40%偏置碰撞相比，车辆前方的纵梁并未起到变形吸能作用，导致车身乘员舱变形严重，A柱弯折角度大，左前轮毂变形严重，所以，小偏置试验中驾驶员侧车身加速度峰值要远远大于高重叠率的偏置试验。

图17 车身加速度曲线

两个试验的驾驶员头部合成加速度曲线如图18所示。

经过计算，小偏置试验中头部3 ms合成加速度为 49.8 g，大于40%偏置试验中头部合成加速度峰值29.8 g。参考车身加速度特点，小偏置试验碰撞更加剧烈，驾驶员与气囊接触更加充分，同时碰撞过程中车辆产生横向的角加速度，头部横向加速度增大，小偏置试验相比40%偏置试验驾驶员头部伤害较大。

小偏置试验与40%偏置试验碰撞过程中驾驶员胸位移曲线如图19所示。

图18 头部加速度曲线

图19 胸位移曲线

由图19可知，小偏置试验中驾驶员胸位移峰值为 29.7 mm，大于偏置碰撞试验中胸位移峰值21.8 mm，同样有峰值时刻提前的特点。胸位移偏大与小偏置试验特点有关，由于乘员舱发生了严重变形，小偏置试验中转向管柱位移量更大，对驾驶员胸部的伤害更加严重。

40%偏置试验腿部轴向压缩力如图20所示。研究两个试验中假人下肢伤害特点，对比图15与图20可看出，小偏置试验中两腿轴向压缩力峰值分别为2.428 kN和3.032 kN，大于对应40%偏置试验中的1.3 kN和1.494 kN。小偏置试验中对驾驶员腿部的伤害要比40%偏置试验严重，为了提升驾驶员的安全性，减少碰撞过程中乘员舱位移量可有效减小对下肢的伤害。

图20 40%偏置试验腿部轴向压缩力

3 结论

本文选择某SUV分别进行了两种不同类型的试验，按照IIHS SOB以及GB/T 20913—2007试验规程执行试验，并参考C-NCAP 2018试验评价标准分别对假人伤害进行分析，对比了两个试验车身、假人伤害指标，得到以下结论：①该SUV车型按照IIHS SOB和C-NCAP2018偏置评价各项指标，均为优秀；②小偏置碰撞试验中，驾驶员头、胸、下肢伤害均高于40%偏置碰撞试验，乘员舱变形更加严重；③小偏置碰撞试验由于前部碰撞纵梁没有起到作用，且碰撞壁障为刚性，车身加速度远大于40%碰撞试验中车身加速度情况；④为了减少小偏置试验中驾驶员伤害，需要强化A柱强度，增加缓冲区传力途径，优化约束系统以减少驾驶员头部在车辆碰撞测甩过程中与车身结构发生的二次碰撞伤害。

［1］陈可明，乐中耀，李雪玲.国内车辆小偏置正面碰撞试验现状［J］.汽车技术，2016（5）：47-51.

［2］赵晏强，李金坡.基于中国专利的锂电池发展趋势分析［J］.情报杂志，2012，31（1）：35-40.

［3］HENSHAW J L.Insurance Institute for Highway Safety［J］.Medical S，2003（9）：289.

［4］刘宏达，李永刚，雷斌，等.国内某车型小偏置碰撞假人伤害分析与研究［J］. 汽车科技，2018，266（4）：63-70.

［5］杨杏梅. 轿车碰撞事故中儿童乘员的损伤防护技术研究［D］.长沙：湖南大学，2010.

［6］ZUBY D S，NOLAN J S，SHERWOOD C P.Effect of hybrid III geometry on upper tibia bending moments（SAE 2001-01-0169）［C］//Biomechanics Research and Development（SP-1577），2001.

［7］WELBOURNE E R，SCHEWCHENKO N.Improved measures of foot ankle injury risk from the Hybrid III tibia［C］// Proceedings of the 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，1998.

F407.471

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.003

2095－6835（2020）02－0008－06

黄志刚（1992—），男，硕士，研究方向为汽车被动安全。

〔编辑：张思楠〕