基于国家标准GB 11552滑车碰撞试验方法的乘员保护分析

武永强，娄 磊，冯 琦

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300, 中国）

中华人民共和国国家标准GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》是检验汽车内部凸出物性能的重要依据之一，共有3种验证方法，分别为实车碰撞试验、滑车碰撞试验和模拟碰撞试验[1]。综合车型开发成本以及通过率等多因素的考虑，大多数车企会优先选用滑车碰撞试验方法。但滑车碰撞试验方法中的考核点主要是看假人头部是否与车内仪表板等内饰发生撞击，并不考虑假人其它部位及其损伤。诸多学者通过碰撞试验和计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)进行大量数据分析，发现在基于GB 11552检验方法中假人的躯干和下肢均会受到不同程度的损伤。

J. W. Saunders等[2]人对30°碰撞中的驾驶员损伤进行了研究，发现安全带参数对胸部和臀部的损伤有较大的影响；M. S. Salwani等[3]人模拟了一辆以48 km/h行驶的汽车倾斜30°角撞击刚性壁障，结果表明在较低的质量下，部分填充的侧梁能够吸收与完全填充的侧梁几乎有相同的能量。兰州交通大学牛卫中等[4]人通过HyperWorks和LS-DYNA软件对某运动型多用途汽车(sport utility vehicle, SUV)在小重叠正面30°斜角碰撞工况中车体耐撞性的影响因素进行了研究，结果表明斜角碰撞中驾乘人员的损伤较大。华南理工大学的陶孙文[5]通过建立斜角碰撞仿真模型，分析了驾驶员的头部、胸部以及膝盖在斜角碰撞过程中的行为响应以及损伤，发现左大腿较右大腿更易发生肌肉撕裂与骨折。湖南大学等[6-10]人也主要通过有限元模型仿真方法模拟了GB 11552中实车碰撞试验工况，对假人损伤进行了研究，验证了假人损伤不容忽视。

总之，越来越多的研究人员开始关注GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》检验方法中的乘员保护效果，但目前的手段更多的还是基于软件仿真的手段对标准中的试验工况进行模拟，缺乏真实的试验数据支撑。

为了进一步优化GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》中滑车碰撞试验方法的乘员保护效果，最大限度地保护好驾乘人员的乘车安全，本文基于GB 11552-2009 中滑车碰撞试验方法，主要对车辆最大的碰撞偏转角（18°）试验工况中5th假人、50th假人和95th假人的头部、躯干和下肢等部位的损伤情况进行分析研究，并积累了大量的碰撞试验数据，这为GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》相关条款的完善提供了非常重要的参考价值。

1 GB 11552滑车碰撞试验方法

滑车碰撞试验方法是GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》实施中使用率最高的试验方法，它是用白车身代替整车在GB 14166附录F图F.1所示的减速度-时间图表（如图1所示）作用下，使5th假人、50th假人和95th假人产生相当于实车正面碰撞试验中假人向前的移动。

滑车碰撞试验设备及工况示意图如图2所示。

图2 滑车碰撞试验示意图

滑车碰撞试验步骤一般如下：首先，将白车身偏转至最大的偏转角（18°）固定在滑车上；其次，将假人按照要求分别摆放到前排驾驶或副驾驶位置；然后，将假人各部位的传感器与滑车上的数据采集系统一一对应连接；最后，启动滑车控制系统，液压系统前端的活塞按照满足图1条件要求的加速度波形将滑车快速弹射出，至此滑车碰撞试验过程结束。

图1 减速度-时间图

乘员保护效果主要是通过碰撞试验中的假人损伤来直接体现，它也是在标准的制修订过程中作为表征乘员损伤等级的主要参考依据。参照中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）以及相关标准和研究[11-13]，参考2020年C-NCAP评价的25款车型，尤其是对40%偏置碰撞试验中假人各部位损伤结果进行统计，发现假人的躯干和下肢是乘员损伤的主要部位，如表1所示。

表1 2020年C-NCAP评价车型结果统计

25款评价车型中，自主品牌11款，合资品牌14款，其价格主要集中在10～25万元。其中有：6款紧凑型轿车，4款中大型轿车，8款紧凑型SUV ，5款中大型运动型多用途汽车（sport utility vehicle，SUV），2款商用多用途车（muti-purpose vehicle，MPV）。有12款车型综合得分率在90%以上，11款车型综合得分率处于80%～90%之间，2款车型综合得分率在80%以下。25款车型平均综合得分率为88.3%。头颈部表现很好，而胸部和腿部的得分率分为为82.6%和82.3%。

GB 11552-2009 滑车试验方法与40%偏置碰撞有相似的运动特征。因此，本文主要对损伤风险较大的胸部和腿部损伤进行深入研究，分别以表征碰撞过程中驾乘人员的头部、躯干、腿部等部位伤害程度的头部3 ms合成加速度a、胸部压缩量Ddef、大腿力F为研究指标。根据GB 11552-2009的相关要求以及滑车碰撞试验工作原理，搭建了2个位置共计6种试验工况，如表2所示。

表2 6种试验工况

对40多款车型进行了130余次试验，试验车辆均选自市面上销量较大的车型，信息如表3所示。

表3 试验车辆信息

从6种工况中分别随机抽取10次试验（覆盖25个车型）为重点研究对象，以10次试验数据为基础进行统计分析，并以其平均值作为该指标在特定试验工况中的平均表现。

2 乘员保护结果分析

2.1 头部损伤

头部3 ms合成加速度是表征驾乘人员头部伤害程度的主要指标之一。6种工况试验中假人头部3 ms合成加速度a的结果如图3和图4所示。

现行的GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》中滑车碰撞试验方法中仅有的考核点是假人头部与仪表板是否发生接触，表现之一为假人头部3 ms合成加速度不超过80g，即认为假人头部3 ms合成加速度≤80g是相对安全的。

由图3可知：3种假人头部3 ms合成加速度峰值的平均值相差不大，分别为52.49g、55.10g和58.25g，损伤因数（实际值/限值）分别为0.66、0.69和0.73。

图3 驾驶员头部3 ms合成加速度

同理，如图4所示：副驾驶员头部3 ms合成加速度最大值分别为75.71g、71.76g和57.51g，损伤因数分别为0.95、0.90和0.72。这主要是由于现行的GB 11552-2009《内部凸出物》主要的考核点就是针对头部保护且已经实施多年，各大主机厂针对该标准中的考核点已经进行了针对性的优化设计，尤其是在安全带和气囊等约束系统的相互匹配效果上做了更多的改进，对乘员头部保护的技术已经成熟，这是在目前内凸试验中假人头部伤害因数较小的主要原因，也间接地反应出标准对于推动汽车安全性能的提升具有重要的指导意义。

图4 副驾驶员头部3 ms合成加速度

2.2 躯干损伤

胸部压缩量是表征驾乘人员躯干损伤程度的主要参考指标之一。6种工况试验中假人胸部压缩量(Ddef)的试验结果数据如图5和图6所示。

根据C-NCAP评价体系中的损伤指标限值，胸部压缩量高性能限值为22 mm，低性能限值为50 mm。通过大量试验，发现胸部压缩量绝大多数都超过了22 mm。图5和图6中试验结果显示：3种体位假人胸部压缩量超过22 mm的概率约为100%。

图5中驾驶员侧试验3中5th女性假人的胸部压缩量远大于限值，达到了98.76 mm。

图6所示的试验7中95th假人和试验8中5th假人的结果分别达到了93.59 和72.21 mm；结合试验录像分析发现这是由于安全带和气囊匹配效果不理想，造成假人胸部与方向盘发生挤压，对胸部形成一个反向压力，而头部由于惯性继续向前运动，直到头部与气囊接触，逐渐达到最大。图5所示的驾驶员侧试验中5th假人、50th假人和95th假人的胸部压缩量平均值分为42.81、41.93和40.11 mm。

图5 驾驶员胸部压缩量

图6所示3种体位假人的胸部压缩量平均值分别为34.01、34.27和42.76 mm。这是由于驾驶位置有方向盘、转向管柱等结构件的影响，造成驾驶位置的空间相对较小且存在坚硬部件，在碰撞过程中会对驾驶员胸部产生挤压。方向盘和转向管柱越硬，对驾驶员胸部的反向压溃力越大，即胸部产生损伤的风险系数越高。

图6 副驾驶员胸部压缩量

2.3 下肢损伤

膝部是碰撞过程中驾乘人员下肢损伤概率最大的部位，而大腿力是表征膝部损伤程度的主要参数之一。受剧烈撞击和车内空间限制，腿部往往会受到不同程度的损伤。6种工况试验中假人下肢损伤的试验数据如图7和图8所示。

图7 驾驶员下肢损伤

图8 副驾驶员下肢损伤

根据C-NCAP(2021版)中Knee-Mapping试验要求，膝部风险评价主要用来评价车辆碰撞过程中是否会对不同体位乘员膝部造成相应的损伤，即在膝部可能接触到的区域是否存在集中载荷和可变区域接触风险的情况。其中集中载荷主要是通过大腿力是否大于3.8 kN来判断，当超过该值时，表明驾乘人员的膝部存在一定程度的损伤风险。

从图7可得：5th、50th和95th假人的左大腿力平均值分别为21.89、0.81和3.23 kN，右大腿力平均值分别为5.33、9.59和2.18 kN。图7a试验2是由于在碰撞瞬间，受惯性力和车内空间的限制，假人下肢迅速向前移动，而左脚受到脚踏板及车内饰件的阻碍，造成小腿与大腿基本处在同一条线上，即小腿与大腿形成顶死状态，致使碰撞过程中车身受到的冲击力通过脚部和小腿直接传递到了假人大腿上，出现应力集中。

从图8可得：5th、50th和95th假人的左大腿力平均值为1.63、1.45和2.02 kN，右大腿力平均值为0.72、0.78和2.61 kN。这是由于副驾驶位置处前排空间较大，在受到安全带和气囊的共同作用下，假人腿部的撞击得到较大缓冲。

假人大腿力受车内结构件布局和材质性能的影响较大，内饰板结构越凸出、越硬，大腿及膝部损伤风险就越大；同时，安全带的性能参数如点爆时刻和预张紧力对假人下肢损伤的影响也尤为明显，而5th和50th假人对安全带参数的敏感性比95th假人更为显著。一般来讲，点爆时刻过长会造成假人膝部与内饰板发生二次撞击产生损伤，预张紧力过小也会增大假人下肢损伤的风险。

3 结 论

本文基于GB 11552-2009《乘用车内部凸出物》 滑车碰撞试验方法，对其最大的偏转角（18°）碰撞试验工况中5th假人、50th假人和95th假人的头部、躯干和下肢等部位的损伤情况进行研究，在每一种工况中随机抽取10次碰撞试验为基础研究对象，得出以下结论：

假人的躯干和下肢均受到不同程度的损伤，主要表现为假人越大，下肢损伤的风险相对越大，且靠近撞击侧的大腿受到损伤的风险明显高于另一侧的大腿，主要是由于车辆与碰撞方向间呈一定的角度造成的。

假人的头部基本能够得到较好的保护，这是由于现行标准中仅有的考核部位就是头部，表明了标准对于汽车安全性能的提升具有重要的推动作用。

因此，笔者建议：在未来的中国国家标准GB 11552中，应当适度地考量假人的躯干和下肢等部位的损伤。当然，后续还需积累更多的试验数据，为制定各部位损伤指标的限值提供数据支持。

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