汽车-电动自行车与汽车-自行车碰撞中骑车人动力学响应对比研究*

薛海涛，李海波，赵小羽，胡林，林淼

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114；3.中国汽车技术研究中心，天津 300300)

近年来，受政策推广、低碳观念广泛普及等的影响，中国电动自行车数量快速增长，2019年电动自行车产量为2 273.8万辆，2020年产量已达2 548万辆，年增幅超过12%。电动自行车在为居民出行带来便捷的同时，也为道路交通安全带来了新的挑战。电动自行车与两轮车从质量、外形、行驶速度等方面与传统自行车均存在差异，导致电动自行车事故后的动力学响应、驾驶员损伤情况等都可能与传统自行车存在差异。

奥地利DSD公司基于动量和冲量守恒等动力学与运动学的基本理论，研发出PC-Crash事故再现仿真软件，该软件是目前事故再现分析领域应用最广泛的软件，能模拟多种类型事故包括二维、三维的碰撞过程，可输入车辆速度、车辆位置、制动延迟时间及驾驶员对车辆制动踏板和加速踏板的控制数据等，输出车辆轨迹、撞击速度、停止位置等，具有计算时间短、建模效率高、建模结果可靠率高等特点。该文针对中国交通事故深入研究(CIDAS)数据库中的2起案例，运用PC-Crash进行事故重建，分析汽车-电动自行车、汽车-自行车碰撞中汽车车型、速度及碰撞类型对骑车人动力学响应的影响，并进行差异性分析。

1 事故重建

1.1 构建重建模型

人体模型选用PC-Crash软件中调用的多刚体动力学模型，该模型可对人的身高、体重、年龄，车的外形、质量及骑车人的姿态等多方面参数进行调节。汽车模型各部分的机械特性参数分别根据欧洲新车安全评价协会(European New Car Assessment Program，E-NCAP)相似车型的碰撞试验定义，在软件中根据车辆的品牌型号直接调用，并可根据实际车辆参数对其进行修改，对于软件中无法查询的车辆，则可根据其参数找到类似车型并修改其参数。图1为汽车-电动自行车、汽车-自行车的事故重建模型。

图1 汽车-电动自行车、汽车-自行车事故重建模型

1.2 碰撞参数定义

汽车、电动自行车的最终位置由事故现场调查得出，碰撞速度、形态、位置则由事故现场调查提供的数据计算得到。对于汽车与两轮车重心的侧面碰撞，参考GB/T 33195—2016中的公式得出汽车及两轮车碰撞时刻的行驶速度，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：v1为两轮车的行驶速度(km/h)；m1、m2、mp分别为两轮车、汽车、骑车人的质量(kg)；θ1、θp分别为两轮车、骑车人被抛出的角度；φ1、φ2、φp分别为两轮车、汽车、骑车人的纵滑附着系数；s1、s2、s3分别为两轮车、汽车、骑车人碰撞后的滑移距离(m)；v2为汽车的行驶速度(km/h)；k2为汽车附着系数修正值。

针对不同接触情况，汽车、两轮车(包含电动自行车及自行车)、路面、骑车人之间会有不同摩擦系数，具体取值依据车辆外形、材料及路面实际情况确定(见表1)。

表1 不同路面的接触面摩擦系数

根据CIDAS数据统计得到骑车人头部是最容易受伤的位置。头部损伤采用头部损伤标准HIC进行评价，HIC=1 000为人头部的耐受界限。计算公式如下：

(3)

式中：t2-t1为HIC从碰撞接触开始到达最大值时的时间间隔；a(t)为头部重心位置的合成加速度。

2 重建可行性验证

2.1 案例描述及初步分析

从CIDAS数据库中分别选出1起汽车-电动自行车、汽车-自行车正面碰撞事故进行PC-Crash可行性验证。

2.1.1 汽车-电动自行车事故案例

电动二轮车由东北往西南沿道路A行驶，行至道路交叉口时，由于未按照交通指示闯红灯行驶，车辆右侧前部与由西北往东南沿道路B行驶的轿车前部左侧发生碰撞，造成两车受损、电动自行车骑车人受伤。

事故电动自行车不带脚蹬，后驾座无载人现象。事故发生在城市交叉口，汽车驾驶者周围无障碍物遮挡视野，汽车驾驶员驾驶前后无饮酒现象。事故发生前后，天气良好，可见度高，路面平直潮湿。根据2名驾驶者的回顾，事故发生时轿车采取了刹车及右转的制动措施，电动自行车餐区刹车制动。碰撞前汽车行驶速度约为50 km/h，电动自行车的行驶速度约为30 km/h。事故现场见图2(a)。

图2 事故现场示意图

2.1.2 汽车-自行车事故案例

面包车由东向西沿A路左转，由于视线遮挡，车辆左侧前部与沿B路由南向北右转自行车前部发生碰撞。造成两车损坏、自行车骑车人受伤。

事故自行车为脚蹬自行车，后座无载人现象。路口有树林遮挡汽车驾驶者视野，汽车驾驶员驾驶前后无饮酒现象。事故发生地点为乡间，天气良好，可见度高，路面平直粗糙。根据2名驾驶者的回顾，事故发生时未采取任何安全防护措施防止事故发生。碰撞前汽车行驶速度约为20 km/h，自行车的行驶速度约为15 km/h。事故现场见2(b)。

2.2 人员损伤及车辆受损情况

2.2.1 汽车-电动自行车事故案例

电动自行车骑车人左锁骨肩峰端骨质断裂，临近软组织肿胀；右侧腓骨近端骨折断裂，断端稍位移。汽车挡风玻璃中部偏左的位置明显可见由中心向四周扩散的裂纹[见图3(a)]；电动自行车前部外壳脱落，左右后视镜脱落，右侧中部靠后外壳脱落并严重受损[见图3(b)]。

图3 人员损伤及车辆受损情况

2.2.2 汽车-自行车事故案例

自行车骑车人右锁骨粉碎性骨折，头面部擦伤。汽车左前大灯上面发动机盖见明显凹陷痕迹，左前轮外壳见明显刮擦痕迹[见图3(c)]；自行车前轮及后轮均见明显凹陷弯折，前篓见明显凹陷，链条外壳见弯折[见图3(d)]。

2.3 事故重建

2.3.1 汽车-电动自行车事故重建

根据CIDAS数据，轿车在制动并右转后发生碰撞。仿真中设定汽车碰撞时刻的速度为46 km/h，电动自行车碰撞时刻的速度为30 km/h，汽车左侧与车辆右侧发生碰撞。仿真结果中电动自行车及骑车人的抛距与实际情况的比较见表2。电动自行车、骑车人抛距的仿真结果与实际结果的误差小于5%，说明仿真模型与实际情况吻合。

表2 汽车-电动自行车碰撞中抛距及仿真误差

2.3.2 汽车-自行车事故重建

根据CIDAS数据，轿车在碰撞前未采取制动措施。仿真中设定汽车碰撞时刻的速度为20 km/h，自行车碰撞时刻的速度为15 km/h，汽车左侧大灯处与自行车前部发生碰撞。仿真结果中自行车及骑车人的抛距与实际情况的比较见表3。自行车、骑车人抛距的仿真结果与实际结果的误差小于5%，说明仿真模型与实际情况吻合。

表3 汽车-自行车碰撞中抛距及仿真误差

3 碰撞参数对重建结果的影响分析

3.1 汽车车型对骑车人动力学响应的影响

根据汽车结构及统计数据，常见的3种汽车车型分别为普通三厢轿车(Sedan)、多功能汽车(Multipurpose Vehicle，MPV)、运动型多功能汽车(SportUtility Vehicle，SUV)，其外形见图4。

图4 常见汽车车型的外形

分别基于三类不同车型进行汽车-电动自行车、汽车-自行车事故重建，骑车人头部碰撞速度与汽车碰撞速度的关系见图5。由图5可知：无论是电动自行车，还是自行车，骑车人头部碰撞速度均随着汽车碰撞时刻速度的增加而增加；对于不同车型，两者间拟合线性趋势相近，且汽车碰撞速度与骑车人头部碰撞速度呈线性相关，汽车-电动自行车拟合直线的决定系数R2分别为0.979 09、0.998 67、0.998 16，汽车-自行车拟合直线的R2分别为0.995 71、0.999 81、0.998 77。不同汽车车型在汽车-电动自行车与汽车-自行车骑车人头部碰撞速度与汽车碰撞速度的相关性方面表现出一致性，相关强度为SUV>MPV>Sedan，但差别较小。

图5 骑车人头部碰撞速度与汽车碰撞速度的关系

骑车人头部HIC值见图6。骑车人的损伤来源主要是碰撞过程中汽车的撞击及骑车人落地后地面的撞击。由图6可知：骑车人头部损伤HIC值随着汽车碰撞速度的增加而增加。对于不同车型，无论是低速还是高速状态，Sedan车型对骑车人头部HIC值的影响均更大；低速行驶的MPV与SUV，骑车人头部HIC值相近，但速度大于60 km/h时，SUV会对骑车人头部造成更大的损伤；对于电动自行车与自行车，SUV会对电动自行车骑车人头部造成更严重的伤害，Sedan及MPV车型更易对自行车骑车人造成更严重的伤害；汽车行驶速度为55～70 km/h时，各类车型碰撞骑车人头部HIC值均达到1 000的安全界限。

图6 骑车人头部损伤HIC值与汽车碰撞速度的关系

3.2 两轮车速度对骑车人动力学响应的影响

选用最典型的Sedan汽车与两轮车碰面碰撞的工况进行事故重建，探究自行车与电动自行车在不同行驶速度条件下骑车人头部损伤HIC值与两轮车碰撞时刻速度之间的关系。根据文献[11-12]，自行车的一般行驶速度为5～30 km/h，国内48 V电动自行车的一般最高行驶速度可达45 km/h。中国城市机动车辆限速为40～60 km/h，故将Sedan速度设置为50 km/h。重建结果见图7。由图7可知：骑车人头部HIC值随着两轮车碰撞速度的增加而增加；同一速度下，自行车骑车人头部HIC值比电动自行车骑车人头部HIC值更大；自行车碰撞速度在10 km/h时，骑车人头部HIC>1 000；电动自行车碰撞速度约为12 km/h时，骑车人头部HIC值也达到1 000。

图7 骑车人头部损伤与两轮车碰撞速度的关系

3.3 碰撞类型对骑车人动力学响应的影响

选用最典型的Sedan车型进行不同碰撞类型碰撞过程中骑车人动力学响应研究，其中碰撞类型主要有正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞及迎面正碰(见图8)。以电动自行车为例，骑车人头部损伤与碰撞类型的关系见图9。

图8 碰撞类型示意图

图9 骑车人头部损伤与碰撞类型的关系

由图9可知：不同碰撞类型下骑车人头部损伤HIC值与汽车碰撞速度正相关。对于电动自行车，汽车速度低于40 km/h时，碰撞类型对骑车人头部损伤的影响较小；汽车速度大于40 km/h时，追尾碰撞对骑车人头部造成的损伤明显高于其他类型，且这种差异随着汽车速度的增加而增大；汽车速度大于60 km/h时，侧面碰撞头部损伤值逐渐高于正面碰撞及迎面正碰。对于自行车，车速大于20 km/h时，侧面碰撞对骑车人头部造成的损伤逐步大于其他碰撞类型，且这种差距随车速的增加而增大，其次分别是追尾碰撞、正面碰撞、迎面正碰。对于汽车-电动自行车及汽车-自行车，迎面正碰均是所有碰撞类型中损伤风险最低的碰撞形式。

3.4 讨论

通过对不同车型下汽车-电动自行车及汽车-自行车骑车人动力学响应的影响研究，发现不同车型条件下电动自行车和自行车骑车人头部碰撞速度与汽车碰撞速度近似正线性相关，且趋势均相近，但电动自行车与自行车骑车人头部HIC值存在差异；电动自行车不同车型碰撞下骑车人头部HIC值随汽车碰撞速度变化的趋势相近，但汽车-自行车骑车人头部HIC值曲线趋势速度为Sedan>MPV>SUV。汽车行驶速度为55～70 km/h时，各类车型碰撞骑车人头部HIC≥1 000，为确保两轮车骑车人的安全，汽车正常行驶速度建议不超过50 km/h。除SUV车型外，电动自行车骑车人头部损伤风险更低。

根据两轮车行驶速度对骑车人动力学响应影响的研究结果，同一速度碰撞条件下自行车骑车人头部损伤值更大，且当两轮车碰撞速度>30 km/h时差异更明显。自行车碰撞速度为10 km/h、电动自行车碰撞速度约为12 km/h时，骑车人头部HIC值均达到头部耐受极限1 000，建议两轮车骑车人出行佩戴头盔，且行驶速度控制在15 km/h内，速度越低，碰撞发生后头部损伤HIC值越低。

不同碰撞类型对两轮车骑车人头部损伤HIC值有显著影响。侧面碰撞及追尾碰撞是风险最高的碰撞类型，且侧面碰撞在汽车-自行车事故中变化趋势最明显；除迎面正碰外，在汽车-电动自行车及汽车-自行车事故中，其他三类碰撞类型均在汽车碰撞速度为50 km/h左右时骑车人头部HIC达到1 000的耐受极限，故汽车正常行驶速度建议不要超过50 km/h。除迎面正碰外，自行车骑车人头部损伤均大于电动自行车骑车人。

4 结论

通过对两例CIDAS数据库事故案例的再现分析，运用PC-Crash进行汽车-电动自行车、汽车-自行车事故重建及骑车人动力学响应分析，得到以下结论：1)汽车车型对自行车骑车人头部损伤有显著影响，但对电动自行车骑车人头部损伤的影响较小；汽车、两轮车行驶速度及碰撞类型对骑车人头部损伤均有显著影响。2)汽车速度大于55 km/h时，碰撞极可能使骑车人头部损伤HIC值大于1 000的耐受极限。3)自行车碰撞速度为10 km/h、电动自行车碰撞速度约为12 km/h时，骑车人头部HIC值均达到头部耐受极限1 000，两轮车驾驶员出行需佩戴头盔。4)侧面碰撞及追尾碰撞是风险最高的两类碰撞类型。5)碰撞过程中，自行车骑车人的头部损伤风险高于电动自行车骑车人。

文中仅对汽车车型、速度、碰撞类型等因素展开研究，但实际案例中影响骑车人动力学响应的因素很多。此外，研究中仅考虑了汽车前部与两轮车发生碰撞的事故，实际中存在两轮车追尾汽车、两轮车与汽车侧面发生碰撞等，这些碰撞形式都可能产生不同的结果输出。因此，有待进一步研究。