25%小偏置碰撞策略及测试评估研究

贾丽刚，农天武，劳 兵，林智桂

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

1 引言

近几年来，汽车碰撞事故不断增加，给人们的安全造成很大的威胁，主机厂逐渐在车辆安全上增加投入，合理的试验在车辆开发中具有重要的意义。据不完全统计，在汽车碰撞事故中正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞所占比例分别是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高［1］。

在2012年，由美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）率先提出了25%小重叠碰撞概念，之后引入到IIHS法规中，在各国家不断地开展试验研究。早在2005年，文献［2］就发表了针对于车体和底盘结构对偏置碰撞传力影响的文章；随着IIHS的测试数据公布，2014年，研究者文献［3］也深入研究发现测试车辆的吸能策略问题。从国内外数据上看，研究内容比较单一，只从某些结构分析利弊。同时，国内C-IASI（中国保险汽车安全指数）也进行了车辆的小偏置试验研究，从C-IASI公布的两次试验结果来看，国内汽车小偏置工况整体还处于较差状态。

由于国内C-IASI公布的测试车辆数量较少，现从IIHS官方网站收集100余辆不同类型的乘用车进行评估研究，其中包括小型、中型、大型、豪华轿车以及不同种类的SUV车型。根据试验特点将车辆碰撞区域分为四大部分，建立碰撞转角与碰撞区域的数学模型，基于数学模型分析车辆在不同碰撞策略下的评估情况，运用合理的碰撞策略可以使车辆小偏置碰撞更容易达到法规要求。组合策略综合性能较好，掠过策略由于自身的二次碰撞问题而次之，吸能策略较差。

2 25%小偏置碰撞特点及理论分析

2.1 25%小偏置碰撞特点

小重叠偏置碰撞（也称小偏置碰撞）与以往的正面碰撞有所不同，对于IIHS的试验要求来说，小重叠障碍碰撞测试是（25±1）%的重叠，其碰撞的速度是64.4km/h，此速度也超过了正面全宽碰撞和40%重叠碰撞的速度，所以被称为历史上最为严格的碰撞法规。汽车碰撞中评估分为Good（G）、Acceptable（A）、Marginal（M）、Poor（P）四个等级［4］。25%小重叠偏置碰撞试验，这里所谓的25%，是壁障的右边缘重叠于车辆左边的中心线25±1%的车辆宽度［4］。驾驶员侧的碰撞，如图1所示。

图1 IIHS碰撞测试Fig.1 IIHS Crash Test

根据SAEJ 224标准研究的汽车分区结构［5］，标准中将碰撞区域分为4大区域、9个小部分，其中前5个小部分为等效区；第6部分为前风挡区；7、8部分构成前乘员区；第9部分为后乘员区（分界线为前门锁扣），如图2所示。

图2 测试车辆的碰撞区域分类Fig.2 Test Vehicle Energy Crash Area Classification

碰撞过程中，碰撞力不经过传统的前防撞梁、吸能盒、前纵梁等部件，其吸能完全由Shotgun、A柱等结构传递和分散冲击力，以前设计的车辆很难在试验中获得较好的成绩。碰撞后期，尤其是车轮卡在壁障与门框之间时，将会对乘员舱造成较大的侵入，侧向冲击较大。

2.2 25%小偏置碰撞状态分析

在法规试验条件下，通过对各车型的碰撞进行研究，得到碰撞后的状态转角公式［6］，对应的状态角度r，如图3所示。

图3 碰撞后的状态Fig.3 Collision of the State

变换式（1），得到：

边界条件是：

式（3）用sin(ϕ1)表示：

则状态角度r：

式中：d1—碰撞点到整车的质心的距离；OW—整车的宽度；OL—碰撞重叠区域，小偏置为25%重叠宽度；AP—保险杠前端到风挡玻璃上端的距离；G—前保险杠到质心的距离；ϕ1—车辆中心轴线和d1之间的夹角；r—碰撞后的转角。

从上式中可以看出，碰撞时有两个关键点，分别是碰撞点到整车的质心的距离d1和碰撞后的状态角度r，主要与前等效区和前挡风过渡区的长度AP成正相关性。25%小偏置碰撞的特点决定了碰撞点不经过汽车的纵向中心线，所以会产生一定的转矩，也就意味着产生有侧向速度，在侧向速度的作用下车辆会产生碰撞掉头的现象，超过一定角度后评估得分较差。从式（5）中看出，AP改变，相应的碰撞后的转角也改变。碰撞中最重要的是减小各区域的侧向速度，合理的把握各区域的能量转化，并考虑如何将最终的状态角变小。

此外，汽车在碰撞时的状态还与其转动惯量有很大的关系［7］：

式中：I—转动惯量；k—转动的回转半径；m—整车的碰撞质量。

式中：E0—初始动能；E1、E2、E3—对应前方三块吸能区域；m—测试车辆的整车质量—碰撞后在三个侧向方向的速度残余量，z方向忽略不计。

由式（6）、式（7）可知，如果车辆较重，更应该考虑如何吸能并保持较小的碰撞转角。在相同的测试条件下，得分较高的车辆在碰撞后的侧向速度较小，并且可以使车辆保持直线行驶状态，碰撞转角r较小；对于得分较低的车辆，碰撞后会出现掉头现象，甚至会出现90°的掉头，碰撞r较大。因此，通过以上公式就可以解释IIHS试验中，部分车辆碰撞后呈直线或很小侧向偏移的状态，部分车辆碰撞后呈掉头的状态。依据车辆碰撞转角状态，将25%小偏置碰撞归结为三种不同的碰撞策略，分别是吸能策略、掠过策略和综合策略（掠过+吸能），如图4所示。其中，碰撞区域1、2、3分别对应碰撞冲击力F1、F2、F3，初始碰撞角度为r0。

图4 不同策略的状态图[8]Fig.4 Different Strategies of State Diagram

3 25%小偏置碰撞策略及评估验证

从IIHS公布的测试结果中收集了100余款不同类型的车型，包括小型、中型、大型、豪华型轿车、MPV、SUV和皮卡车型。其中，车身结构评价为Good的吸能策略有66款；掠过策略的有10款；掠过+吸能策略的有26款。吸能策略占比为64.7%，掠过策略占比为9.8%，组合策略占比为25.5%，可见吸能策略在碰撞中的采用率比较高。以下是几款典型车辆不同策略下碰撞后的状态，如图5所示。

图5 典型车辆碰撞策略Fig.5 Typical Vehicle Collision Strategy

3.1 25%小偏置碰撞吸能策略

吸能策略：大多数车辆采用的策略，主要通过加强乘员舱和发动机舱达到碰撞安全目的。根据各区域受力的不同，将吸能策略分为几种不同的类别：

（1）防撞梁不起作用，大部分力由风挡区域分担，小部分由乘员舱承担，F1≈0，F2＞0（F2＜＜F3），F3＞0，这是目前主机厂应用最广泛的一种开发策略，它要求车辆具有比较厚实的乘员舱，可以抵抗较大的碰撞冲击力；此种情况在原有的基础上改款比较容易。其典型的车型碰撞参数，如表1所示。

表1 IIHS小偏置碰撞车辆统计（1）Tab.1 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（1）

（2）只有乘员舱区吸能并承受所有的支撑力，前风挡区域也基本不起作用，只作为导向机构。此种情况的受力特点是：F1≈0，F2≈0，F3＞0，其典型的车型碰撞参数，如表2所示。

表2 IIHS小偏置碰撞车辆统计（2）Tab.2 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（2）

（3）将防撞梁横向延长起到吸能的作用，例如本田思域采用铝合金双吸能盒结构，结合shotgun等结构设计并综合考虑各区域板件的性能，保证所有区域都是吸能区，其代表车型主要是本田思域，本田一直都致力于吸能的策略，将三个区域都做成吸能区［8，9］，其受力情况是：F1＞0，F2＞0，F3＞0，典型车型的碰撞参数，如表3所示。

表3 IIHS小偏置碰撞车辆统计（3）Tab.3 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（3）

3.2 25%小偏置碰撞完全掠过策略

完全掠过策略：这是与吸能策略相对的一种碰撞策略，完全掠过壁障的优势是碰撞冲击力较小，乘客生存空间几乎不变形，IIHS碰撞测试都会得到Good评估，其缺点是在实际的碰撞事故中可能造成二次碰撞的危害。典型碰撞测试车辆是沃尔沃S90（轿车），其受力情况是：F1≈0，F2≈0，F3≈0，具体车型碰撞参数，如表4所示。

表4 IIHS小偏置碰撞车辆统计（4）Tab.4 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（4）

3.3 25%小偏置碰撞掠过+吸能策略

掠过+吸能策略：在IIHS公布的数据中，有些车辆采用了前两种策略结合的方法，俗称吸能+掠过策略。像宝马、沃尔沃（SUV）、雪佛兰等车辆采用的是掠过和吸能的方案［10］，这种方案将Shotgun设计成导向机构，所以这种策略有很强的针对性，乘员舱承受一定的碰撞力但不足以对乘员舱产生破坏，而且避免了二次碰撞事故。其受力情况是：F1≈0，F2≈0，F3＞0(F3＜＜F0（F0是乘员舱所能承受的最大碰撞力））。具体车型碰撞参数，如表5所示。

表5 IIHS小偏置碰撞车辆统计（5）Tab.5 IIHS Small Offset Vehicle Collision Statistics in（5）

同时，为得到更全面的结果而加入质量分量。从散点图可知，质量较高的车辆得到差评的几率会更大，但合理的策略会弥补不足，从侧面说明了碰撞策略的重要性，如图6所示。图中可知，吸能策略在碰撞得分不稳定，在三种策略中最差。掠过策略等级评价与质量相关性不大，但缺点是在实际碰撞中会产生二次事故。组合策略比较适中，中和两种极端策略的不足。

图6 不同策略下状态角和等级的关系Fig.6 Different Strategy of Angle and Level Relation

（1）吸能策略是大多数车辆采用的策略，这种策略要求车辆的乘员舱具有很强的刚度，保证乘员的生存空间，大部分车辆依靠驾驶舱的刚性抵抗碰撞的冲击力，此种吸能策略只有少数几款得到很好的评价，最为典型的是凯美瑞。

（2）完全掠过的碰撞策略得益于具有导向作用的Shotgun和乘员舱的良好配合，可以很好的避开壁障并保持车体的直线行驶，评分都会得到Good的评分，但其缺点是在实际的碰撞事故中会造成二次碰撞事故，沃尔沃车型善于运用此种方式；

（3）掠过+吸能的方式是综合的碰撞策略，可以避开其他两种的不足，典型车辆是通用的雪佛兰、宝马等。

4 结论

随着小偏置碰撞技术的不断发展，将出现更多的小偏置碰撞策略，也会有更多的机构进行测试方法研究，例如RMDB［11］（可移动壁障小偏置碰撞）。

综上，从碰撞评价得分上看，完全掠过策略在三种策略中具有极高优势，但本身有造成二次碰撞的缺点；吸能策略是目前车辆惯用的，大部分车辆评价较差，只有某些中高档车做的较好；组合策略是两种极限策略的结合体，可以相互弥补不足。因此合理的碰撞策略是设计的前提，并可获得较高的等级评价，对25%小偏置碰撞试验具有一定的参考价值。