基于碰撞试验的远端乘员保护研究

刘晓东，李君杰，崔 东，方 锐

基于碰撞试验的远端乘员保护研究

刘晓东，李君杰，崔 东，方 锐

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

侧面碰撞是一种常见的交通事故形式，碰撞近端和远端都会出现大量的人员伤亡。以往的研究多集中于近端碰撞侧，对远端非侧碰撞侧的研究相对不足。Euro NCAP自2020年起将FAR- SIDE测试纳入评价范围，主要通过两个滑台试验，对远端假人伤害和侧向偏移进行评价。文章对FAR-SIDE测试的试验方法和评价标准进行解析，并通过进行滑台试验、分析试验中假人运动和伤害过程，对远端碰撞乘员保护进行了研究。

远端乘员保护；碰撞试验；伤害分析

前言

汽车侧面碰撞是一种发生频率高、伤亡人数多的交通事故。统计数据显示，世界上约30%的严重交通事故都与侧面碰撞相关[1]。在我国，造成死亡和重伤的事故中，侧碰事故数约占36％，侧碰造成的人员伤亡也达到36％[2]。

汽车侧面结构薄弱、吸能空间不足，侧面碰撞给车内乘员带来的伤害难以控制[3]。以往的研究多集中于碰撞中的近端乘员，对远端侧碰撞的研究相对较少，没有得到足够的重视[4-5]。长期以来，尤其在我国，汽车设计中主要通过结构优化设计、配置侧面气囊及气帘等形式来减少侧面碰撞中近端乘员遭受的伤害，为远端乘员保护设计的安全措施十分有限。

统计数据显示，远端碰撞的死亡风险与近端碰撞不分上下[6-7]，12岁以上前排乘员的MAIS3+级伤害，42%发生在远端碰撞中[8]。

欧洲新车安全评价协会Euro NCAP于2018年引入远端乘员保护评估规程，并于2020年正式纳入评价体系。本文对Euro NCAP下FAR-SIDE测试试验与评价方法进行解析，并按照规程进行了滑台试验。结合试验数据，分析了FAR-SIDE碰撞中假人运动与伤害过程，以此对远端碰撞乘员保护进行研究。

1 Euro NCAP远端防护解析

1.1 FAR-SIDE测试试验规程[9]

Euro NCAP下，FAR-SIDE测试主要通过两个滑台试验进行评估，如图1所示，台车中心线与行驶方向成75°±3°。

图1 滑台试验示意图

试验中车辆驾驶员侧是非碰撞侧，置放一名WorldSID 50百分位男性假人，前排副驾侧是撞击侧。通过AEMDB和POLE实车中的非撞击侧B柱向加速度，放大1.035倍作为滑台试验加载。

图2 偏移等级示意图

滑台试验需要测量假人的“偏移量”，以评价假人向车辆被撞一侧移动的程度。在白车身上标记四条偏移线，每条线的内侧边缘应用作偏移限制。红色线为最大侵入线，分别标记了AEMDB和POLE碰撞车内门板的最大侵入量；橙色线为撞侧座椅中心线；黄色线在撞击侧座椅中心线内侧125 mm；绿色线距撞击侧座椅中心线内侧250 mm。通过固定在滑台上的至少5台高速摄像机，来观测评价假人的头部“偏移等级”，如图2所示。此外除了滑台试验，对于配置了中央安全气囊等远端碰撞保护措施的车型，还需要通过双占位实车试验来验证保护措施的有效性。

1.2 FAR-SIDE评价规程

Euro NCAP下，FAR-SIDE规程不仅评价远端乘员的伤害水平，同时对头部偏移量提出要求，以避免双乘员头头间的接触伤害。每项滑台试验的满分为12分，得分由假人偏移等级和伤害数据共同决定。

将假人分为四个身体区域进行评估：头部、颈部、胸腹部、骨盆和腰椎。假人的偏移等级分为绿色、黄色、橙色、红色和封顶区（如图2所示），偏移等级决定了每个身体区域的得分分配上限。有远端保护措施时，按表1进行得分分配，没有远端保护措施时，按表2进行。

表1 不同偏移等级下分值分配一

极值红橙黄绿 ≤125 mm＞125 mm 头部002344 颈部044344 胸部000344 总分04691212

表2 不同偏移等级下分值分配二

极值红色橙色黄色绿色 头部00344 颈部04344 胸部00344 总分0491212

每个区域，将采集到的假人伤害数据，按FAR- SIDE评价标准计算身体各区域具体得分。在最终ENCAP得分计算中，远侧碰撞评估分配分值为4分，即每项滑台试验分配2分。将单项试验得分按比例压缩，计算最终得分。

2 试验分析

2.1 试验准备

按照ENCAP下FAR-SIDE评价规程要求，基于某SUV车型，进行了两项滑台试验。试验脉冲为该车型AEMDB和POLE实车试验B柱加速度脉冲。车身与滑台装置焊接固定，车内部部件包括如下总成结构：

（1）驾驶员和乘客前排座椅；

（2）中控台，包括全通道饰件、手制动总成、变速杆总成和储物箱；

（3）仪表板总成，包括仪表板、转向管柱和方向盘；

（4）安全带和固定装置附件；

（5）撞击侧车门内饰总成。

图3 FAR-SIDE滑台试验

2.2 试验结果

按照WorldSID假人伤害结果，如表3所示。

表3 FAR-SIDE试验假人伤害值

INJURY性能限值POLEAEMDB 高低极值 头部HIC1550070070012647 A3ms7280803927 颈部上Fz 3.74 1.651.14 Mx162248 51.0744.61 My 50 23.7917.17 下Fz 3.74 Mx162248 My [100] 胸腹胸压28505012.9913.76 腹压47656522.1413.02 骨盆腰椎趾骨Fy2.8 0.650.60 腰椎Fy2.0 0.860.93 腰椎Fz3.5 2.601.59 腰椎Mx120 63.0270.38

两次滑台试验中，WorldSID假人各部位伤害值均没有超出要求高性能限制要求。POLE滑台试验中，伤害值整体比AEMDB滑台试验结果更大。通过试验录像，观察假人的头部偏移程度，POLE滑台试验中偏移等级为红色；AEMDB滑台试验中偏移等级为橙色，如图4所示。

图4 头部最大偏移（POLE左、AEMDB右）

对比两次试验加载（图5）可知，POLE滑台试验加载脉冲峰值更大，是AEMDB的1.5倍，碰撞更加剧烈。

图5 两次滑台试验加载对比

按照规程计算得分，POLE滑台试验得分0.167分，AEMDB滑台试验得分0.5分，总得分0.667分。虽然伤害值没有超出高性能限制要求扣分，但头部偏移量决定了各部位得分上限，对最终得分产生了较大影响。

2.3 假人运动姿态及伤害过程分析

以POLE滑台试验为例，结合录像和假人伤害曲线，对试验中假人运动和伤害过程进行分析。假人运动按照时间顺序分为如下几个阶段：

图6 0 ms、35 ms假人姿态

（1）0 ms～35 ms（图6），台车加速运动，座椅与安全带对假人束缚作用较小，假人向撞击侧滑移。观察伤害曲线（图10）可知，此时骨盆加速度较小，各项伤害值均处于较低状态。

（2）35 ms～75 ms，假人开始接触并挤压中控台，接触部位在骨盆及腰部区域。骨盆加速度快速增加，68 ms达到峰值，腰椎弯矩Mx也在相近时刻达到峰值。骨盆、腹部区域，骨盆耻骨侧向力、腰椎侧向力、腹部侧向压缩量都开始增加，75 ms左右达到峰值状态。

图7 57 ms、75 ms假人姿态

由于躯体下端受力运动，惯性作用下，躯体上端发生一定的侧向倾斜，假人内部产生一定的轴向拉力。观察伤害值曲线，腰椎轴向力、颈部轴向力及头部向加速度从57 ms左右开始提升。惯性作用下，头部运动滞后于躯干，造成颈部出现弯曲（如图7所示），该阶段颈部侧向弯矩Mx出现正向波动。由于运动方向与假人横向有一定角度（15°），颈部还会产生一定的前向弯曲，颈部弯矩My提升并出现一次峰值。

总体而言，在此阶段骨盆及腹部伤害达到峰值，而头部、颈部及胸部伤害仍处于相对较低阶段。安全带在假人侧向倾斜过程中，从肩部滑离。

（3）75 ms～100 ms左右，假人继续绕中控台发生侧向旋转，支撑区域上移至胸部，腹部与腰椎与中控台作用逐渐减弱，骨盆开始反向回弹。胸部伤害增加，侧向压缩量于91 ms达到峰值。躯干下端对躯干上端、躯干对头颈部的轴向拉力增加，腰椎轴向力、颈部轴向力及头部向及合成加速度在100 ms左右同时达到峰值状态。

在这个阶段，躯干侧向偏移达到最大。

图8 100 ms、122 ms假人姿态

（4）100 ms～150 ms（图8），假人躯干侧向旋转减弱，头部开始绕颈部下端侧向旋转，颈部弯矩再次提升并出现二次峰值。122 ms时，头部侧向偏移达到最大。

（5）150 ms～200 ms，假人头部触底，躯干非撞击侧在惯性作用下向前扭转（图9），造成胸部中上区域对中控台挤压作用有一定程度增加。

图9 150 ms、200 ms假人姿态

（6）200 ms以后，假人整体回弹。

假人各部位主要伤害曲线如图10所示：

经以上分析可以得出，POLE滑台试验中，由于座椅与安全带约束作用较为有限，假人侧向撞击中控台，并绕中控台出现较大的偏转。假人骨盆和腰椎区域侧向力、胸腹部压缩变形是直接受中控台挤压造成的。腰椎轴向力、颈部弯矩与轴向力、头部加速度是假人绕中控台偏转过程中，躯干上下端、躯干与头颈部之间的轴向拉伸与惯性作用，共同造成的。

在没有接触其他硬结构的情况下，中控台由于与假人发生直接接触，是影响伤害状态的重要部件；中控台结构刚度与向高度，影响假人侧向受力，也影响着假人的侧向旋转姿态。同时，滑台加载脉冲，影响中控台与假人相互作用的强弱程度。POLE滑台试验下脉冲波峰比AEMDB滑台试验更大，相互作用更强，假人伤害与偏移量更大。

各部位伤害值峰值出现的时间先后，总体呈现由下到上的顺序，骨盆、腰椎最先出现，腹部、胸部次之，头颈部最后出现。

AEMDB滑台试验中，假人的运动与伤害，也遵循相似的过程。但AEMDB滑台试验中胸部变形量峰值是在第在5阶段出现的（图11）。

图11 AEMDB滑台试验胸部伤害曲线

3 结论

本文对Euro NCAP下FAR-SIDE测试试验与结果评价规程进行解析，结合滑台试验对滑台试验中假人运动与伤害过程进行分析，得到以下结论：

（1）滑台试验中，假人伤害并未超出Euro NCAP高性能限制，但由于假人偏移等级影响，最终评价得分较低。

（2）试验中假人与中控台发生接触，并绕中控台侧向旋转，中控台结构对假人运动与伤害影响较大。

（3）加载脉冲对滑台试验结果影响较大，POLE滑台试验中假人伤害与偏移等级更大。

（4）汽车研发过程中，侧面碰撞B柱脉冲控制相对困难，需合理设计中控台的高度与刚度，以改善假人伤害、控制假人运动姿态与侧向偏移。

（5）试验中安全带、座椅没有对假人侧向运动产生有效束缚，增加中央安全气囊等远端保护配置以控制假人偏移程度变得尤为重要。

[1] Mcneil A,Haberl J,Holzner M,et al.Current Worldwide Side Impact Activitiee-Divergence versue Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design,2005.

[2] 王祥.汽车侧面碰撞安全性设计与优化[D].长沙:湖南大学, 2009.

[3] 公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计年报[Z].2008,4.

[4] 张瑞文,周澄靖,陈高军,等.Far-side侧面碰撞研究进展[C]//中国汽车工程学会年会暨展览会,2020.

[5] 马春生,张金换,黄世霖,等.基于试验设计的汽车侧面碰撞结构改进[J].汽车工程,2014,36(2):195-198.

[6] Gabler H C,Fitzharris M,Scully J,et al.Far Side Impact Injury Risk for Belted Occupants in Australia and the Uniter states, 2005.

[7] Pintar F A,Yoganandan N,Stemper B D,et al.Compasion of PMHS,WorldSID,and THOR-NT responses in simulated far side impact[J].Stapp Car Crash Journal,2007(51):313-360.

[8] Kwon D H,Hachamovitch R.Characteristics of the injury environment in FAR-SIDE crasher.[J].Annual Proceedings, 2005,49(2):69-76.

[9] Euro NCAP.Euro NCAP2020版碰撞测试规程[Z].2020.

Research on FAR-SIDE Occupant Protection Based on Collision Test

LIU Xiaodong, LI Junjie, CUI Dong, FANG Rui

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300300 )

Side collision is a common form of traffic accidents, large number of casualties occur in both near side and far side of the collision. Previous studies were more focused on the near side of the collision, and relatively insufficient on the far side. Euro NCAP has incorporated the far-side assess in its evaluation scope from 2020, which is implemented mainly through two sled tests. In this paper, the test method and evaluation standard of far-side assess were analyzed. By conducting the sled tests, and analyzing the process of movement and injury of the dummy in the collision, the occupant protection in far side impact was studied.

Far-side occupant protection; Collision test; Injury analyze

A

1671-7988(2022)01-113-05

U467

A

1671-7988(2022)01-113-05

CLC NO.: U467

刘晓东，工学硕士，汽车被动安全工程师，就职于中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.026