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中汽研 | 汽车正面角度碰撞试验方法对比分析研究

2022-02-07 15:00:46·  来源：电动学堂  作者：刘东春等  
　
文章来源：中汽研汽车检验中心（广州）有限公司、中国汽车技术研究中心有限公司汽车正面碰撞在实际交通事故中是很常见的一种事故形态。据相关研究结果分析，汽车
文章来源：中汽研汽车检验中心（广州）有限公司、中国汽车技术研究中心有限公司
汽车正面碰撞在实际交通事故中是很常见的一种事故形态。据相关研究结果分析，汽车正面碰撞角度处于0~15°的占比高达65.2%。因此，开展汽车正面角度碰撞研究，对于改善交通事故和提高角度碰撞中乘员的安全性都有积极的推动作用。
目前国内外针对汽车正面角度碰撞的试验标准和法规并不多，主要有美国FMVSS208法规中的30°斜角碰撞和美国高速公路安全管理局NHTSA推出的ObliqueOffsetMovingDeformableBarrier（OMDB）试验。
30°斜角碰撞是FMVSS208法规体系中的一种试验形式，目的是验证安全气囊在乘员不佩戴安全带的工况下对乘员的防护效果，关注点是降低安全气囊对乘员的额外伤害。NHTSA针对美国小重叠率碰撞、斜角碰撞、钻撞等事故中乘员伤亡大的情况，推出OMDB测试工况，目的是提高车辆对乘员在上述事故中的保护效果，并计划将该工况引入USNCAP美国新车评价规程中。
30°斜角碰撞与OMDB试验在碰撞形态、碰撞测试假人、伤害评价指标及其各自关注侧重点都有较大区别，并且这两种试验在国内开展较少，国内相关从业人员缺乏足够了解。
因此，本文详细对比分析两种角度碰撞试验方法，为国内同行开展相关测试提供参考，同时也为我国后续开展角度碰撞标准的研究提供借鉴。
正面角度碰撞标准法规对比分析
碰撞形态
汽车正面碰撞形态主要通过碰撞速度、试验车辆与壁障的碰撞角度，以及车辆和壁障的偏置率来体现。
30°斜角碰撞是美国FMVSS208法规中为成年男性乘员设置的一种碰撞测试工况，试验车辆以20~25mph（30~40kph）的速度与30°斜角刚性壁障发生碰撞。试验时，左侧30°和右侧30°两种形式，试验车辆均需要进行测试。
OMDB是采用移动可变形壁障台车以90km/h的速度，与静止试验车辆发生15°的角度碰撞，如图1右侧所示。OMDB为让A柱遭受更大载荷并侵入驾驶舱，试验车辆与壁障台车的偏置率设为35%。为保证车辆左右侧的碰撞安全均匀性，OMDB同样设有左侧15°、右侧15°两种碰撞形态。纵观各国正面碰撞测试标准，OMDB在试验速度、碰撞角度、碰撞偏置率等方面都是非常严苛的。
碰撞壁障
正面碰撞壁障主要有3种形式，刚性固定壁障、偏置可变形壁障和可移动壁障。刚性固定壁障在碰撞试验过程中，不参与碰撞吸能，车辆与刚性墙直接碰撞，碰撞加速度波形持续时间相对短暂，波形曲线变化剧烈。偏置可变形壁障是由蜂窝状的铝型材组成，安装在刚性固定壁障表面，在碰撞过程中，蜂窝铝吸收部分碰撞能量，碰撞加速度波形相对偏软。可移动壁障，是指前端带有吸能蜂窝铝的可移动台车，在碰撞试验过程中，其以一定的速度撞击静止或者运动的试验车辆。
30°斜角碰撞壁障是在刚性固定壁障的基础上增设楔形附件，拓展形成所需要的斜角壁障。根据FMVSS208法规要求，刚性固定壁障的混凝土基础尺寸应为6英尺高、6英尺厚、12英尺宽，重量约100000磅。同时要求斜角碰撞的楔形附件在试验过程中形变量应小于10mm，楔形附件的高度至少与车辆的最高点平齐。
OMDB采用的是可移动壁障台车，质量为2490kg，如图2所示。试验时，蜂窝铝覆盖在台车前端，台车在牵引系统的作用下以90km/h的高速撞击静止的试验车辆。
碰撞测试假人
目前，在全球各国正面碰撞标准应用范围最广的是HIII系列假人，由美国Humanetics生产制造。HIII系列假人家族包括成年95百分位男性、50百分位男性和5百分位女性及儿童假人。各国标准在选用假人配置方面，略有不同，但50百分位男性应用最普遍。
随着技术的发展，HIII系列的假人在人体仿真度、碰撞肢体运动及传感器类型等方面都存在缺点和不足。美国开发出新一代正碰假人THOR，结构特点与人体更加相像，生物仿真度显著提升，传感器类型和数量明显增加，在碰撞试验时可提供更多数据，可更好地改进和完善车辆碰撞安全性。
FMVSS208法规中的30°斜角碰撞，在车辆前排配置两个HIII50男性假人，后排不配置假人，在碰撞测试过程中，假人不佩戴安全带，用来测试安全气囊对乘员的保护效果。
为更好地分析小角度偏置试验对乘员的伤害情况，在OMDB试验中，车辆前排配置两个THOR50男性假人。通过THOR假人的传感器，可深入分析斜角碰撞对乘员伤害影响。
伤害评价指标
碰撞测试假人的伤害评价，是通过采集假人的头部、颈部、胸部和下肢四个身体部位的加速度、力、位移等伤害数据，然后将试验数据代入各部位的损伤准则进行计算而得到。
两种角度碰撞的假人伤害评价指标和限值，如表1所示。30°斜角碰撞的评价指标只有高限值，试验值超过高限值，汽车碰撞安全性能视为不合格。OMDB的评价指标设有低限值和高限值，试验值小于低限值，车辆碰撞安全性为最高星级；试验值大于高限值，车辆碰撞安全性为最低星级；试验值处于高低限值之间，利用线性插值的计算方式对车辆碰撞安全性进行星级评价。
THOR假人传感器的类型和数量优于HIII50假人，因此OMDB试验假人伤害评价指标多于30°斜角碰撞，但两种试验对于乘员头部、颈部、胸部和下肢都有评价。其中，头部伤害指标HIC（HeadInjuryCriteria）是目前各国碰撞法规标准均使用的损伤评价准则，但是HIC仅涉及乘员头部加速度，并未考虑头部旋转加速度对损伤的影响。而据相关研究，旋转加速度会导致乘员更为严重的弥散性脑损伤。为综合评价乘员头部损伤，NHTSA在OMDB试验中，新增BrIC指标。
公式（1）中，Wx、Wy、Wz为头部质心的角速度，Wxc、Wyc、Wzc为标准角速度，分别设为66.3rad/s、53.8rad/s、41.5rad/s。
乘员伤害对比分析
为对比30°斜角碰撞和OMDB两种试验的乘员伤害情况，笔者在NHTSA试验数据库中选出20组，每种试验10组数据进行对比分析研究。由于篇幅所限，本文只是针对两种试验中均有要求的乘员伤害指标即头部伤害值、胸部压缩量和大腿力三个指标进行探讨。
由于两种角度碰撞试验的10组数据均有左侧碰撞和右侧碰撞，为便于描述，本文将每种试验所使用的两个假人分为撞击侧乘员和非撞击侧乘员，不区分驾驶员和副驾乘员。同时，所有乘员伤害均值分析图中，A表示30°斜角碰撞试验，B表示OMDB试验。
1.乘员头部伤害
20组乘员头部伤害HIC值统计结果如图4所示，其中，A1~A10的10组30°斜角碰撞试验乘员伤害HIC值均低于FMVSS208法规要求的上限值700。其中，有8组撞击侧乘员HIC值明显高于非撞击侧乘员，非撞击侧乘员的HIC整体比较小，均低于150。这是由于30°斜角碰撞是刚性碰撞，碰撞能量从车辆前端斜面先传递至撞击侧乘员，该侧乘员头部加速度早于非撞击侧，冲击强度也高于非撞击侧乘员。
对比B1~B10的10组OMDB试验乘员头部伤害HIC值，仅有B9组非撞击侧乘员HIC值大于500，其余HIC值均小于低限值500；而且撞击侧和非撞击侧乘员的HIC比较分散，没有明显规律。OMDB试验是车辆与蜂窝铝相撞，属于软性碰撞，撞击侧乘员头部加速度升起虽早于非撞击侧，但是非撞击侧乘员的转动幅度要大。因此，在不同车辆约束系统的作用下，两侧乘员头部伤害HIC就会有一定波动性，并没有明显趋势。
两种角度碰撞试验，各自10组乘员头部伤害HIC平均值都比较小；但OMDB试验撞击侧和非撞击侧乘员头部伤害HIC均值大于30°斜角碰撞，30°斜角碰撞试验非撞击侧乘员头部伤害HIC均值最小。这是由于两种试验在安全气囊的防护下，乘员头部伤害并不严重，只是OMDB的试验速度为90km/h，碰撞程度更剧烈，因此其头部伤害HIC值要整体大于30°斜角碰撞。
乘员头部伤害BrIC指标是OMDB试验新引入的，本文只是针对OMDB试验进行分析BrIC值。如图5所示，B1~B10的10组OMDB试验的头部伤害BrIC值整体偏大，其中，B1、B2、B4、B6、B8、B10共6组试验数据超过高限值，按照USNCAP评分规则头部伤害指标将直接判为0分。此外，有8组非撞击侧乘员头部伤害BrIC值大于撞击侧乘员，B2组两侧接近，B8组撞击侧BrIC值相反。
由于OMDB试验尚未正式引入USNCAP，各大车企并未对OMDB工况有足够的重视，导致乘员头部伤害BrIC值整体偏大。
车辆发生15°斜角碰撞时，非撞击侧的转动幅度会更剧烈，同样车内非撞击侧的乘员头部甩动也会随着加剧，头部角速度偏大，造成非撞击侧乘员头部伤害BrIC值要高于撞击侧。
2.乘员胸部伤害
20组试验乘员的胸部压缩量统计结果如图6所示。对于30°斜角碰撞中的A1~A10的10组数据，乘员胸部压缩量都比较小，A8组撞击侧乘员胸压值最大为29.3mm，均低于FMVSS208法规中要求的胸压限值63mm。对于OMDB试验的10组数据，胸部压缩量明显大于A类试验，而且有9组撞击侧乘员的胸部压缩量大于非撞击侧，只有B9组试验结果相反；同时有5组试验数据超过高限值52.3mm，在胸部评分时将直接按0分处理。
30°斜角碰撞速度为40km/h，属于中低速碰撞，碰撞能量较低，乘员头部在安全气囊的支撑下，胸部并未前移至内饰件发生二次刚性碰撞，因此撞击侧乘员和非撞击侧乘员的胸部压缩量都相对较小。而OMDB试验速度远远超过当前法规试验速度，同时约束系统供应商对该工况优化匹配力度不够，导致乘员的胸部压缩量偏大。撞击侧乘员受到的碰撞冲击早于非撞击侧，而且碰撞强度高于非撞击侧，因此撞击侧的乘员胸部压缩量要更大。
3.乘员大腿伤害
20组试验乘员大腿力伤害值统计结果如图7所示，图中乘员的大腿力伤害值是取该乘员左、右大腿力较高值作为统计值。
对于30°斜角碰撞的A1~A10的10组数据，有8组非撞击侧乘员大腿力伤害值大于撞击侧，数值相对比较分散，但均低于法规限值10000。对于OMDB试验的10组数据，除B1、B8、B10外，其余7组数据均小于低限值，大腿伤害部分按照评分规则可得满分；撞击侧和非撞击侧乘员的大腿伤害并没有明显的规律。
A类试验的撞击侧乘员和非撞击侧乘员大腿力均明显大于B类试验，其中，A类试验非撞击侧乘员的大腿伤害值最大。
尽管OMDB试验碰撞速度高于30°斜角碰撞试验，但是30°斜角试验中乘员均未佩戴安全带，乘员在无约束的工况下，大腿前移与前方内饰件发生二次刚性碰撞，由于非撞击侧乘员的转动幅度更大，导致大腿与内饰件的碰撞强度更剧烈，因此非撞击侧乘员的大腿力值最大；而OMDB试验中乘员在安全带的约束下，并未发生刚性二次碰撞，因此大腿伤害值相对较小。
中国汽车正面角度碰撞研究现状
美国在FMVSS208法规中的30°斜角碰撞和OMDB规程的推动下，车辆角度碰撞的乘员保护将会日益完善。而我国交通道路上每年发生大量角度碰撞事故，但并未开展类似FMVSS208中的30°斜角碰撞和OMDB的角度碰撞试验，值得相关部门引起重视，角度碰撞标准的建立也亟需解决。
我国关于汽车正面碰撞的国家标准为GB11551-2014《正面碰撞乘员保护》和GBT20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》。此外，中国新车评价规程C-NCAP的正面碰撞规程包含100%正面全宽刚性壁障碰撞、40%偏置碰撞和MPDB试验。
但这些国标和规程均没有涉及角度碰撞，有直接规定角度碰撞的国标是GB11552-2009《乘用车内部凸出物》，标准要求车辆在滑车上进行±18°角度碰撞，碰撞过程中仅是检查约束系统对乘员的保护情况，确认乘员是否与内饰件接触，但不采用乘员试验数据进行评价。
我国对于汽车正面角度碰撞研究还只是起步阶段，涉及到的角度碰撞机理、乘员损伤特点并不清晰，国家标准规范的建立还需要大量的理论研究和实践作为支撑。
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