行人保護技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

韓曉磊 徐晶才

（華晨汽車工程研究院）

隨著各國城市人口日益密集以及汽車保有量的持續(xù)增多，道路交通中的人員安全問題越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約有120 萬人死于道路交通事故，事故所造成的經濟損失達180 億美元。我國道路交通每年的死亡人數(shù)一直維持在10 萬人左右的高位上，而行人死亡率是駕乘人員的9 倍，其中28%為無過失死亡。由于我國存在道路密度低、人口密度大以及混合交通比例大的問題，開展對行人保護的研究具有重要意義。

1 國內外法規(guī)現(xiàn)狀

2003年，歐洲行人保護法規(guī)2003/102/EC 正式出臺，該法規(guī)對車輛行人保護方面的性能進行了分階段的引導式要求。2009年根據(jù)多年的實際情況，歐洲對行人保護法規(guī)進行了修改和調整，推出了新法規(guī)78/2009，2005年開始第 1 階段，2010年開始第 2 階段[1]。

由中國汽車技術研究中心標準化研究所制定的《汽車對行人的碰撞保護》標準已經由國家質檢總局和國家標準委聯(lián)合發(fā)布，并從2010年7月1日起正式批準，成為推薦性國家標準。

在法規(guī)的制約下，為了提高各自產品的競爭力，各大汽車制造商和一些研究機構紛紛投入專門的技術人員和最先進的計算機設備從事行人安全保護的試驗模擬分析工作。

2 行人保護技術研究現(xiàn)狀

根據(jù)對事故數(shù)據(jù)的研究，大多數(shù)的嚴重傷亡是由于行人與汽車發(fā)動機罩、擋風玻璃以及車頂發(fā)生碰撞而造成的，且下肢是行人與汽車的第一碰撞位置。下肢膝蓋的傷害通常被認為是最嚴重的傷害，因為它可能導致人員長期的殘疾，而頭部的傷害則有可能造成死亡[2]。表1 示出交通事故中行人傷害部位分布情況。

表1 交通事故中行人傷害部位分布%

對行人身體各部位傷害原因的研究表明：36.4%的行人頭部傷害是因其與車身碰撞所導致的；行人臀部的傷害中有40.1%是因其與發(fā)動機罩斜邊碰撞造成的；44.2%的腿部傷害則是由于腿部與保險杠發(fā)生碰撞造成的[3]，所以必須有針對性地在這些方面做出改善。

目前國際上用于車輛的行人安全保護裝置主要可分為保險杠改進、行人安全氣囊系統(tǒng)、發(fā)動機罩技術以及車輛智能安全保障系統(tǒng)4 類。在汽車被動安全性范圍內主要包含了前3 類。

2.1 保險杠技術

保險杠改進是對保險杠外形進行優(yōu)化設計，或在保險杠的適當位置放置高密度泡沫材料，使碰撞傷害減輕。采用性能好的材料是減輕傷害的有效方法。除采用新材料外，改進保險杠的外形設計也可以提高行人保護能力。如將保險杠的碰撞點抬高，并盡可能不出現(xiàn)尖銳的突起，使整個前臉造型圓潤，從而降低碰撞時對行人的傷害[4]。

研究結果表明，存在2 種理論用于解釋小腿骨折的致傷機制。一種理論認為小腿骨折是直接作用力造成，多發(fā)生在碰撞點附近，采用作用力和加速度進行評估；另一種理論認為碰撞點以下的小腿慣性彎矩是導致骨折的原因，骨折不一定發(fā)生在碰撞點，這一理論被用于解釋脛骨近地端的骨折，采用彎矩進行評估。而針對長骨的彎曲試驗表明，長骨材料具有生物材料常見的黏彈性特性。骨折的發(fā)生不僅取決于載荷大小和加載形式，也取決于載荷持續(xù)時間，如圖1所示[5]。

一般運用多體動力學方法來進行事故重建分析，CPMS0 百分位行人多體動力學模型經過多種尸體試驗驗證，被用做參考的基準行人模型。該模型由24 個橢球體組成，由14 個關節(jié)鉸鏈連接，并增加了可旋轉的膝蓋和可模擬骨折的腿骨部分。骨折是通過建立的一個球鉸鏈實現(xiàn)的，行人小腿通過被球鉸鏈連接的2 段剛體來描述，一旦作用在鉸鏈上的載荷超過設定的限值，球鉸鏈就由鎖止變?yōu)樽杂蛇\動狀態(tài)。使用VC 編程控制軟件中GEBOD 程序，以便行人模型基于真實受害者的身高和體重，調整身體各部分的尺寸、質量和慣性矩，根據(jù)行人傷害的骨折部位信息，調整可模擬骨折的鉸鏈在小腿的高度位置。肇事車也采用多體動力學模型建立，根據(jù)實際外形和尺寸確定模型前部結構形狀，參考Euro-NCAP 類似車型的行人測試結果，不同汽車的前部結構剛度特性采用對應的剛度曲線以定義前部接觸特性。

評價指標包括，可斷裂鉸鏈處的橫向加速度（對應加速度評價指標）、側向力（對應剪切力評價指標）、軸向力與剪切力的合力和力峰值的作用時間，同時計算了保險杠與小腿的接觸作用力。

2.2 發(fā)動機罩技術

2.2.1 發(fā)動機罩抬升技術

目前的發(fā)動機罩抬升裝置主要有氣體發(fā)生器式和機械式2 種。氣體發(fā)生器式抬升裝置通過化學反應產生瞬時高壓氣體，推動發(fā)動機罩后端抬升，反應迅速，但屬于一次性使用的產品，使用后的維修成本較高；機械式抬升裝置通過釋放加載后的彈簧或者高壓氣體抬升發(fā)動機罩，結構復雜且體積較大，但可實現(xiàn)可逆使用，成本較低[6]。

最新的行人保護設計引入了汽車碰撞預警技術，汽車通過安裝在車頭的雷達和攝像頭等探測前方行人，在人與車碰撞發(fā)生前一定時間觸發(fā)行人保護裝置，從而為行人保護爭取時間。本研究設計的主動式發(fā)動機罩抬升裝置基于最新的行人保護設計理念，主要由傳感系統(tǒng)和發(fā)動機罩抬升裝置組成。傳感系統(tǒng)中有為抬升裝置觸發(fā)信號的傳感單元，當傳感系統(tǒng)探測并判斷汽車將與行人發(fā)生碰撞時，傳感單元為抬升裝置觸發(fā)信號。抬升裝置通過加裝在底部的氣體發(fā)生器，瞬時產生大量氣體，將發(fā)動機罩的尾端抬升。該裝置反應迅速且可靠性高，結構簡單，體積小巧，使用后維修方便，成本低，具有很好的經濟性。

一般采用實車試驗驗證新型主動式發(fā)動機罩抬升裝置的有效性。分析發(fā)動機罩的抬升時序，采用高速攝像機記錄發(fā)動機罩的整個抬升過程。

2.2.2 發(fā)動機罩結構參數(shù)仿真及總布置設計

歐盟對兒童頭型撞擊發(fā)動機罩的試驗要求為：使用2.5 kg 的頭型以40 km/h 的速度與汽車發(fā)動機罩發(fā)生碰撞，在整個發(fā)動機罩試驗區(qū)域內，頭部傷害指數(shù)（HIC）不得超過1 000。通常發(fā)動機罩與發(fā)動機艙內部件有一定距離，如果在撞擊過程中發(fā)動機罩變形過大而與艙內部件接觸，很有可能造成二次碰撞，增大頭部傷害[7]。

發(fā)動機艙內部對頭部碰撞有影響的零部件主要是：發(fā)動機罩、蓄電池、空濾、電器盒及儲液罐等。在進行發(fā)動機艙布置時，應考慮頭部碰撞區(qū)域，尤其是蓄電池、空濾及發(fā)動機本體，要降低這些部件的高度，增大與發(fā)動機蓋板的有效距離；同時應結合具體零件尺寸考慮離地間隙、運動干涉及熱平衡等因素對發(fā)動機艙布置的限制，這些限制性約束主要與前期造型和總布置有很大關系。因此，在布置發(fā)動機艙時應考慮全面，避免造成法規(guī)和布置上的沖突[8]。通常采用Hypermesh等軟件建立發(fā)動機罩和頭型的數(shù)學模型，添加約束條件，如材料和接觸條件等，從而對不同的撞擊位置及不同發(fā)動機罩結構厚度等參數(shù)進行仿真。

2.3 行人安全氣囊技術

行人保護安全氣囊可避免人體撞擊到汽車前擋風玻璃上。這類氣囊共有發(fā)動機罩氣囊與前圍安全氣囊2 種，兩者配合使用可減少最常見的行人傷亡事故。

發(fā)動機罩氣囊位于保險杠上方，緊靠保險杠處開始展開。碰撞前由一個碰撞預警傳感器激發(fā)，可在50～75 ms 內完成充氣。保持充氣狀態(tài)時間可達數(shù)秒。充氣后的安全氣囊在前大燈之間的部位展開，由保險杠頂面向上伸展到發(fā)動機罩表面以上。氣囊的折疊模式和斷面設計保證氣囊展開時能與汽車前端的輪廓相吻合，以保證兒童頭部和成人腿部的安全。

前圍氣囊系統(tǒng)的作用則是提供2 次碰撞保護，防止行人被甩到發(fā)動機罩后部后被前窗底部碰傷。該系統(tǒng)包括2 個氣囊，分別由汽車中心線向一側的A 柱延伸。氣囊由傳感器探測到行人與保險杠發(fā)生初始碰撞后觸發(fā)。在行人翻到發(fā)動機罩上滾向前窗這段時間內，氣囊完成充氣，2 個氣囊沿前窗底部將左右A 柱之間的區(qū)域完全覆蓋，不僅能蓋住前窗玻璃底部，還可蓋住刮水器擺軸與發(fā)動機罩支座等致命“硬點”。同時，氣囊不會完全遮擋駕駛員的視線。

2.4 其他技術

2.4.1 潰縮式前大燈設計

設計方案必須實現(xiàn)：1）前大燈的安裝支架弱化，在撞擊時發(fā)生潰縮；2）前大燈后部必須留有充分的潰縮空間，這樣可達到吸收沖擊能量的目的；3）前大燈的潰縮運動過程中，不應該有剛性較大的零件與前大燈運動包絡干涉。為了滿足安裝支架的弱化，實現(xiàn)在碰撞時前大燈整體掉落。設計碰撞導向槽結構，引導碰撞時大燈的運動，并且實現(xiàn)在碰撞時前大燈潰縮。此外，通過采用PC 材料減少前大燈面罩殼體的厚度，減少前大燈銳角，并且減少前大燈和發(fā)動機蓋的重合區(qū)域，來減少碰撞的剛性接觸，盡可能實現(xiàn)前大燈的潰縮[9]。

利用與發(fā)動機罩相似的研究方法進行有限元分析。通過建立的前大燈結構有限元模型和兒童頭部的有限元模擬模型，開展碰撞分析。首先需要確認前大燈的安裝腳支架潰縮結構的設計。運用有限元LS-DYNA 等仿真軟件分析，記錄碰撞各階段前大燈安裝腳的應力應變狀態(tài)。

2.4.2 翼子板結構優(yōu)化設計

采用與發(fā)動機罩相似的研究方法進行翼子板結構優(yōu)化，包括內凹式結構、外傾式結構及分段式結構等，并以法規(guī)的HIC 值作為仿真驗證的標準[10]。

3 中國行人保護技術現(xiàn)狀

中國一些汽車企業(yè)已經積極行動起來，各車企在新車研發(fā)時都要專門考慮行人安全保護方面的工程設計和進行相關試驗。2010年A 公司耗資上千萬元在中國汽車技術研究中心進行了國內第1 次行人碰撞試驗，并承諾將碰撞數(shù)據(jù)用于汽車研發(fā)，把先進的行人保護技術運用到新車型上。同年，B 公司在歐洲E-NCAP 6 大官方認可的汽車安全碰撞試驗室——西班牙IDIADA 試驗室進行了“行人保護”碰撞測試，包括2 項強制性測試（兒童頭部碰撞發(fā)動機罩區(qū)域測試及小腿撞擊保險杠測試）和2 項非強制性測試（大腿撞擊機罩前邊緣測試及成人頭部碰撞風擋玻璃區(qū)域測試），均達到了相關標準，順利通過了歐洲EC 第1 階段法規(guī)認證。

4 結論

從行人保護研究現(xiàn)狀可以看到，對于行人保護在國內外已經進行了全方位的研究和探索，包括對保險杠、發(fā)動機罩、行人保護氣囊、大燈及翼子板的優(yōu)化，一些研究方法已經相對成熟。

隨著技術的進步和輿論的關注，相信未來我國也將越來越重視行人安全保護技術，我國的基本國情也決定了在我國開展行人安全性研究工作的重要性，行人安全技術的發(fā)展會更加快速。