人車碰撞事故中人體傷害特征及行人保護(hù)技術(shù)

成 潔

（武警后勤學(xué)院軍交運(yùn)輸系，天津 300309）

人車碰撞事故中人體傷害特征及行人保護(hù)技術(shù)

成 潔

（武警后勤學(xué)院軍交運(yùn)輸系，天津 300309）

文章通過對(duì)事故中人車碰撞過程的描述分析出人車碰撞中人體受傷害特征，結(jié)合實(shí)例介紹了五類保護(hù)行人的汽車安全新技術(shù)，提出我國發(fā)展行人安全保護(hù)技術(shù)的緊迫性和必要性。

保護(hù)行人；碰撞事故；新技術(shù)

Abstract:In this paper human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision was analysed by describing vehicle collision process, introduce 5 new car safety technologies for pedestrian protection, propose the urgency and necessity of developing pedestrian safety protection technique in our country.

Keywords: pedestrian protection; collision accident; new technology

CLC NO.: U491.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-245-03

前言

隨著各項(xiàng)安全法規(guī)的實(shí)施以及各種主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性技術(shù)的革新，駕乘人員的乘車安全性得到了極大提高，在交通事故中的傷害率呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)。然而，汽車安全性不僅旨在保護(hù)車內(nèi)乘員安全，更要兼顧行人安全。我國是世界上典型的以混合交通為主的國家，汽車對(duì)行人造成的交通傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他國家，因此，考慮碰撞事故中的行人安全，開發(fā)具有我國特色的行人安全保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)該成為我國汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)的重要任務(wù)。

1 人車碰撞過程分析

大部分的行人碰撞事故為汽車從側(cè)面撞擊行人，此時(shí)行人處于靜止或水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，行人行走速度一般為 1.15—1.6m/s，奔跑速度一般為 4.5—5.5m/s[1]。行人和行駛汽車發(fā)生碰撞時(shí)，首先保險(xiǎn)杠撞擊行人的膝蓋和小腿，通常容易發(fā)生骨折；然后引擎蓋前邊緣、翼子板撞擊行人的骨盆和大腿，碰撞的精確位置取決于行人與保險(xiǎn)杠或引擎蓋前邊緣的相對(duì)高度；若車速較高，行人頭部會(huì)與引擎蓋和汽車前柱碰撞，然后繞頭或肩翻轉(zhuǎn)，腿部撞擊汽車棚頂，從而以與車速相當(dāng)?shù)乃俣蕊w出，如圖1所示。在此過程中，身體各個(gè)部位均會(huì)受到不同程度的傷害。

圖1 行駛車輛碰撞行人過程示意圖

2 人車碰撞中人體受傷害特征

行人身體主要有三處部位最易受到行駛車輛的傷害：頭部、骨盆和大腿以及膝蓋和小腿，這些傷害都與汽車的某些特定部位有直接關(guān)系。人車碰撞過程中每個(gè)部位的碰撞特點(diǎn)都不相同，行人頭部多與前擋風(fēng)玻璃、窗框和A柱以及引擎蓋相撞，而下肢則最先與車身保險(xiǎn)杠接觸。因此頭部和下肢的受傷頻率最高。其中，下肢膝蓋傷害通常被認(rèn)為是最嚴(yán)重的傷害，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致人員長期殘疾，而頭部傷害則是造成行人死亡的主要原因。

對(duì)行人身體各部位傷害特點(diǎn)的研究表明，頭部傷害程度取決于引擎蓋頂部和風(fēng)擋邊框的硬度，當(dāng)沖擊強(qiáng)度超出頭部承受極限時(shí)，會(huì)發(fā)生頭骨破裂，頭骨和大腦發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，大腦受到剪切作用力傷害。行人頭部撞擊特點(diǎn)包括頭部撞擊速度、頭部碰撞位置和頭部碰撞角度。當(dāng)行人與不同外形結(jié)構(gòu)的汽車發(fā)生碰撞時(shí)，行人頭部在引擎罩或前風(fēng)窗等相關(guān)區(qū)域的碰撞位置、碰撞角度和速度受汽車前部結(jié)構(gòu)影響最大。成人胸部主要與引擎蓋頂部相碰撞，兒童胸部則主要與引擎蓋前邊緣和車身最前端接觸，撞擊力對(duì)胸部的壓縮可導(dǎo)致肋骨或胸骨骨折。行人盆骨和大腿會(huì)與引擎蓋邊緣或引擎蓋上部碰撞，造成擠壓傷害。行人與車輛在側(cè)向碰撞過程中下肢受到側(cè)向作用力和軸向扭轉(zhuǎn)載荷的綜合作用，會(huì)導(dǎo)致長骨骨折、膝蓋骨破碎、膝關(guān)節(jié)損傷及踝關(guān)節(jié)脫臼和骨折等傷害[2]。

碰撞事故中行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性為研究碰撞事故中行人身體各部位的損傷機(jī)理帶來一定難度。行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可大致分為以下幾類：滯留車體、撞擊地面、拋向空中、推向一側(cè)及翻過車體。滯留或翻過車體時(shí)，行人頭部會(huì)與車體發(fā)生碰撞，碰撞速度及所受沖擊力取決于車速，碰撞位置和角度則受行人身高及汽車前部具體結(jié)構(gòu)形狀的影響。其他情況下行人頭部可能會(huì)與其他物體或地面發(fā)生碰撞，碰撞速度及所受沖擊力取決于車速和其他物體的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)，碰撞位置和角度由與汽車的碰撞位置和速度決定。

人車碰撞事故中有26%發(fā)生在車速小于15km/h，29%發(fā)生在車速在 15—30km/h，16%發(fā)生在車速在 30—45km/h，11%發(fā)生在車速超過45km/h。由此可看出，中低碰撞車速占主要比例。此特性說明碰撞事故發(fā)生前，駕駛員大多采取了緊急剎車措施。然而事故的嚴(yán)重程度與行車速度緊密相關(guān)，速度越高，事故發(fā)生過程中速度的變化率越大，行人傷亡的可能性也越大。Bowie和Walt研究發(fā)現(xiàn)碰撞事故中速度的變化率（△V）小于 16km/h時(shí)，行人嚴(yán)重傷亡的可能性小于5%，當(dāng)△V超過48km/h時(shí)，嚴(yán)重傷亡的可能性超過50%[3]。運(yùn)動(dòng)車輛的能量是其質(zhì)量與速度平方的乘積，碰撞中消散的能量越多，行人所受傷害就越大。研究表明車速超過96km/h時(shí)事故嚴(yán)重度隨速度增加而快速增加，車速超過112km/h后行人致命傷亡的可能性迅速增加。

3 保護(hù)行人的汽車安全技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用

基于對(duì)人車碰撞事故機(jī)理及行人受傷害特征的研究，目前保護(hù)行人安全的車輛主被動(dòng)防護(hù)裝置大致可分為5類。

1）引擎罩機(jī)械系統(tǒng)

引擎罩提升技術(shù)利用引擎與電池間有寬?？臻g，引擎罩在碰撞過程中能開啟并能產(chǎn)生適量變形以吸收沖擊能量來減少行人傷害的原理，借助安裝在引擎蓋下面的火藥，在撞擊行人時(shí)爆炸，將引擎蓋在0.03s的瞬間抬升50～65mm，從而大幅降低對(duì)行人頭部的傷害。

引擎罩的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也是影響行人頭部傷害的關(guān)鍵因素。鋁合金密度僅為鋼鐵的 1/3，且具有良好的吸收沖擊性能，以鋁合金代替普通鋼材制造引擎罩，可降低碰撞時(shí)行人頭部遭受撞擊的傷害程度。新型引擎罩由撓性鉸鏈支持，前翼子板通過特殊的緊固元件與上縱梁連接。當(dāng)與行人發(fā)生碰撞時(shí)，具有精確計(jì)算剛度的前翼子板和鉸鏈可按照設(shè)計(jì)產(chǎn)生彎曲變形，發(fā)動(dòng)機(jī)罩及其底部構(gòu)成的變形空間可以通過兩種方式增大：1）外部輪廓的前部比前身車型高 22mm；2）發(fā)動(dòng)機(jī)、減振器拱形座、儲(chǔ)存罐和控制設(shè)備的安裝位置降低了13 mm，從而有效吸收沖擊能。圖2為可發(fā)生彎折變形的汽車部件。

圖2 可變形翼子板和鉸鏈

2）新型保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)

保險(xiǎn)杠是人車碰撞過程中造成腿部骨折的主要部件,保險(xiǎn)杠硬度降低1/3時(shí)可減緩對(duì)膝部造成的損傷。為減少行人傷害，前保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)成與車身曲線相吻合，同時(shí)采用柔性材料或配備行人保護(hù)緩沖裝置和新型結(jié)構(gòu)，如利用高性能的玻纖氈增強(qiáng)熱塑性塑料（GMT）模壓成型的行人保護(hù)橫梁和防止行人卷入車下而采用的腳絆構(gòu)造等，用來減小對(duì)行人膝、腿部的沖擊力。同樣，重新設(shè)計(jì)的前燈室及周邊區(qū)域能夠按照受控模式吸收對(duì)腿部的撞擊力量，避免玻璃破碎割傷行人腿部。

3）行人安全氣囊系統(tǒng)

安全氣囊分為兩種，一是引擎罩氣囊，一是前圍安全氣囊，兩者配合使用可減少最常見的行人傷亡事故。引擎罩氣囊在前照燈之間展開，由保險(xiǎn)杠頂面向上伸展到引擎罩表面以上。氣囊的折疊模式和斷面設(shè)計(jì)能保證氣囊展開時(shí)與汽車前端的輪廓相合，可減小50%的行人碰撞傷害。前圍安全氣囊系統(tǒng)包括兩個(gè)氣囊，各由汽車中心線向一側(cè)的A立柱延伸，氣囊在行人與保險(xiǎn)杠發(fā)生初始碰撞后觸發(fā)，在行人翻到引擎罩上滾向風(fēng)窗這段時(shí)間內(nèi)完成充氣。兩個(gè)氣囊沿風(fēng)窗底部將左右A立柱之間的整個(gè)汽車寬度完全覆蓋，不僅能蓋住風(fēng)窗玻璃底部，還可蓋住刮水器擺軸與引擎罩支座等致命的“硬點(diǎn)”，并且不會(huì)完全封住駕駛員視線。

4）輔助制動(dòng)裝置

輔助制動(dòng)裝置屬于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，它能夠根據(jù)駕駛員踩動(dòng)踏板的力度及變化梯度判斷是否正在實(shí)施緊急制動(dòng)。一旦符合緊急制動(dòng)條件，輔助制動(dòng)裝置則迅速增加制動(dòng)管路壓力，在不足1秒內(nèi)將制動(dòng)力增至最大，短時(shí)間內(nèi)大幅度降低碰撞速度，減輕對(duì)行人的碰撞傷害。梅賽德斯-奔馳公司最早研制了輔助制動(dòng)系統(tǒng)，從1997年這一系統(tǒng)成為梅賽德斯-奔馳轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。聯(lián)邦統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：該系統(tǒng)使梅賽德斯-奔馳轎車發(fā)生撞擊行人事故的比例降低了 13%。沃爾沃XC與S60前風(fēng)擋玻璃上的紅外探測(cè)器則能捕捉到車輛前方高于車頭的行人和物體，當(dāng)汽車與前方物體小于安全距離時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)。若駕駛員未能及時(shí)反應(yīng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)全力制動(dòng)。當(dāng)車速小于 35km/h時(shí)，可避免汽車與行人相撞，當(dāng)車速高于35km/h時(shí)，可降低碰撞速度，減輕傷害程度。

5）車輛智能安全保障系統(tǒng)

車輛智能安全保障系統(tǒng)能為駕駛員提供豐富的車輛周圍環(huán)境信息，并在事故發(fā)生前及時(shí)通知駕駛員采取措施，避免車禍發(fā)生或?qū)⑹鹿蕚抵磷钚　?/p>

車輛智能安全保障系統(tǒng)是先進(jìn)的車輛控制系統(tǒng)的一部分，在超車、倒車、變換車道、雨天、大霧等容易發(fā)生事故的情況下，向駕駛員提供車輛周圍及車輛本身的必要信息，并可自動(dòng)地進(jìn)行車輛控制，同時(shí)，利用車身傳感器分別探測(cè)車輛四周路況，為駕駛員及時(shí)提供回避操作指令，提醒駕駛員保持安全車距，可有效防止事故發(fā)生。

沃爾沃卡車于 2012年研發(fā)的智能安全系統(tǒng)包括自適應(yīng)巡航控制(ACC)系統(tǒng)和駕駛員提醒支持系統(tǒng)。前者利用雷達(dá)裝置進(jìn)行探測(cè)，一旦有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，警告燈會(huì)投射到擋風(fēng)玻璃上面，提醒駕駛員注意安全。該系統(tǒng)不受光照、煙霧或黑夜的影響，可最大限度排除氣候原因的干擾。當(dāng)駕駛員注意力不集中時(shí)，駕駛員提醒支持系統(tǒng)能快速探查到駕駛員的非安全行車狀態(tài)并提醒駕駛員進(jìn)行休息。沃爾沃卡車于2017年推出的新款FM Extreme車型上配備有全新智能導(dǎo)航系統(tǒng)和智能化近光燈與雨刷裝置，使得汽車主動(dòng)安全性能取得又一重大突破。

4 結(jié)語

我國每年因交通事故死亡的行人數(shù)以萬計(jì)，因此研究行人交通安全刻不容緩?；谌塑嚺鲎策^程和行人受傷害機(jī)理，利用現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)開發(fā)行人防護(hù)裝置，是研究基于行人保護(hù)的汽車安全技術(shù)的有效途徑。由于多種原因，目前我國對(duì)行人安全保護(hù)的研究還相對(duì)滯后，相信在我國學(xué)者和世界各國汽車設(shè)計(jì)者的不懈努力下，行人安全保護(hù)技術(shù)必將進(jìn)入嶄新的階段，為道路弱勢(shì)使用者提供確切、有效的安全保證。

[1] 張金換,杜匯良,馬春生.汽車碰撞安全型設(shè)計(jì)[M].北京;清華大學(xué)出版社,2010.

[2] 郭烈,葛平淑,張明恒.汽車安全輔助駕駛技術(shù)[M].北京;北京大學(xué)出版社,2014.

[3] 張鎖,李杰,李連升.道路交通事故車速分析的探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2006(8):148-151.

Human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision and pedestrian protection technology

Cheng Jie
( Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309 )

U491.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-245-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.086

成潔，就職于武警后勤學(xué)院軍交運(yùn)輸系。