C—NCAP（2018）行人保護對汽車設(shè)計開發(fā)的影響

譚冰花+趙正+李博

摘要： C-NCAP將從2018年開始引入對行人保護的評價。與Eruo NCAP相比，C-NCAP（2018）雖然取消WAD 775 mm的上腿部碰撞測試，但是行人保護總得分率要求卻明顯提高，對行人保護的要求更加嚴格。根據(jù)行人保護的基本要求，從汽車前端造型、總布置以及結(jié)構(gòu)設(shè)計3方面，闡述C-NCAP（2018）行人保護測試規(guī)程對汽車設(shè)計的影響，為舊車型的改造以及新車型的開發(fā)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞： 行人保護； 車身設(shè)計； 前端造型； 結(jié)構(gòu)布置

中圖分類號： U462.22 文獻標志碼： B

Influence of vehicle design and development for C-NCAP（2018） pedestrian protection

TAN Binghua， ZHAO Zheng， LI Bo

（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241006， Anhui， China）

Abstract： Pedestrian protection evaluation will be lead into C-NCAP from 2018. Comparing with Euro NCAP， upper legform of WAD 775 mm test is cancelled in C-NCAP（2018）， but the requirment on scoring rate of pedestrian protection is significantly raised. The requirements on pedestrian protection will become stricter in the future. According to the basic requirements of pedestrian protection in the C-NCAP（2018）， the influences of pedestrian protection test procedures on vehicle design is expounded including vehicle front end styling， general layout and structure design. The result can provide experience and reference to the existing vehicle reform and new vehicle development.

Key words： pedestrian protection； vehicle body design； front end styling； structure layout

0 引 言

我國的公路交通是典型的混合型交通，許多道路都是行人、非機動車與機動車共同使用，因此行人與車輛發(fā)生碰撞的機會就會增加。在各種交通事故中，相對于駕駛員和乘員而言，行人、非機動車駕駛?cè)艘约捌渌鮿萁煌▍⑴c者在交通事故中的傷亡情況更加嚴重，超過1/4的死亡人數(shù)為交通弱勢者，而這一比例在某些大型城市中甚至能夠達到50%。近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故出現(xiàn)一定程度的增長，行人傷亡的比率和絕對數(shù)量都在持續(xù)增長，行人的安全受到極大的威脅，因此，在中國引入并實施車輛行人保護性能評估已刻不容緩。目前，在全球大多數(shù)發(fā)達國家的新車評價規(guī)程NCAP評價標準中，行人保護性能評估是整車星級評價的重要組成部分，我國的C-NCAP將在2018年引入新車行人保護性能的評價。

C-NCAP行人保護評價的引入，對中國市場銷售的車輛前端造型和設(shè)計提出新的挑戰(zhàn)。本文參照C-NCAP（2018）行人保護評價的基本要求，結(jié)合奇瑞公司車型的行人保護開發(fā)狀況，初步探討C-NCAP（2018）行人保護測試規(guī)程對汽車設(shè)計的影響，為行人保護性能研發(fā)提供參考與建議。

1 C-NCAP（2018）行人保護測評方法

基于GTR09制定的行人保護法規(guī)《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式實施，而C-NCAP（2018）對行人的頭部（包括成人和兒童）和腿部（上、下腿型）保護性都提出更為嚴格的要求。

C-NCAP（2018）行人保護的評價由頭部和下腿部2部分組成[1]，見圖1。

對于頭部沖擊試驗，由車輛制造廠商提供仿真預(yù)測值，用驗證試驗點得分除以相應(yīng)點預(yù)測值計算出修正因數(shù)（修正因數(shù)為0.75～1.25是可接受的），根據(jù)實際試驗結(jié)果與修正因數(shù)得出最終頭部得分。對于腿部碰撞試驗，單次試驗中存在多個評價參數(shù)，得分最低的參數(shù)決定試驗的最終成績。每個評價參數(shù)的變量包含2個限值，1個高的限值和1個低的限值。若傷害值處于2個限值之間，則通過線性插值計算得分，下腿部得分通過滿分與最大得分率計算得到。

C-NCAP（2018）中規(guī)定，行人保護總分為15分，其中頭部性能總分為12分，腿部性能總分為3分，行人保護權(quán)重為15%。行人保護評價分值設(shè)定見表1。表中還列出C-NCAP（2018）與Euro NCAP星級分值的對比，Euro NCAP總分為48分。

2 行人保護現(xiàn)狀分析以及目標規(guī)劃

2.1 基于C-NCAP（2018）的行人保護現(xiàn)狀與難點

我國從2007年初開始對歐洲、日本以及其他行人保護法規(guī)進行全面的研究。雖然在法規(guī)的制約下，各大汽車制造商和一些研究機構(gòu)紛紛投入專門的人員和先進的設(shè)備從事基于行人保護的車型開發(fā)工作，但由于缺乏強制性標準，對行人保護還不夠重視。結(jié)合C-NCAP（2018）對現(xiàn)有車型進行評價，就行人保護單項得分而言，奇瑞公司幾款量產(chǎn)車型的行人保護得分情況見表2，頭部得分較低，導(dǎo)致得分率不能滿足5星要求。endprint

行人保護設(shè)計是一項綜合設(shè)計，需要同時考慮前端造型、發(fā)動機艙總布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及測試方法等多方面因素，并對其進行綜合平衡，還應(yīng)兼顧整車耐撞性、低速碰撞、強度耐久和NVH等性能要求。同時，對行人保護設(shè)計貫穿車型開發(fā)的整個過程：車輛前端造型直接決定對行人保護的實現(xiàn)方法和難易程度；總布置設(shè)計時需要保留足夠的變形吸能空間，并將硬點和危險區(qū)域進行合理布置；工程設(shè)計時需要詳細考慮鉸鏈、風擋裝飾板、雨刮系統(tǒng)、翼子板及其支架、發(fā)動機罩內(nèi)板、保險杠、大燈支架等設(shè)計的影響。行人保護要求的提高使各性能之間的沖突會更加明顯，如何平衡各個性能之間的沖突是當前國內(nèi)汽車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的難點，也是當前國內(nèi)汽車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的一項重要內(nèi)容。

2.2 C-NCAP（2018）行人保護5星目標分解

對比C-NCAP（2018）與Euro NCAP（2016—2018）可知，C-NCAP（2018）行人保護的要求更加嚴格，星級門檻相對較高。[2]部分使用Euro NCAP評價得分為5星的車型，按照C-NCAP（2018）評價，僅僅能獲得4星。為獲得C-NCAP（2018）整體5星評定，對行人保護模塊的頭部與下腿部得分進行目標分解。若要滿足C-NCAP（2018）的5星標準，則需要行人保護頭部得分達到7.3分（滿分12分），下腿部得分為3分（滿分3分）。這對汽車設(shè)計開發(fā)提出更高的要求，制造廠商必須在車輛開發(fā)前期就把行人保護融入到每個設(shè)計細節(jié)當中。

3 C-NCAP（2018）對汽車設(shè)計和開發(fā)的影響 C-NCAP（2018）行人保護法規(guī)的要求對汽車設(shè)計和開發(fā)的影響體現(xiàn)在如下幾個方面。

3.1 對前端造型的影響

汽車造型是汽車研發(fā)初期非常重要的環(huán)節(jié)，對保護行人安全的影響至關(guān)重要。造型設(shè)計周期較長，工程師需要對造型進行可行性分析—優(yōu)化—再分析—再設(shè)計，直到造型凍結(jié)。[3]基于行人保護法規(guī)，碰撞區(qū)域越小對行人保護越有利，因此在造型階段，應(yīng)通過造型優(yōu)化，盡可能縮小行人保護的碰撞區(qū)域并規(guī)避某些硬點，以滿足行人保護的要求。

3.1.1 頭部碰撞區(qū)域設(shè)計

C-NCAP（2018）行人保護頭部試驗區(qū)域見圖2。頭部碰撞區(qū)域的硬點主要集中在碰撞區(qū)域邊緣，可以在造型初期調(diào)高造型面、使用造型特征線或者合理布置分縫線的位置，使頭部碰撞區(qū)域避開邊緣的硬點，碰撞區(qū)域劃線向內(nèi)側(cè)移動從而縮小碰撞區(qū)域，減少對頭部傷害的硬點。圖2a）中，A區(qū)域為發(fā)動機蓋與翼子板后端靠近發(fā)動機蓋鉸鏈位置，此區(qū)域剛度和強度較高，碰撞過程中不易壓潰變形，能量不易被分散，會對頭部造成很大傷害，在造型分析中劃分翼子板和發(fā)動機蓋分縫線時，應(yīng)盡量把分縫線調(diào)整到側(cè)面基準線之外，見圖2b）。圖2a）中，B區(qū)域為發(fā)動機蓋與大燈分縫區(qū)域，由于發(fā)動機蓋與大燈安裝橫梁的間隙非常小，而且此區(qū)域剛度較大，頭部HIC較大，可以在造型初期通過調(diào)整大燈造型面，使碰撞區(qū)域內(nèi)縮，避開剛度較大區(qū)域，見圖2c）。

3.1.2 下腿部碰撞區(qū)域設(shè)計

C-NCAP（2018）中行人保護的下腿部碰撞區(qū)域由2個保險杠角或者是保險杠橫梁最外側(cè)圍成的區(qū)域決定，將兩者中區(qū)域大者作為下腿部碰撞區(qū)域。碰撞區(qū)域越小對行人保護越有利，因此許多車型在前保險杠造型上進行有針對性的設(shè)計，增加造型凸包，嚴格控制前保橫梁的寬度，從而使得下腿部的碰撞區(qū)域縮小，最大程度避開前大燈、前霧燈等區(qū)域，以提升下腿部碰撞的性能。目前，本田CR-Z和奧迪A4L等車型在造型設(shè)計時充分考慮行人保護要求，在前保險杠前端增加造型凸包控制下腿部碰撞區(qū)域，見圖3。在保險杠造型方面，盡量保證車輛前端平齊更有利于保護行人的下腿部。

3.2 對車輛總布置的影響

在車輛正向開發(fā)過程中，布置和造型工作在預(yù)研階段啟動，因此在造型初期，可根據(jù)布置和造型，基于目標值，對劃線區(qū)域內(nèi)的布置硬點和造型的間隙進行校核，以初步確認是否滿足行人保護要求。[4]

3.2.1 頭部試驗區(qū)域硬點間隙

頭部碰撞區(qū)域間隙為發(fā)動機蓋造型面與硬點的距離，影響頭部碰撞的常見硬點有：蓄電池、保險絲盒、空氣濾清器、發(fā)動機蓋鎖扣、發(fā)動機蓋鉸鏈、發(fā)動機蓋內(nèi)板加強筋、水箱上橫梁、大燈等。在布置前期，可考慮通過造型使碰撞區(qū)域縮小，將硬點布置在測試區(qū)域之外，比如發(fā)動機蓋鉸鏈、發(fā)動機蓋鎖等。布置在發(fā)動機艙中間位置的硬點，像蓄電池、保險絲盒、空氣濾清器等部件，無法規(guī)避在碰撞區(qū)域之外，所以一般采用滿足間隙要求的方式來滿足目標。蓄電池、電器盒一般布置在前艙左側(cè)（沿車身方向），由于人機工程以及造型原因，發(fā)動機蓋總是向前傾斜，越靠近發(fā)動機蓋外側(cè)，發(fā)動機蓋外板與硬點的距離越小，而蓄電池、電器盒非常堅硬且體積大，因此在布置和造型時必須保證硬點間隙充足，以滿足行人保護的目標要求。[5]

3.2.2 下腿部試驗區(qū)域硬點間隙

在對行人下腿部保護的設(shè)計中，腿部響應(yīng)與腿部的運動學(xué)姿態(tài)密切相關(guān)。[6]下腿部的運動姿態(tài)與車輛前端整體造型有很大關(guān)系。[7]首先，要保證前保蒙皮外表面沒有特別突出的尖角和硬物；其次，要保證前保橫梁與前保蒙皮A面之間的吸能空間。在此基礎(chǔ)上，還需要在下部增加下腿部保護梁，控制下腿部的慣性運動。下腿部保護梁離地高度H以及與前保橫梁在x方向的相對位置，可以改變下腿部在碰撞過程中的運動姿態(tài)，防止下腿部在運動過程中向內(nèi)彎曲，見圖4。根據(jù)柔性下腿部的損傷機理，合理的下腿部保護梁離地高度有利于控制腿型的運動姿態(tài)，降低傷害值?？傊?，如果硬點與造型間隙值遠小于間隙目標，則需要重新調(diào)整造型面或硬點布置，以滿足間隙要求，給行人保護保留足夠的空間。

3.3 對整車結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

影響行人保護的因素，除前端造型和碰撞空間之外，碰撞區(qū)域關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也非常重要。在前端造型和空間滿足行人保護要求的前提下，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效降低行人傷害值，滿足法規(guī)對行人保護的要求。[8]endprint

3.3.1 發(fā)動機蓋內(nèi)板

在碰撞過程中，行人頭部首先接觸發(fā)動機蓋外板，外板變形帶動內(nèi)板一起變形，并向下運動吸收碰撞能量。如果運動過程中變形量過大，行人頭部會與發(fā)動機前艙里面的部件發(fā)生二次碰撞，造成更嚴重的傷害。為減小行人頭部傷害，設(shè)計能夠吸收更多頭部碰撞能量的發(fā)動機蓋內(nèi)板，是基于行人保護設(shè)計發(fā)動機蓋的關(guān)鍵。

在發(fā)動機蓋內(nèi)板設(shè)計上，可以分區(qū)域考慮，主要有以下幾點：一是發(fā)動機蓋中間位置，此區(qū)域發(fā)動機蓋外板距離下部硬點空間充足，可以適當弱化發(fā)動機蓋內(nèi)板，盡可能取消發(fā)動機蓋內(nèi)板的加強筋，見圖5a）；二是發(fā)動機蓋周邊區(qū)域，由于造型原因，該區(qū)域的發(fā)動機蓋外板距離下部硬點以及車身骨架空間較小，需要適當增加發(fā)動機蓋內(nèi)板強度，例如局部抬升內(nèi)板，增大內(nèi)外板之間的截面空間以吸收更多能量；三是采用鋁發(fā)動機蓋，使發(fā)動機蓋內(nèi)板均勻弱化，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以采用蜂窩狀或者是烤盤式結(jié)構(gòu)增加吸能，減少頭部傷害，見圖5b）。

3.3.2 發(fā)動機蓋鉸鏈

發(fā)動機蓋鉸鏈硬度高，對行人頭部保護效果不佳。在造型初期可以通過合理布置鉸鏈以及外部造型，盡可能把鉸鏈布置在頭部碰撞區(qū)域之外，但受到造型風格限制，不能布置在碰撞區(qū)域之外的車型，要重新考慮方案，以降低發(fā)動機蓋鉸鏈位置對行人頭部的傷害值。通過優(yōu)化鉸鏈結(jié)構(gòu)，使鉸鏈部分有足夠的變形空間以及較低的剛度[9]，從而在碰撞過程中吸收足夠多的能量，以減少對行人頭部的傷害。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動機蓋鉸鏈可以采用碰撞后可壓潰或者可斷裂的結(jié)構(gòu)，以減弱發(fā)動機蓋鉸鏈區(qū)域碰撞后的強度，滿足行人保護的需要。

3.3.3 前大燈

以往前大燈的設(shè)計未考慮行人保護，本身剛度較大，壓潰吸能能力較弱，并且前大燈體型較大，周邊預(yù)留空間較小，在碰撞過程中無法向下運動，從而造成對行人頭部傷害值過大。為滿足行人保護的要求，可以在前期造型設(shè)計階段盡可能使頭部碰撞區(qū)域向內(nèi)縮小，避開大燈、發(fā)動機蓋、翼子板和shotgun重疊區(qū)域，但是由于整車造型需要，大燈仍會部分位于行人保護的頭部碰撞區(qū)域。為減少行人頭部傷害值，前大燈的設(shè)計需要考慮以下幾點：第一，弱化安裝支架，使其在撞擊過程中斷裂，見圖6；第二，前大燈周圍預(yù)留充分的潰縮空間，避免撞擊過程中與周邊件接觸。在碰撞過程中，當行人頭部接觸大燈時，大燈受力導(dǎo)致大燈支架沿弱化導(dǎo)向槽斷裂并且整體掉落，降低行人頭部加速度，減小頭部傷害值。

在翼子板與發(fā)動機蓋分縫線區(qū)域，由于翼子板剛度和強度都較高，頭部碰撞到此區(qū)域時翼子板不易壓潰變形，能量不易被分散，對頭部造成很大傷害，不能滿足行人保護要求。應(yīng)通過合理的造型，盡量把分縫線調(diào)整到頭部碰撞區(qū)域之外，但由于車輛設(shè)計受造型風格限制，很多時候不能保證如此。造型確定之后，為降低此區(qū)域頭部傷害值，可以通過使shotgun外板z向下移，增大側(cè)分縫線與shotgun外板z向空間的距離（見圖7a）），從而使頭部碰撞時有更多的吸能空間。若z向距離過大，則需要通過支架連接翼子板與shotgun，翼子板支架在考慮其剛度的同時還要更多地考慮行人保護作用，通過選擇適當?shù)牟牧稀⒘虾癫⑶胰趸Y(jié)構(gòu)，使其在吸收一定能量的同時更易壓潰變形，減少對行人頭部的傷害。考慮行人保護的翼子板支架截面見圖7b）。

3.3.5 雨刮

雨刮結(jié)構(gòu)特殊，且雨刮總成處于行人保護頭部碰撞區(qū)域之內(nèi)，要降低雨刮對于行人頭部的傷害，主要有以下2個方面。

（1） 通過風擋裝飾板的合理造型與雨刮總成的合理布置，將雨刮輸出軸布置在發(fā)動機蓋下方，這樣頭部碰撞時無法與雨刮軸直接接觸，在一定程度上降低頭部傷害值，見圖8a）。

（2）第一種方式對雨刮的總布置要求較高，而且就算雨刮布置在發(fā)動機蓋下方，由于空間限制，發(fā)動機蓋在碰撞過程中的變形還是會接觸雨刮軸，同樣會對行人頭部造成傷害，所以可以根據(jù)要求設(shè)定合理的雨刮軸壓潰力，在碰撞過程中，雨刮軸受力達到極限值時整體壓潰下沉，增加碰撞空間，并且本身整體剛度下降，從而降低行人頭部傷害，見圖8b）。

3.4 新技術(shù)的應(yīng)用

隨著法規(guī)的實施和市場準入門檻的提高，以及目前國內(nèi)對行人保護的認識和重視程度的提高，越來越多的主動行人保護技術(shù)開始應(yīng)用。

3.4.1 主動彈起式發(fā)動機蓋

該系統(tǒng)利用發(fā)動機蓋彈升技術(shù)和先進的監(jiān)控技術(shù)，在檢測到行人與車輛前端發(fā)生碰撞時，車輛會啟動發(fā)動機蓋彈升控制模塊，在汽車與行人發(fā)生碰撞的瞬間，利用彈簧、氣體發(fā)生器或者電動馬達使發(fā)動機蓋瞬間彈起至一定高度，增加發(fā)動機蓋下方的自由變形空間，避免行人頭部與發(fā)動機蓋下方硬物的二次碰撞。同時，可以通過增加發(fā)動機蓋變形和提供彈性支撐進一步吸收碰撞能量，減少行人頭部的傷害。[10]

3.4.2 車外行人安全氣囊系統(tǒng)

車外行人安全氣囊系統(tǒng)以氣囊為碰撞緩沖裝置，其工作方式與傳統(tǒng)的汽車安全氣囊一樣，不同的是這個氣囊可以對車外的行人進行保護，對行人的安全提供保障。目前使用的車外行人安全氣囊主要有2種，一種是發(fā)動機蓋氣囊，一種是前圍氣囊。對于發(fā)動機蓋氣囊，碰撞前碰撞預(yù)警傳感器激發(fā)，充氣時間只有數(shù)秒鐘。充氣后的發(fā)動機蓋氣囊可在前擋風玻璃、發(fā)動機蓋后端中間的位置展開，并且延伸到A柱兩側(cè)以及擋風玻璃上，不僅能夠蓋住玻璃底部還可以蓋住雨刮器總成和發(fā)動機蓋鉸鏈位置等致命硬點，可以更好地保護行人頭部，降低行人頭部傷害值。前圍氣囊會在左右前大燈之間部位展開，由保險杠頂端延伸到發(fā)動機蓋表面，可以更好地保護行人下腿部，降低腿部傷害值。

3.4.3 智能安全保護系統(tǒng)

智能安全保護系統(tǒng)能夠?qū)π腥瞬扇≈鲃颖Ｗo，在事故發(fā)生前就及時通知駕駛員，避免車禍的發(fā)生或者將傷害降至最小。這些車載設(shè)備包括安裝在車身各個部位的傳感器、激光雷達、紅外線、超聲波傳感器、盲點探測器等，具有事故檢測功能，能隨時通過聲音、圖像等方式向駕駛員提供車輛周圍以及車輛本身的必要信息，并可以自動或者半自動地進行車輛控制，幫助駕駛員做出最快的反應(yīng)，從而有效地防止事故發(fā)生。endprint

4 結(jié)束語

C-NCAP（2018）行人保護的加入，對汽車設(shè)計提出更高的要求。

第一，新法規(guī)對汽車造型的要求更加嚴格。為盡可能縮小行人保護頭部與下腿部的碰撞區(qū)域，對汽車前端造型、發(fā)動機罩、翼子板的造型約束較大，前大燈的位置以及那些棱角分明的線條（如發(fā)動機蓋特征線與分縫線等）也會受到很大的約束。

第二，行人保護性能與整車耐撞性、強度耐久性和NVH等性能之間的矛盾更加突出，如何在復(fù)雜的因素中找到平衡點，設(shè)計滿足各種性能的汽車是當前各個主機廠的難點。

第三，傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計不能滿足新法規(guī)的要求，從而催生各種新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，隨之而來的是成本的增加，這對主機廠來說又是一個更大的挑戰(zhàn)。

隨著國家對行人保護越來越重視，在各汽車企業(yè)設(shè)計人員的共同努力下，相信這些難點會得到解決，新推出的汽車產(chǎn)品在行人保護方面做得會越來越好，對行人的傷害程度會降到最低。

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