40%重疊可變形壁障碰撞與100%正面剛性壁碰撞探究

楊晨曦,馬鈞

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

0 引言

我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已超過(guò)3億輛，隨之而來(lái)的是較高的道路交通事故發(fā)生率，已然成為現(xiàn)代社會(huì)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。影響交通事故的因素很多,如汽車本身的缺陷、道路及附屬設(shè)施不夠完善、自身的駕乘習(xí)慣錯(cuò)誤等。人們可以通過(guò)改善這些因素來(lái)降低事故的發(fā)生率,但是不可能從根本上杜絕道路交通事故。通過(guò)車輛制造技術(shù)的改進(jìn)與革新,在事故發(fā)生后盡可能減少對(duì)駕乘人員的傷害,這是汽車技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。調(diào)查和分析交通事故的特點(diǎn),制定行之有效的有針對(duì)性的試驗(yàn)方法；作為汽車制造商，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,進(jìn)而通過(guò)技術(shù)和工藝的改進(jìn)可以提高汽車本身質(zhì)量;作為政府部門，可以通過(guò)強(qiáng)制性試驗(yàn)法規(guī)控制市場(chǎng)準(zhǔn)入的門檻;保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)制定保險(xiǎn)價(jià)率。

汽車交通安全事故中，因碰撞導(dǎo)致的事故是造成人身傷害的最主要形式，占比超過(guò)70%。道路交通事故從形態(tài)上可以分為：正面碰撞、追尾碰撞、側(cè)面碰撞和翻車等。圖1是20世紀(jì)末美國(guó)所發(fā)生碰撞類道路事故的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)在碰撞事故中正面碰撞占比排首位，高達(dá)41%。英國(guó)、日本同類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，正面碰撞事故占有的比例更高，分別為52%和42%。所以很多國(guó)家對(duì)于碰撞試驗(yàn)的研究都是從正面碰撞開(kāi)始，從而幫助降低道路碰撞后帶來(lái)的人員傷亡[1]。

圖1 美國(guó)碰撞事故類型統(tǒng)計(jì)

我國(guó)最早開(kāi)展的汽車碰撞是50 km/h下的100%重疊正面剛性壁碰撞。正面剛性壁碰撞雖說(shuō)可以一定程度上衡量汽車碰撞中吸能特性和對(duì)成員的保護(hù)能力，但是實(shí)際的汽車碰撞事故中這種和剛性壁的正面碰撞發(fā)生的概率很低。正面碰撞中更多情況下是車對(duì)車的碰撞，這種情況下被撞的對(duì)象是同樣具有變形吸能作用的汽車；絕大多數(shù)情況下兩車不會(huì)100%的正對(duì)碰撞，而是錯(cuò)開(kāi)一定比例[2]。根據(jù)對(duì)事故發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)和分析，歐洲正面碰撞法規(guī)ECE R94中規(guī)定了一種正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)。我國(guó)參照ECE R94于2007年4月30日發(fā)布了GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》。為了更加準(zhǔn)確地驗(yàn)證和評(píng)價(jià)汽車安全性能，文中將針對(duì)正面40%重疊可變形壁障碰撞法規(guī)和試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并將其與正面剛性壁碰撞(GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》)做比較性分析。

1 碰撞試驗(yàn)用壁障

在正面40%重疊可變形壁障碰撞實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可變形壁障(Deformable Barrier)是蜂窩結(jié)構(gòu)鋁制可壓縮的塊狀物表面，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中安裝在剛性塊上；車寬(Vehicle Width)指與車輛縱向中心平面相平行的，同時(shí)與車輛兩端側(cè)面接觸但不包括后視鏡、側(cè)轉(zhuǎn)向燈、示寬燈、胎壓計(jì)、柔性擋泥板和緊靠輪胎與地面接觸部分的側(cè)壁變形處的兩個(gè)平面間距；重疊(Overlap)指車輛正面與壁障表面所接觸的部分占車寬的百分比，具體到這里即是40%；正面即指汽車運(yùn)動(dòng)的方向與汽車中軸線一致且與可變形壁障垂直。

如圖2，可變形壁障右側(cè)表面與車輛中心線并非重合，而是存在一定的偏移量，這里為車輛寬度的10%，即重疊部分為40%。重疊的一側(cè)為駕駛員所在側(cè)。

圖2 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)

如圖3所示，可變形壁障寬度為1 000 mm,由壓潰強(qiáng)度分別為0.342和1.711 MPa的兩種不同結(jié)構(gòu)的蜂窩鋁構(gòu)成其主副兩部分，厚度分別為450 mm和90 mm，高度分別為650 mm和330 mm,兩部分下邊緣平齊且與地面相距200 mm。蜂窩鋁主塊的前后面黏于覆板和背板上，副塊前側(cè)黏有保險(xiǎn)杠面板。各部分尺寸和材料以及黏合劑的成分都有嚴(yán)格規(guī)定[3]。

同時(shí)需要有質(zhì)量不少于7×104kg的剛性固定壁或與之連接的剛性結(jié)構(gòu)來(lái)安裝可變形壁障。在碰撞過(guò)程中，應(yīng)保持測(cè)試車輛不與從可變形壁障的上表面到75 mm處的連接結(jié)構(gòu)之間的部分發(fā)生接觸?？勺冃伪谡习惭b表面與跑道軸線的垂直偏差不超過(guò)±1°，豎直偏差不超過(guò)±1°，同時(shí)要滿足平坦光滑的條件。在整個(gè)碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，連接部分表面的位移不應(yīng)大于10 mm。固定壁上或連接的剛性結(jié)構(gòu)邊緣，也應(yīng)按汽車碰撞側(cè)與可變形壁障的邊緣對(duì)齊。

圖3 正面偏置碰撞用的可變形壁障

壁障上下側(cè)各伸出75 mm的安裝邊緣，上下各有5個(gè)均布擺列的安裝孔，便于可變形壁障用螺栓安裝在固定壁上或連接于固定壁上的剛性結(jié)構(gòu)上，螺栓直徑最少8 mm。上下兩邊緣采用鋼帶夾緊，鋼帶至少60 mm高、1 000 mm寬、3 mm厚。鋼帶的邊緣應(yīng)倒圓，以免在碰撞過(guò)程中可變形壁障從鋼帶上撕落。鋼帶的邊高于可變形壁障上安裝邊5 mm，低于下安裝邊5 mm。在鋼帶上對(duì)應(yīng)可變形壁障的安裝邊鉆5個(gè)直徑9.5 mm的孔(見(jiàn)圖4)。鋼帶和可變形壁障安裝邊上的孔的直徑可以從9.5 mm擴(kuò)大到25 mm，以適應(yīng)不同的背板布置和/或測(cè)力墻的孔的配置。安裝裝置不應(yīng)在碰撞中失效。

圖5中的鋼架結(jié)構(gòu)是為連接變形壁與固定壁而設(shè)計(jì)制作的設(shè)施，該設(shè)施左右對(duì)稱，可適用于駕駛員在左側(cè)或右側(cè)不同情況車輛的試驗(yàn)需要。該設(shè)施最外側(cè)為20 mm厚膠合木板，其后是45 mm厚度的鋼板，高800 mm、寬1 830 mm,鋼板和鋼架焊接為一體，鋼架與鋼板等寬等高，厚度為1 165 mm，四角裝有滾輪和絲桿，便于移動(dòng)與調(diào)節(jié)。試驗(yàn)前將鋼架移動(dòng)到需要的位置，調(diào)節(jié)絲桿使之達(dá)到要求的高度。

圖4 壁障安裝孔的位置

圖5 壁障的安裝

在變形壁安裝有帶狀開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)連接閃光燈，在碰撞發(fā)生的瞬間，閃光燈發(fā)光被攝影機(jī)拍到，可以記錄下碰撞零時(shí)刻點(diǎn)。

依照GB 11551-2014的正面剛性壁障碰撞，碰撞壁寬度不小于3 m,高度不小于1.5 m,質(zhì)量不少于7×104kg，碰撞壁是剛性的，只要求加裝20 mm厚膠合板。

2 試驗(yàn)過(guò)程

40%重疊可變形壁障碰撞與正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)在車輛準(zhǔn)備過(guò)程及乘員艙的調(diào)整方法上完全一致，在此不做描述。

2.1 車輛變形量的測(cè)量

移動(dòng)式三坐標(biāo)儀可用來(lái)測(cè)量車輛在碰撞過(guò)程中的變形量。三坐標(biāo)儀的坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)系相同，同時(shí)需要建立在一個(gè)特定平面上。車輛變形的測(cè)量參考原點(diǎn)選取為車輛后端結(jié)構(gòu)。

要測(cè)量的車內(nèi)點(diǎn)一般包括轉(zhuǎn)向柱端點(diǎn)、加速踏板、制動(dòng)踏板、離合器踏板和駐車踏板(如果有)，車身外側(cè)一般包括車梁前端點(diǎn)、保險(xiǎn)杠、A柱、B柱和車門。

2.2 電測(cè)量

在兩個(gè)假人身上安裝以下傳感器：三軸向加速度傳感器、頸部力與力矩綜合傳感器、胸部位移傳感器、大腿力傳感器及膝蓋滑移位移傳感器、小腿力傳感器；還可以在車身需要關(guān)注的部位加裝加速度傳感器。

2.3 光測(cè)量

一般在試驗(yàn)車輛的左右兩側(cè)、正前偏上方架設(shè)高速攝影機(jī)(如圖6所示)；在左右可以各用兩臺(tái)高速攝影機(jī)，一臺(tái)專拍假人運(yùn)動(dòng)影像，一臺(tái)拍攝車身運(yùn)動(dòng)影像；在車前左(右舵為前右)方向可以斜向架設(shè)一臺(tái)高速攝影機(jī)，可以較好地拍攝車身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；如果有條件還可以在屋頂、地坑中架設(shè)高速攝影機(jī)。

圖6 高速攝影架設(shè)位置

2.4 燃油泄漏測(cè)量

用大面積托盤接收泄漏的燃油，至碰撞后5 min止，如有泄漏則進(jìn)行稱量。

2.5 重疊偏移量測(cè)量

為避免變形對(duì)測(cè)量的影響，預(yù)先在車與變形壁一側(cè)帖上白色布膠帶，一側(cè)涂上紅泥，碰撞后用鋼板尺測(cè)量膠帶展開(kāi)后目標(biāo)點(diǎn)與紅泥印之距即為重疊偏移量。

40%重疊可變形壁障碰撞與正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)在測(cè)試方法和所用儀器設(shè)備上基本一致，只是40%重疊可變形壁障碰撞要測(cè)量的參數(shù)稍多。

3 試驗(yàn)形式和標(biāo)準(zhǔn)要求的比較

表1 試驗(yàn)條件及性能指標(biāo)對(duì)比[4-5]

4 測(cè)試數(shù)據(jù)比較與分析

4.1 碰撞后車輛外觀比較

圖7、8分別是同一個(gè)車型40%重疊可變形壁障碰撞和正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)后照片，從圖片中看：試驗(yàn)車輛前擋風(fēng)玻璃都有裂紋但沒(méi)有脫落，圖7中汽車前臉、保險(xiǎn)杠、引擎蓋、護(hù)輪板變形較大，左側(cè) A柱及車門明顯變形；圖8中保險(xiǎn)杠、引擎蓋、護(hù)輪板變形，而與駕駛艙相關(guān)的A柱、車門未見(jiàn)明顯變形。

圖7 40%重疊可變形壁障碰撞

從碰撞后的外觀來(lái)看，如果只比較碰撞點(diǎn)的破壞程度，40%重疊可變形壁障碰撞所造成的破壞更加嚴(yán)重。那么是否可以認(rèn)為40%重疊可變形壁障碰撞(56 km/h)真的要比100%正面剛性壁障碰撞(50 km/h)的強(qiáng)度要高呢？

4.2 電測(cè)曲線分析

圖9—12是同一車型兩種不同試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)曲線對(duì)照。

圖9 車身B 柱(左)加速度曲線

圖10 頭部(駕駛員)合成加速度曲線

圖11 胸部位移(駕駛員)曲線

圖12 大腿載荷(駕駛員右腿)曲線

圖9是安裝在車身B柱上的傳感器獲得的加速度曲線，方向?yàn)檐嚿砜v向。可以看出：由于100%正面剛性壁障碰撞當(dāng)中碰撞物體為剛性，車身加速度形成一個(gè)較陡的尖波，可知車身受到瞬間高強(qiáng)度慣性沖擊；而40%重疊可變形壁障碰撞波峰明顯低于前者，且波形較寬，雖然碰撞速度較前者要高，在可變形壁障的緩沖吸能作用之下，車身所受沖擊相對(duì)平緩。

圖10是駕駛員頭部三軸向加速度合成曲線，可見(jiàn)：40%重疊可變形壁障碰撞曲線在上升沿與100%正面剛性壁障碰撞曲線相比具有較好的相似性，而在時(shí)間軸上明顯后移，波峰略低。

圖11是駕駛員胸部位移曲線，可見(jiàn)：40%重疊可變形壁障碰撞曲線的時(shí)間軸相對(duì)于100%正面剛性壁障碰撞曲線后移，40%重疊可變形壁障碰撞曲線波峰明顯低于100%正面剛性壁障碰撞曲線。

圖12是駕駛員右側(cè)大腿載荷曲線，對(duì)照比較可以發(fā)現(xiàn)：40%重疊可變形壁障碰撞中大腿載荷峰值絕對(duì)值高于100%正面剛性壁障碰撞，這個(gè)結(jié)果與車身加速度、頭部加速度、胸部位移等指標(biāo)對(duì)比結(jié)果相反。

以上4個(gè)參數(shù)中最能體現(xiàn)撞擊強(qiáng)度的是車身加速度，40%重疊可變形壁障碰撞車身加速度小于100%正面剛性壁障碰撞車身加速度。這說(shuō)明雖然可變形壁障碰撞速度大于剛性壁障碰撞，但是由于可變形壁障對(duì)碰撞車的緩沖作用，吸收掉一部分能量，作用于車身的總體撞擊強(qiáng)度要小于剛性壁障碰撞。頭部加速度和胸部位移兩個(gè)參數(shù)與車身加速度密切相關(guān)，所以有一致的比較結(jié)果。駕駛員大腿載荷則與車身變形關(guān)系較大，車身變形的相關(guān)對(duì)比在下文中會(huì)具體描述。

4.3 車身變形量對(duì)比

再看另一組數(shù)據(jù)，表2是兩種試驗(yàn)中車身不同位置的變形量對(duì)比。

表2 車身變形位移量

分析表2可知：40%重疊可變形壁障碰撞對(duì)車身駕駛艙的絕對(duì)侵入量要大于100%正面剛性壁障碰撞，該結(jié)果與圖7、圖8中所見(jiàn)結(jié)果吻合。由于40%重疊可變形壁障碰撞力量更多地作用于車身的一側(cè)，靠一側(cè)車身變形來(lái)吸收能量，其破壞也集中于一側(cè)。這樣非碰撞的一側(cè)基本不變形，而會(huì)對(duì)處于碰撞側(cè)的左側(cè)車身局部造成較大破壞和沖擊，如果這種破壞和沖擊嚴(yán)重影響駕駛員側(cè)生存空間，雖然駕駛員遭受慣性沖擊不大亦可能造成致命傷害。而且車門變形也不利事故后逃生。100%正面剛性壁障碰撞則是車身整體壓縮變形，受力面比較大，車身左右兩側(cè)都參與變形吸能，這樣將碰撞產(chǎn)生的沖擊分散均擔(dān)，車身部左右兩部分都產(chǎn)生變形，雖然整體慣性沖擊力較大但是相比40%重疊可變形壁障碰撞作用于一側(cè)對(duì)駕駛艙的破壞要小。40%重疊可變形壁障碰撞駕駛員側(cè)車身破壞較大，可能對(duì)腿部構(gòu)成擠壓，這可以解釋圖12中大腿載荷較大的結(jié)果。

4.4 碰撞后運(yùn)動(dòng)形式比較

觀察對(duì)比兩種試驗(yàn)的高速攝影資料(圖13、圖14)，可以發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)中碰撞后車身運(yùn)動(dòng)的形式存在較大差異。

圖13 正面剛性壁障碰撞高速攝影

圖14 40%重疊可變形壁障碰撞高速攝影圖像

由高速攝影圖像資料可見(jiàn)：正面剛性壁障碰撞中，車身除了向前的壓縮和向后反彈的運(yùn)動(dòng)外，整體在垂直方向上有一個(gè)頭部下沉、尾部翹起的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而40%重疊可變形壁障碰撞除存在上述運(yùn)動(dòng)外，在水平方向同時(shí)存在一旋轉(zhuǎn)甩尾的運(yùn)動(dòng)。正面剛性壁障碰撞中碰撞接觸點(diǎn)低于車身重心點(diǎn)，但是接觸點(diǎn)和重心點(diǎn)同處于汽車中性縱面上，在水平方向不存在偏差，所以在慣性力的作用下，車身只受到一個(gè)豎直向上力矩，產(chǎn)生豎直方向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而在40%重疊可變形壁障碰撞中，接觸點(diǎn)明顯偏于一側(cè)車身，在慣性力的作用下存在著一個(gè)水平方向的力矩，使車身同時(shí)產(chǎn)生水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩種情況下車身所受力矩示意圖如圖15所示。

圖15 車身所受力矩示意圖

5 結(jié)論

GB/T 20913-2007中40%重疊可變形壁障碰撞與GB 11551-2014中正面剛性壁障碰撞都是0角度正面碰撞試驗(yàn)，在車輛準(zhǔn)備、乘員艙調(diào)整、測(cè)試方法上存在很多相似和相同之處。但是由于試驗(yàn)條件不一樣，試驗(yàn)結(jié)果存在很大差異：

由假人頭部、胸部傷害指標(biāo)比較可知，正面剛性壁障碰撞中乘員更容易受到?jīng)_擊慣性力傷害，而40%重疊可變形壁障碰撞中乘員所受此種傷害相對(duì)要低。避免沖擊慣性力傷害主要靠乘員約束保護(hù)系統(tǒng)和車身前部吸能，可見(jiàn)正面剛性壁障碰撞在檢驗(yàn)乘員約束保護(hù)系統(tǒng)方面要求更嚴(yán)格。

由車身變形量比較可知，40%重疊可變形壁障碰撞車身變形較大，對(duì)駕駛室侵入較多，可能造成因生存空間過(guò)小造成的傷害。而要減少這種傷害，乘員艙必須在碰撞中盡量保持完好，單側(cè)車身在碰撞中要能承受沖擊而乘員艙不變形或少變形，這對(duì)車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

40%重疊可變形壁障碰撞中車身存在幅度較大橫向甩尾動(dòng)作，這有可能使乘員因此造成側(cè)向撞擊和扭轉(zhuǎn)的傷害，特別是造成乘員頸部扭傷。

40%重疊可變形壁障碰撞從形式上更接近于真實(shí)的道路交通事故，但是調(diào)查研究表明道路交通事故中因乘員約束保護(hù)系統(tǒng)存在問(wèn)題而構(gòu)成的傷害占有更大比例。總之，兩種試驗(yàn)方法各自具有不同偏重點(diǎn)，不可相互替代，應(yīng)互為補(bǔ)充。

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