乘用汽車排發(fā)式汽車安全碰撞安全性評(píng)價(jià)

乘用汽車排發(fā)式汽車安全碰撞安全性評(píng)價(jià)

在中國實(shí)際使用公交車的情況下，第二組公交車經(jīng)常乘客，其中大多數(shù)是女性和兒童，而第一個(gè)的限制系統(tǒng)通常沒有改進(jìn)，這增加了人員受到傷害的可能性，并對(duì)限制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。在學(xué)術(shù)研究方面,對(duì)第二排乘員約束系統(tǒng)及碰撞后傷害輸出的研究顯然不如前排乘員。因此中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP)在2005年制定的過程中,考慮到國情,在第二排座椅上放置一個(gè)混合Ⅲ型第5百分位女性假人(AF05),用來定性評(píng)價(jià)該位置處約束系統(tǒng)的性能,是所有NCAP機(jī)構(gòu)中率先將第二排約束系統(tǒng)的考核納入評(píng)分體系的機(jī)構(gòu)。目前國際幾個(gè)普遍認(rèn)可的評(píng)價(jià)試驗(yàn)中,日本新車評(píng)價(jià)規(guī)程(JapanNewCarAssessmentProgram,JNCAP)于2009年在40%偏置正面碰撞中,用第二排右側(cè)座椅上的5%女性假人來代替前排乘員側(cè)的50%男性假人,來進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià);歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程(EuropeNewCarAssessmentProgram,Euro-NCAP)已經(jīng)將第二排5%女性假人評(píng)價(jià)計(jì)劃納入2015版的評(píng)價(jià)體系中,現(xiàn)在正在進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)方法的研究?？梢?隨著乘員保護(hù)研究的不斷深入,第二排乘員的研究也得到了各國相關(guān)領(lǐng)域研究者的重視。本文在C-NCAP管理規(guī)則(09版)的基礎(chǔ)上對(duì)第二排AF05假人進(jìn)行更為深入的研究,從影響試驗(yàn)結(jié)果的假人定位擺放程序及基于生物力學(xué)限值定量評(píng)價(jià)方法這兩個(gè)方面進(jìn)行研究,并對(duì)29款車型進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn),通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,揭示在此碰撞環(huán)境下,AF05假人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn),及降低這種傷害的方法。1不同百分位的假人的傷害評(píng)價(jià)AF05假人與前排使用的混合Ⅲ型第50百分位男性假人同屬混合三型假人系列,由于性別及身材所處百分位的不同,假人尺寸、質(zhì)量及特性都有較大的差異。不同的假人在試驗(yàn)中分別擺放在前排和第二排,約束系統(tǒng)及車輛空間的情況也不同。正因?yàn)橛辛诉@些差異,對(duì)于前排,第二排假人的傷害評(píng)價(jià),自然不能用同樣的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。對(duì)第二排AF05假人安裝方法和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行相應(yīng)的研究是有必要的。1.1第5位的定位通過對(duì)美國國家公路交通安全管理局(NationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA)、加拿大交通部(TransportCanada,TC)和日本自動(dòng)車事故對(duì)策機(jī)構(gòu)(NationalAgencyforAutomotiveSafetyandVictim’sAid,NASVA)等機(jī)構(gòu)對(duì)第二排座位上AF05假人設(shè)定方法的研究,提出以下AF05假人的安裝方案:假人的安放總體狀態(tài)為假人頭部角度為0°±0.5°,可以通過調(diào)節(jié)頸部支架調(diào)節(jié)頭部角度;腰部骨盆角度為20°±2.5°,以上兩個(gè)角度優(yōu)先保證骨盆角度;假人背部在以上設(shè)置基礎(chǔ)上盡可能與座椅靠背貼合,對(duì)假人軀干角度不做具體要求。假人的“H”點(diǎn)即胯點(diǎn)(hippoint),為二維或三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點(diǎn),在人體模板中為髖關(guān)節(jié),常以此點(diǎn)作為定位基準(zhǔn)點(diǎn)。SAEH點(diǎn)裝置(簡稱“3DH裝置”)用于建立車輛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)點(diǎn)和乘員空間尺寸,并在審核時(shí)驗(yàn)證這些關(guān)鍵基準(zhǔn)點(diǎn)的位置和物理尺寸。本文作者使用3DH裝置來定位AF05假人的位置,確認(rèn)方法如下:使用3DH裝置,減少胸部6個(gè)重塊,控制3DH重量與AF05假人重量相近;并確認(rèn)3DH的H點(diǎn)坐標(biāo),利用與其對(duì)應(yīng)的關(guān)系(如表1所示),確認(rèn)AF05假人的H點(diǎn)坐標(biāo)。AF05假人的約束系統(tǒng)使用成年乘員用三點(diǎn)式安全帶,腰帶要靠下圍繞骨盆,肩帶定位于頸部與肩部的中心。1.2下頜部質(zhì)量評(píng)價(jià)據(jù)交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),第二排AF05假人發(fā)生正面碰撞時(shí)下肢傷害的概率相對(duì)較小,因此本文只對(duì)頭部、頸部和胸部進(jìn)行評(píng)價(jià)。第二排女性假人頭部、頸部、胸部評(píng)價(jià)指標(biāo)的高低限值指標(biāo)使用相同的確定方法:即前排、第二排假人傷害指標(biāo)的高低限值分別對(duì)應(yīng)相同的傷害風(fēng)險(xiǎn)率。1.2.1af05的評(píng)價(jià)頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)(headinjurycriterion,HIC)一般有HIC15和HIC36兩種計(jì)算方式。HIC15是在15ms內(nèi)計(jì)算頭部傷害,HIC36是在36ms內(nèi)來計(jì)算頭部傷害。對(duì)于AF05評(píng)價(jià),本文選用HIC15作為評(píng)價(jià)指標(biāo),這是因?yàn)榈诙排约偃藭?huì)與車身較硬部件接觸,接觸停留時(shí)間短,從頭部傷害分析的初始生物力學(xué)研究數(shù)據(jù)來看在頭骨出現(xiàn)骨折或腦損的實(shí)驗(yàn)樣本中,HIC的計(jì)算步長都不超過13ms,且統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,用HIC15與HIC36進(jìn)行評(píng)價(jià)有一定的等效性,通過類似于C-NCAP中前排第50%男性假人評(píng)價(jià)高、低限值對(duì)應(yīng)的傷害風(fēng)險(xiǎn)率,得出AF05假人評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。其中,AIS為人體損傷等級(jí),分為6級(jí),AIS3+為3級(jí)損傷,為較嚴(yán)重傷,但無生命危險(xiǎn)。上述HIC的計(jì)算是基于頭部有接觸碰撞的發(fā)生,如果頭部沒有接觸即頭部沒有二次碰撞發(fā)生,則在通行的評(píng)判當(dāng)中,認(rèn)為頭部傷害是可以接受的,不需進(jìn)行HIC的計(jì)算,認(rèn)為合格。頭部載荷定義如圖1所示,其中:a為加速度,F為力,M為彎矩。二次碰撞的確認(rèn)根據(jù)SAEJ2052算得的頭部接觸負(fù)重超過500N,且有接觸的痕跡。頭部接觸負(fù)重計(jì)算方法如下:式(1)中:ahx、ahy、ahz為AF05假人頭部3個(gè)方向的加速度值;ahx正向定義為頭部向前方向,ahy正向?yàn)轭^部向右方向,ahz正向?yàn)轭^部向下方向;mh為AF05假人頭部質(zhì)量,為3.72kg;Fnx、Fny、Fnz為AF05假人頸部力,Fnx正向定義為頭部向后、胸部向前的方向,Fny正向?yàn)轭^部向左、胸部向右的方向,Fnz正向?yàn)轭^部向上、胸部向下的方向。使用相同的方法可以確定頸部和胸部的高低限值,通過表3制定的方法進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)。其中,Mny為頸部伸張彎矩。注:(1)低性能之間的測(cè)量值,采用線性插值的方法得出對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù);2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1檢查用車的數(shù)量及號(hào)碼按照上述方法進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn),試驗(yàn)車樣品為近兩年內(nèi)新上市的車型,試驗(yàn)周期為2011年全年。這些車型中包括小型乘用車(車長小于4m)3個(gè)車型,A類乘用車(車長小于4.5m或排量小于1.6L的車型)10個(gè)車型,B類乘用車(車長大于4.5m且排量大于1.6L的車型)10個(gè)車型,多功能乘用車(多于兩排座椅)2個(gè)車型,運(yùn)動(dòng)型乘用車4個(gè)車型。將這些試驗(yàn)車的編號(hào)定為1號(hào)至29號(hào)。這些車型第二排座椅上安全帶配置情況為:26個(gè)車型為普通三點(diǎn)鎖止式安全帶;5號(hào)、15號(hào)、28號(hào)3個(gè)車型裝配的安全帶有限力無預(yù)緊功能。2.2部fnz值的統(tǒng)計(jì)及評(píng)價(jià)通過高速攝像和接觸圖片得知:這些試驗(yàn)車輛的碰撞過程中,第二排AF05假人頭部未與前排座椅發(fā)生二次碰撞或僅發(fā)生輕微的擦痕,但通過公式(1)計(jì)算得到的頭部負(fù)重未超過500N,因此不需進(jìn)行頭部HIC15方面的計(jì)算。根據(jù)1.2,只需進(jìn)行頸部Fnz和胸部壓縮量的評(píng)價(jià)。頸部通過Fnz指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),Fnz的高低限值指標(biāo)為1.7kN和2.62kN,圖2是在29個(gè)車型中頸部Fnz值,在圖2的17個(gè)車型中,Fnz值超出低限值指標(biāo),根據(jù)評(píng)價(jià)方法,頸部的得分為0,占到統(tǒng)計(jì)車型總數(shù)的58.6%;在剩余的12個(gè)車型中,Fnz值處于高低限值指標(biāo)之間,轉(zhuǎn)化為頸部的得分,平均得分率為18.3%;表現(xiàn)最好的28號(hào)車型,頸部Fnz值為2.260kN,得到0.08分,得分率為40%。胸部通過壓縮量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),它的高低限值分別為23mm和48mm;圖3是在29個(gè)車型中胸部壓縮量值,其中在10個(gè)車型的試驗(yàn)中,胸部壓縮量值超出低限值指標(biāo),根據(jù)評(píng)價(jià)方法胸部的得分為0,占到統(tǒng)計(jì)車型總數(shù)的34.48%;在剩余的19個(gè)車型中,壓縮量值處于高低限值指標(biāo)之間,轉(zhuǎn)化為胸部的得分,平均得分率為22.32%;表現(xiàn)最好的2號(hào)車型,胸部壓縮量值為33.85mm,得分率為57%。根據(jù)上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出:1)在第二排裝配普通三點(diǎn)式安全帶的車輛中,AF05假人頭部很少與前排座椅或車輛的內(nèi)飾發(fā)生二次碰撞,因此頭部不會(huì)受到大的傷害;頸部和胸部受到較為嚴(yán)重的傷害,在這兩個(gè)部位的評(píng)價(jià)中,頸部的傷害程度更為嚴(yán)重,應(yīng)引起充分的重視。2)在第二排裝配限力而無預(yù)緊功能的三點(diǎn)式安全帶的車輛中,頸部和胸部的傷害程度要小于裝配普通三點(diǎn)安全帶的車輛,如28號(hào)車型,在頸部和胸部的得分上要明顯高于其它車型。2.3a從裝置圖像看,表現(xiàn)為測(cè)焊接著下頜的n在碰撞過程中隨著車體的減速,第二排AF05假人相對(duì)于車體出現(xiàn)速度差和相對(duì)向前的位移,當(dāng)假人的胸部消除與約束系統(tǒng)之間的間隙后,開始受到約束系統(tǒng)的減速作用,在假人上軀干減速的過程中,由于肩帶直接約束胸部,而頭部無外力約束,因此胸部的減速過程要快于頭部的減速過程,并先于頭部達(dá)到相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)開始反彈,經(jīng)歷反彈階段后,最終達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于頸部,頭和胸部之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將對(duì)女性假人頸部產(chǎn)生張力Fnz為主的傷害;對(duì)于胸部,由于安全帶肩帶直接參與約束,胸部肋骨會(huì)受到它的擠壓變形;形成擠壓傷。2.3.1部單元運(yùn)動(dòng)原理將AF05假人的頭胸部作為兩個(gè)獨(dú)立的子單元模塊,它們之間通過頸部單元柔性連接,在碰撞過程中同時(shí)向前運(yùn)動(dòng),在消除安全帶間隙前,兩者處于自由的運(yùn)動(dòng)過程中,安全帶的間隙量消除后,對(duì)于胸部單元,肩帶阻止其繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),同時(shí)胸部單元通過頸部的聯(lián)帶作用,也阻止了頭部單元的前向運(yùn)動(dòng),兩者的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和特性基本相似,主要差別是兩者受阻礙的程度不同,胸部單元減速快于頭部單元,通過數(shù)學(xué)公式更清晰表達(dá)這一運(yùn)動(dòng)過程。頭部單元在運(yùn)動(dòng)中受力情況表示為胸部單元在運(yùn)動(dòng)中受力情況表示為其中:mc為AF05假人胸部單元質(zhì)量,mn為頸部單元質(zhì)量,acx為胸部x方向加速度,Fs.為安全帶肩帶力。令mh=3.73kg,mn=0.9kg,mc=12.02kg,由式(2)和(3)可得若令k=0.2887(ahz/acx),則式(4)變?yōu)閳D4是上述26個(gè)裝配普通安全帶的車型第二排AF05假人肩帶力—頸部力對(duì)應(yīng)關(guān)系,兩者呈現(xiàn)一種近視的線性關(guān)系。通過擬合曲線的斜率,得出式(5)中k值近似為0.29。2.3.2同整車型假人帶力胸部單元受到肩帶的直接約束,導(dǎo)致胸部肋骨發(fā)生形變。忽略頸部和下軀干影響,(3)式變?yōu)槭?6)中dc為AF05假人胸部壓縮位移量,K為胸部位移量對(duì)應(yīng)于胸部力的系數(shù),由此定義k1為安全帶的特征剛度,單位為g/mm,則(6)變?yōu)榱頺2=1/(k1mc)=0.08319k1,有圖5是26個(gè)裝配普通安全帶的車型第二排AF05假人肩帶力—胸部壓縮量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。肩帶力—胸部壓縮量兩者呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系,通過擬合曲線的斜率得出(9)中k2的值近似為2.7229μm/N。2.4af063第5款的受激于安全配置的范圍通過改進(jìn)普通安全帶相關(guān)性能配置來降低第二排女性假人的頸、胸部傷害指標(biāo)從理論上講是可行的。為此我們對(duì)某車型進(jìn)行驗(yàn)證,在確保AF05假人的頭部不與前排座椅發(fā)生二次碰撞的前提下,對(duì)某車性第二排座椅安全帶進(jìn)行表4所示的12種配置。圖6為AF05假人頸部Fnz傷害值與安全帶配置之間的關(guān)系。圖7是AF05假人胸部壓縮量與安全帶配置之間的關(guān)系。能夠看出:頸部Fnz和胸部壓縮量隨安全帶配置變化的基本規(guī)律是:安全帶限力等級(jí)降低,假人的傷害值隨之降低;隨著預(yù)緊量的增加,傷害值隨之降低。根據(jù)上述章節(jié)2的研究,可獲得如下一些結(jié)果:1)車輛第二排若裝配普通的安全帶,在100%正面碰撞中(50km/h),第二排AF05假人會(huì)受到較大的傷害,尤其是頸部和胸部。2)通過對(duì)第二排AF05假人動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)特點(diǎn)分析,確定普通安全帶是造成頸部和胸部傷害的主要因素,并導(dǎo)出安全帶肩帶力與AF05假人頸部、胸部之間的近似關(guān)系。3)在安全帶的選配及優(yōu)化過程中,預(yù)緊加限力型效果最好,其次是限力型,最差的為普通型。3安全的運(yùn)用情況對(duì)參與試驗(yàn)的車型來看,這些車型對(duì)第二排5%女性乘員的保護(hù)力度不夠,安全配置較低是普遍的現(xiàn)狀。在100%正面碰撞中,第二排5%女性乘員各部位的傷害形成過程,均與安全帶性能有直接或間接的關(guān)系。頭部傷害主要來自與前排座椅發(fā)生二次碰撞,但數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,這種傷害的發(fā)生概率較低;頸部傷害是由頭胸部之間的運(yùn)動(dòng)速度差造成的;胸部傷