乘用汽车排发式汽车安全碰撞安全性评价

乘用汽车排发式汽车安全碰撞安全性评价

在中国实际使用公交车的情况下，第二组公交车经常乘客，其中大多数是女性和儿童，而第一个的限制系统通常没有改进，这增加了人员受到伤害的可能性，并对限制系统的可靠性提出了更高的要求。在学术研究方面,对第二排乘员约束系统及碰撞后伤害输出的研究显然不如前排乘员。因此中国新车评价规程(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP)在2005年制定的过程中,考虑到国情,在第二排座椅上放置一个混合Ⅲ型第5百分位女性假人(AF05),用来定性评价该位置处约束系统的性能,是所有NCAP机构中率先将第二排约束系统的考核纳入评分体系的机构。目前国际几个普遍认可的评价试验中,日本新车评价规程(JapanNewCarAssessmentProgram,JNCAP)于2009年在40%偏置正面碰撞中,用第二排右侧座椅上的5%女性假人来代替前排乘员侧的50%男性假人,来进行相应的评价;欧洲新车评价规程(EuropeNewCarAssessmentProgram,Euro-NCAP)已经将第二排5%女性假人评价计划纳入2015版的评价体系中,现在正在进行相关评价方法的研究。可见,随着乘员保护研究的不断深入,第二排乘员的研究也得到了各国相关领域研究者的重视。本文在C-NCAP管理规则(09版)的基础上对第二排AF05假人进行更为深入的研究,从影响试验结果的假人定位摆放程序及基于生物力学限值定量评价方法这两个方面进行研究,并对29款车型进行相应的试验,通过对试验结果的分析,揭示在此碰撞环境下,AF05假人的动力学响应特点,及降低这种伤害的方法。1不同百分位的假人的伤害评价AF05假人与前排使用的混合Ⅲ型第50百分位男性假人同属混合三型假人系列,由于性别及身材所处百分位的不同,假人尺寸、质量及特性都有较大的差异。不同的假人在试验中分别摆放在前排和第二排,约束系统及车辆空间的情况也不同。正因为有了这些差异,对于前排,第二排假人的伤害评价,自然不能用同样的标准来进行。对第二排AF05假人安装方法和评价方法进行相应的研究是有必要的。1.1第5位的定位通过对美国国家公路交通安全管理局(NationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA)、加拿大交通部(TransportCanada,TC)和日本自动车事故对策机构(NationalAgencyforAutomotiveSafetyandVictim’sAid,NASVA)等机构对第二排座位上AF05假人设定方法的研究,提出以下AF05假人的安装方案:假人的安放总体状态为假人头部角度为0°±0.5°,可以通过调节颈部支架调节头部角度;腰部骨盆角度为20°±2.5°,以上两个角度优先保证骨盆角度;假人背部在以上设置基础上尽可能与座椅靠背贴合,对假人躯干角度不做具体要求。假人的“H”点即胯点(hippoint),为二维或三维人体模型样板中人体躯干与大腿的连接点,在人体模板中为髋关节,常以此点作为定位基准点。SAEH点装置(简称“3DH装置”)用于建立车辆的内部结构基准点和乘员空间尺寸,并在审核时验证这些关键基准点的位置和物理尺寸。本文作者使用3DH装置来定位AF05假人的位置,确认方法如下:使用3DH装置,减少胸部6个重块,控制3DH重量与AF05假人重量相近;并确认3DH的H点坐标,利用与其对应的关系(如表1所示),确认AF05假人的H点坐标。AF05假人的约束系统使用成年乘员用三点式安全带,腰带要靠下围绕骨盆,肩带定位于颈部与肩部的中心。1.2下颌部质量评价据交通事故数据统计,第二排AF05假人发生正面碰撞时下肢伤害的概率相对较小,因此本文只对头部、颈部和胸部进行评价。第二排女性假人头部、颈部、胸部评价指标的高低限值指标使用相同的确定方法:即前排、第二排假人伤害指标的高低限值分别对应相同的伤害风险率。1.2.1af05的评价头部伤害标准(headinjurycriterion,HIC)一般有HIC15和HIC36两种计算方式。HIC15是在15ms内计算头部伤害,HIC36是在36ms内来计算头部伤害。对于AF05评价,本文选用HIC15作为评价指标,这是因为第二排女性假人会与车身较硬部件接触,接触停留时间短,从头部伤害分析的初始生物力学研究数据来看在头骨出现骨折或脑损的实验样本中,HIC的计算步长都不超过13ms,且统计结果表明,用HIC15与HIC36进行评价有一定的等效性,通过类似于C-NCAP中前排第50%男性假人评价高、低限值对应的伤害风险率,得出AF05假人评价指标见表2。其中,AIS为人体损伤等级,分为6级,AIS3+为3级损伤,为较严重伤,但无生命危险。上述HIC的计算是基于头部有接触碰撞的发生,如果头部没有接触即头部没有二次碰撞发生,则在通行的评判当中,认为头部伤害是可以接受的,不需进行HIC的计算,认为合格。头部载荷定义如图1所示,其中:a为加速度,F为力,M为弯矩。二次碰撞的确认根据SAEJ2052算得的头部接触负重超过500N,且有接触的痕迹。头部接触负重计算方法如下:式(1)中:ahx、ahy、ahz为AF05假人头部3个方向的加速度值;ahx正向定义为头部向前方向,ahy正向为头部向右方向,ahz正向为头部向下方向;mh为AF05假人头部质量,为3.72kg;Fnx、Fny、Fnz为AF05假人颈部力,Fnx正向定义为头部向后、胸部向前的方向,Fny正向为头部向左、胸部向右的方向,Fnz正向为头部向上、胸部向下的方向。使用相同的方法可以确定颈部和胸部的高低限值,通过表3制定的方法进行相应的试验评价。其中,Mny为颈部伸张弯矩。注:(1)低性能之间的测量值,采用线性插值的方法得出对应的分数;2试验结果的分析2.1检查用车的数量及号码按照上述方法进行相应试验,试验车样品为近两年内新上市的车型,试验周期为2011年全年。这些车型中包括小型乘用车(车长小于4m)3个车型,A类乘用车(车长小于4.5m或排量小于1.6L的车型)10个车型,B类乘用车(车长大于4.5m且排量大于1.6L的车型)10个车型,多功能乘用车(多于两排座椅)2个车型,运动型乘用车4个车型。将这些试验车的编号定为1号至29号。这些车型第二排座椅上安全带配置情况为:26个车型为普通三点锁止式安全带;5号、15号、28号3个车型装配的安全带有限力无预紧功能。2.2部fnz值的统计及评价通过高速摄像和接触图片得知:这些试验车辆的碰撞过程中,第二排AF05假人头部未与前排座椅发生二次碰撞或仅发生轻微的擦痕,但通过公式(1)计算得到的头部负重未超过500N,因此不需进行头部HIC15方面的计算。根据1.2,只需进行颈部Fnz和胸部压缩量的评价。颈部通过Fnz指标进行评价,Fnz的高低限值指标为1.7kN和2.62kN,图2是在29个车型中颈部Fnz值,在图2的17个车型中,Fnz值超出低限值指标,根据评价方法,颈部的得分为0,占到统计车型总数的58.6%;在剩余的12个车型中,Fnz值处于高低限值指标之间,转化为颈部的得分,平均得分率为18.3%;表现最好的28号车型,颈部Fnz值为2.260kN,得到0.08分,得分率为40%。胸部通过压缩量指标进行评价,它的高低限值分别为23mm和48mm;图3是在29个车型中胸部压缩量值,其中在10个车型的试验中,胸部压缩量值超出低限值指标,根据评价方法胸部的得分为0,占到统计车型总数的34.48%;在剩余的19个车型中,压缩量值处于高低限值指标之间,转化为胸部的得分,平均得分率为22.32%;表现最好的2号车型,胸部压缩量值为33.85mm,得分率为57%。根据上述的试验数据,可以看出:1)在第二排装配普通三点式安全带的车辆中,AF05假人头部很少与前排座椅或车辆的内饰发生二次碰撞,因此头部不会受到大的伤害;颈部和胸部受到较为严重的伤害,在这两个部位的评价中,颈部的伤害程度更为严重,应引起充分的重视。2)在第二排装配限力而无预紧功能的三点式安全带的车辆中,颈部和胸部的伤害程度要小于装配普通三点安全带的车辆,如28号车型,在颈部和胸部的得分上要明显高于其它车型。2.3a从装置图像看,表现为测焊接着下颌的n在碰撞过程中随着车体的减速,第二排AF05假人相对于车体出现速度差和相对向前的位移,当假人的胸部消除与约束系统之间的间隙后,开始受到约束系统的减速作用,在假人上躯干减速的过程中,由于肩带直接约束胸部,而头部无外力约束,因此胸部的减速过程要快于头部的减速过程,并先于头部达到相对静止状态开始反弹,经历反弹阶段后,最终达到静止状态。对于颈部,头和胸部之间的相对运动将对女性假人颈部产生张力Fnz为主的伤害;对于胸部,由于安全带肩带直接参与约束,胸部肋骨会受到它的挤压变形;形成挤压伤。2.3.1部单元运动原理将AF05假人的头胸部作为两个独立的子单元模块,它们之间通过颈部单元柔性连接,在碰撞过程中同时向前运动,在消除安全带间隙前,两者处于自由的运动过程中,安全带的间隙量消除后,对于胸部单元,肩带阻止其继续向前运动,同时胸部单元通过颈部的联带作用,也阻止了头部单元的前向运动,两者的运动形态和特性基本相似,主要差别是两者受阻碍的程度不同,胸部单元减速快于头部单元,通过数学公式更清晰表达这一运动过程。头部单元在运动中受力情况表示为胸部单元在运动中受力情况表示为其中:mc为AF05假人胸部单元质量,mn为颈部单元质量,acx为胸部x方向加速度,Fs.为安全带肩带力。令mh=3.73kg,mn=0.9kg,mc=12.02kg,由式(2)和(3)可得若令k=0.2887(ahz/acx),则式(4)变为图4是上述26个装配普通安全带的车型第二排AF05假人肩带力—颈部力对应关系,两者呈现一种近视的线性关系。通过拟合曲线的斜率,得出式(5)中k值近似为0.29。2.3.2同整车型假人带力胸部单元受到肩带的直接约束,导致胸部肋骨发生形变。忽略颈部和下躯干影响,(3)式变为式(6)中dc为AF05假人胸部压缩位移量,K为胸部位移量对应于胸部力的系数,由此定义k1为安全带的特征刚度,单位为g/mm,则(6)变为令k2=1/(k1mc)=0.08319k1,有图5是26个装配普通安全带的车型第二排AF05假人肩带力—胸部压缩量之间的对应关系。肩带力—胸部压缩量两者呈现近似的线性关系,通过拟合曲线的斜率得出(9)中k2的值近似为2.7229μm/N。2.4af063第5款的受激于安全配置的范围通过改进普通安全带相关性能配置来降低第二排女性假人的颈、胸部伤害指标从理论上讲是可行的。为此我们对某车型进行验证,在确保AF05假人的头部不与前排座椅发生二次碰撞的前提下,对某车性第二排座椅安全带进行表4所示的12种配置。图6为AF05假人颈部Fnz伤害值与安全带配置之间的关系。图7是AF05假人胸部压缩量与安全带配置之间的关系。能够看出:颈部Fnz和胸部压缩量随安全带配置变化的基本规律是:安全带限力等级降低,假人的伤害值随之降低;随着预紧量的增加,伤害值随之降低。根据上述章节2的研究,可获得如下一些结果:1)车辆第二排若装配普通的安全带,在100%正面碰撞中(50km/h),第二排AF05假人会受到较大的伤害,尤其是颈部和胸部。2)通过对第二排AF05假人动力学的响应特点分析,确定普通安全带是造成颈部和胸部伤害的主要因素,并导出安全带肩带力与AF05假人颈部、胸部之间的近似关系。3)在安全带的选配及优化过程中,预紧加限力型效果最好,其次是限力型,最差的为普通型。3安全的运用情况对参与试验的车型来看,这些车型对第二排5%女性乘员的保护力度不够,安全配置较低是普遍的现状。在100%正面碰撞中,第二排5%女性乘员各部位的伤害形成过程,均与安全带性能有直接或间接的关系。头部伤害主要来自与前排座椅发生二次碰撞,但数据统计结果表明,这种伤害的发生概率较低;颈部伤害是由头胸部之间的运动速度差造成的;胸部伤