張俊南，劉得雄Zhang Junnan，Liu Dexiong

25%小偏置碰撞中駕駛員小腿傷害解析

張俊南1，劉得雄2
Zhang Junnan1，Liu Dexiong2

（1. 中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

25%小偏置碰撞工況中駕駛員腿部相較其他部位更易受到傷害。解析假人腿部傷害的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)大量測(cè)試結(jié)果，分析造成駕駛員腿部傷害超標(biāo)的主要原因，研究車輛局部變形量與腿部傷害指標(biāo)的關(guān)聯(lián)，為試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)、分析以及車輛結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供參考。

小偏置碰撞；假人傷害結(jié)果；脛骨指數(shù)TI；評(píng)價(jià)方法；影響因素

0 引 言

通過(guò)分析25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車體結(jié)構(gòu)完整性方面的測(cè)量點(diǎn)侵入量過(guò)大，碰撞后乘員艙變形嚴(yán)重[1-2]。隨著安全帶和安全氣囊的廣泛應(yīng)用，25%小偏置特殊碰撞工況中，腿部受傷風(fēng)險(xiǎn)明顯高于人體上部軀干。為提高車輛安全性，對(duì)碰撞中駕駛員小腿傷害原因進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)25%小偏置碰撞[3-5]多從仿真模擬角度分析碰撞過(guò)程中假人小腿受傷機(jī)理，本文從統(tǒng)計(jì)角度分析造成駕駛員腿部傷害超標(biāo)的主要原因，為優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)提供一定參考。

1 假人傷害統(tǒng)計(jì)

1.1 假人傷害結(jié)果統(tǒng)計(jì)

C-IASI[6-7]（China Insurance Automotive Safety Index，中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)）要求對(duì)假人頭、頸部、胸部、大腿/臀部、小腿/腳部等部位進(jìn)行碰撞評(píng)價(jià)，評(píng)估車輛碰撞過(guò)程中人員受傷程度，傷害結(jié)果分為4個(gè)等級(jí)：Good（優(yōu)秀）、Acceptable（良好）、Marginal（一般）、Poor（較差）。60款車型進(jìn)行25%小偏置碰撞工況試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為：假人頭部/頸部、胸部測(cè)試中全部車型被評(píng)為優(yōu)秀，無(wú)罰分車型；假人大腿/臀部測(cè)試中有9款車型被罰分，車型占比為15%；假人小腿/腳部測(cè)試中有25款車型被罰分，車型占比為41.7%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，假人小腿/腳部被罰分情況較為突出。

表1 假人傷害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 假人小腿/腳部傷害結(jié)果統(tǒng)計(jì)

C-IASI《車內(nèi)乘員安全指數(shù)25%偏置碰撞評(píng)價(jià)規(guī)程》中規(guī)定腿部/腳部評(píng)價(jià)指標(biāo)包括膝蓋滑動(dòng)位移、上脛骨和下脛骨軸向力F、脛骨指標(biāo)TI、腳部最大合成加速度，具體見(jiàn)表2。

表2 C-IASI假人傷害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表2

注：3ms為胸部3ms合成加速度；VC（Viscous Criterion，粘性指標(biāo)）；KTH（Knee-Thigh-Hip，膝蓋-大腿-髖部傷害風(fēng)險(xiǎn)）；TI（Tibia Index，脛骨指數(shù)）。

表3為小腿/腳部測(cè)試中被罰分的25款車型的小腿/腳部評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 小腿/腳部傷害結(jié)果

由表3可知，25款車型中有6款車型的假人膝關(guān)節(jié)滑動(dòng)位移超標(biāo)，占比24%，24款車型的假人脛骨指標(biāo)TI超標(biāo)，占比96%，7款車型的假人脛骨軸向力F超標(biāo)，占比28%，8款車型的腳部最大合成加速度超標(biāo)，占比32%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，其中，脛骨指標(biāo)TI值超標(biāo)比例遠(yuǎn)高于其他指標(biāo)。

表4 小腿/腳部傷害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 脛骨指數(shù)TI分析

2.1 脛骨指數(shù)TI

垂直于小腿骨方向的受力，以及作用于小腿上下端的轉(zhuǎn)矩是導(dǎo)致小腿骨折、腳踝及膝關(guān)節(jié)受傷的重要原因。脛骨指數(shù)TI取值為上、下小腿中較差結(jié)果，脛骨指數(shù)TI的計(jì)算式為

式中：M為小腿受到的繞軸彎矩，M調(diào)整為小腿受到的調(diào)整后繞軸彎矩，R為小腿受到的合成力矩，（C）R為臨界彎矩，F為小腿受到的向軸向壓縮力，（C）為向臨界壓縮力。

2.2 某車型假人的TI分析

TI本質(zhì)是考察小腿向軸向力、繞軸彎矩及繞軸彎矩。在某車型25%小偏置碰撞中，假人左下小腿試驗(yàn)曲線F、M、M如圖1所示，F在70 ms附近達(dá)到最大值3.3 kN，M在72 ms附近達(dá)到最小值－184.3 Nm，M在76 ms附近達(dá)到最大值81.5 Nm，TI在72 ms附近達(dá)到最大值0.91，如圖2所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M的絕對(duì)值相比M明顯偏大，F處于正常范圍，TI最大值的響應(yīng)時(shí)間與M最大值響應(yīng)時(shí)間吻合，由此推測(cè)該車型假人M過(guò)大直接導(dǎo)致TI值超標(biāo)。

圖1 某車型假人左下小腿FZ、MX、MY曲線

圖2 某車型假人左下小腿TI曲線

分析高速攝像視頻發(fā)現(xiàn)，在碰撞后第72 ms，擱腳板區(qū)域出現(xiàn)明顯變形，擱腳板外殼破裂，假人腳部受到擠壓和扭轉(zhuǎn)載荷，導(dǎo)致腳踝部位扭轉(zhuǎn)。擱腳板區(qū)域明顯變形導(dǎo)致M過(guò)大，不同時(shí)刻的視頻截圖如圖3所示。

圖3 腳部高速攝像

2.3 TI的影響因素

25%小偏置碰撞工況會(huì)避開(kāi)車輛縱梁，由于車輪擠壓等因素使乘員艙左側(cè)侵入較大，造成擱腳板區(qū)域變形明顯，并傳遞至假人左腳。通過(guò)分析乘員艙不同位置的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)查找TI影響因素。C-IASI[7]規(guī)定當(dāng)擱腳板區(qū)域結(jié)構(gòu)變形量≤15 cm時(shí)，擱腳板區(qū)域結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為優(yōu)秀，車輛不同位置變形的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

60款車型25%小偏置碰撞試驗(yàn)的假人TI傷害結(jié)果及對(duì)應(yīng)擱腳板位置變形結(jié)果見(jiàn)表6。同時(shí)結(jié)合上文案例，擱腳板區(qū)域變形對(duì)TI影響較大。

表5 乘員艙侵入量等級(jí)評(píng)價(jià)

表6 小腿/腳部傷害結(jié)果

續(xù)表6

對(duì)表6進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 擱腳板區(qū)域位移與TI值統(tǒng)計(jì)

表7中第1、2行的車型擱腳板區(qū)域結(jié)構(gòu)不滿足優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)會(huì)被罰分，共有18款，其中又有14款車型因腿部TI不滿足優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)被罰分，其占比為77.8%。

擱腳板區(qū)域位移越大，則TI超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)越大，當(dāng)擱腳板區(qū)域位移超過(guò)15 cm時(shí)，有較大風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致TI超標(biāo)，當(dāng)擱腳板區(qū)域位移超過(guò)20 cm時(shí)，極有可能導(dǎo)致TI超標(biāo)。

3 總 結(jié)

在25%小偏置碰撞工況中，駕駛員小腿/腳部受傷風(fēng)險(xiǎn)較高，且風(fēng)險(xiǎn)主要由TI超標(biāo)導(dǎo)致；車輛擱腳板區(qū)域變形量與TI關(guān)系密切，當(dāng)變形量大于15 cm時(shí)，TI超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較大，當(dāng)變形量大于20 cm時(shí)，TI極有可能超標(biāo)。

[1]吳松.某車型正面25%重疊碰撞安全性仿真及優(yōu)化研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2020.

[2]肖鋒. IIHS Small Overlap Crash Test 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)疑[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，第十六屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．杭州，2013：875-879.

[3]NGUYEN L，LEE J Y，YIM H J，et al. Optimal Design of Vehicle Structure for Improving Small-Overlap Rating. International Journal of Automotive Technology，2015，16（6）：959-965.

[4]劉宏達(dá)，李永剛，雷斌，等. 國(guó)內(nèi)某車型小偏置碰撞假人傷害分析與研究[J].汽車科技，2018（4）：51-56.

[5]瞿錫杰，周大永，胡丕君.汽車正面碰撞中前排乘員腿部傷害[J].汽車工程師，2015（3）：37-41.

[6]馮兵偉，宋建鋒，丁鵬飛，等. 中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)分析[J]. 機(jī)械，2020，47（3）：44-50.

[7]中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，中保研汽車技術(shù)研究院有限公司.中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)規(guī)程：第2 部分：車內(nèi)乘員安全指數(shù)駕駛員側(cè)正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程：CIASI-SM. PI. DSOT-B0 [S].2020.

2022-08-26

1002-4581（2022）06-0001-05

U467.1+4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2022.06.001