韓曉磊 徐晶才

（華晨汽車工程研究院）

隨著各國城市人口日益密集以及汽車保有量的持續(xù)增多，道路交通中的人員安全問題越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約有120 萬人死于道路交通事故，事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)180 億美元。我國道路交通每年的死亡人數(shù)一直維持在10 萬人左右的高位上，而行人死亡率是駕乘人員的9 倍，其中28%為無過失死亡。由于我國存在道路密度低、人口密度大以及混合交通比例大的問題，開展對行人保護(hù)的研究具有重要意義。

1 國內(nèi)外法規(guī)現(xiàn)狀

2003年，歐洲行人保護(hù)法規(guī)2003/102/EC 正式出臺，該法規(guī)對車輛行人保護(hù)方面的性能進(jìn)行了分階段的引導(dǎo)式要求。2009年根據(jù)多年的實(shí)際情況，歐洲對行人保護(hù)法規(guī)進(jìn)行了修改和調(diào)整，推出了新法規(guī)78/2009，2005年開始第 1 階段，2010年開始第 2 階段[1]。

由中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所制定的《汽車對行人的碰撞保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合發(fā)布，并從2010年7月1日起正式批準(zhǔn)，成為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)。

在法規(guī)的制約下，為了提高各自產(chǎn)品的競爭力，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)紛紛投入專門的技術(shù)人員和最先進(jìn)的計算機(jī)設(shè)備從事行人安全保護(hù)的試驗(yàn)?zāi)M分析工作。

2 行人保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

根據(jù)對事故數(shù)據(jù)的研究，大多數(shù)的嚴(yán)重傷亡是由于行人與汽車發(fā)動機(jī)罩、擋風(fēng)玻璃以及車頂發(fā)生碰撞而造成的，且下肢是行人與汽車的第一碰撞位置。下肢膝蓋的傷害通常被認(rèn)為是最嚴(yán)重的傷害，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致人員長期的殘疾，而頭部的傷害則有可能造成死亡[2]。表1 示出交通事故中行人傷害部位分布情況。

表1 交通事故中行人傷害部位分布%

對行人身體各部位傷害原因的研究表明：36.4%的行人頭部傷害是因其與車身碰撞所導(dǎo)致的；行人臀部的傷害中有40.1%是因其與發(fā)動機(jī)罩斜邊碰撞造成的；44.2%的腿部傷害則是由于腿部與保險杠發(fā)生碰撞造成的[3]，所以必須有針對性地在這些方面做出改善。

目前國際上用于車輛的行人安全保護(hù)裝置主要可分為保險杠改進(jìn)、行人安全氣囊系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)罩技術(shù)以及車輛智能安全保障系統(tǒng)4 類。在汽車被動安全性范圍內(nèi)主要包含了前3 類。

2.1 保險杠技術(shù)

保險杠改進(jìn)是對保險杠外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，或在保險杠的適當(dāng)位置放置高密度泡沫材料，使碰撞傷害減輕。采用性能好的材料是減輕傷害的有效方法。除采用新材料外，改進(jìn)保險杠的外形設(shè)計也可以提高行人保護(hù)能力。如將保險杠的碰撞點(diǎn)抬高，并盡可能不出現(xiàn)尖銳的突起，使整個前臉造型圓潤，從而降低碰撞時對行人的傷害[4]。

研究結(jié)果表明，存在2 種理論用于解釋小腿骨折的致傷機(jī)制。一種理論認(rèn)為小腿骨折是直接作用力造成，多發(fā)生在碰撞點(diǎn)附近，采用作用力和加速度進(jìn)行評估；另一種理論認(rèn)為碰撞點(diǎn)以下的小腿慣性彎矩是導(dǎo)致骨折的原因，骨折不一定發(fā)生在碰撞點(diǎn)，這一理論被用于解釋脛骨近地端的骨折，采用彎矩進(jìn)行評估。而針對長骨的彎曲試驗(yàn)表明，長骨材料具有生物材料常見的黏彈性特性。骨折的發(fā)生不僅取決于載荷大小和加載形式，也取決于載荷持續(xù)時間，如圖1所示[5]。

一般運(yùn)用多體動力學(xué)方法來進(jìn)行事故重建分析，CPMS0 百分位行人多體動力學(xué)模型經(jīng)過多種尸體試驗(yàn)驗(yàn)證，被用做參考的基準(zhǔn)行人模型。該模型由24 個橢球體組成，由14 個關(guān)節(jié)鉸鏈連接，并增加了可旋轉(zhuǎn)的膝蓋和可模擬骨折的腿骨部分。骨折是通過建立的一個球鉸鏈實(shí)現(xiàn)的，行人小腿通過被球鉸鏈連接的2 段剛體來描述，一旦作用在鉸鏈上的載荷超過設(shè)定的限值，球鉸鏈就由鎖止變?yōu)樽杂蛇\(yùn)動狀態(tài)。使用VC 編程控制軟件中GEBOD 程序，以便行人模型基于真實(shí)受害者的身高和體重，調(diào)整身體各部分的尺寸、質(zhì)量和慣性矩，根據(jù)行人傷害的骨折部位信息，調(diào)整可模擬骨折的鉸鏈在小腿的高度位置。肇事車也采用多體動力學(xué)模型建立，根據(jù)實(shí)際外形和尺寸確定模型前部結(jié)構(gòu)形狀，參考Euro-NCAP 類似車型的行人測試結(jié)果，不同汽車的前部結(jié)構(gòu)剛度特性采用對應(yīng)的剛度曲線以定義前部接觸特性。

評價指標(biāo)包括，可斷裂鉸鏈處的橫向加速度（對應(yīng)加速度評價指標(biāo)）、側(cè)向力（對應(yīng)剪切力評價指標(biāo)）、軸向力與剪切力的合力和力峰值的作用時間，同時計算了保險杠與小腿的接觸作用力。

2.2 發(fā)動機(jī)罩技術(shù)

2.2.1 發(fā)動機(jī)罩抬升技術(shù)

目前的發(fā)動機(jī)罩抬升裝置主要有氣體發(fā)生器式和機(jī)械式2 種。氣體發(fā)生器式抬升裝置通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生瞬時高壓氣體，推動發(fā)動機(jī)罩后端抬升，反應(yīng)迅速，但屬于一次性使用的產(chǎn)品，使用后的維修成本較高；機(jī)械式抬升裝置通過釋放加載后的彈簧或者高壓氣體抬升發(fā)動機(jī)罩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，但可實(shí)現(xiàn)可逆使用，成本較低[6]。

最新的行人保護(hù)設(shè)計引入了汽車碰撞預(yù)警技術(shù)，汽車通過安裝在車頭的雷達(dá)和攝像頭等探測前方行人，在人與車碰撞發(fā)生前一定時間觸發(fā)行人保護(hù)裝置，從而為行人保護(hù)爭取時間。本研究設(shè)計的主動式發(fā)動機(jī)罩抬升裝置基于最新的行人保護(hù)設(shè)計理念，主要由傳感系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)罩抬升裝置組成。傳感系統(tǒng)中有為抬升裝置觸發(fā)信號的傳感單元，當(dāng)傳感系統(tǒng)探測并判斷汽車將與行人發(fā)生碰撞時，傳感單元為抬升裝置觸發(fā)信號。抬升裝置通過加裝在底部的氣體發(fā)生器，瞬時產(chǎn)生大量氣體，將發(fā)動機(jī)罩的尾端抬升。該裝置反應(yīng)迅速且可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，使用后維修方便，成本低，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

一般采用實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證新型主動式發(fā)動機(jī)罩抬升裝置的有效性。分析發(fā)動機(jī)罩的抬升時序，采用高速攝像機(jī)記錄發(fā)動機(jī)罩的整個抬升過程。

2.2.2 發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真及總布置設(shè)計

歐盟對兒童頭型撞擊發(fā)動機(jī)罩的試驗(yàn)要求為：使用2.5 kg 的頭型以40 km/h 的速度與汽車發(fā)動機(jī)罩發(fā)生碰撞，在整個發(fā)動機(jī)罩試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，頭部傷害指數(shù)（HIC）不得超過1 000。通常發(fā)動機(jī)罩與發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件有一定距離，如果在撞擊過程中發(fā)動機(jī)罩變形過大而與艙內(nèi)部件接觸，很有可能造成二次碰撞，增大頭部傷害[7]。

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部對頭部碰撞有影響的零部件主要是：發(fā)動機(jī)罩、蓄電池、空濾、電器盒及儲液罐等。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)艙布置時，應(yīng)考慮頭部碰撞區(qū)域，尤其是蓄電池、空濾及發(fā)動機(jī)本體，要降低這些部件的高度，增大與發(fā)動機(jī)蓋板的有效距離；同時應(yīng)結(jié)合具體零件尺寸考慮離地間隙、運(yùn)動干涉及熱平衡等因素對發(fā)動機(jī)艙布置的限制，這些限制性約束主要與前期造型和總布置有很大關(guān)系。因此，在布置發(fā)動機(jī)艙時應(yīng)考慮全面，避免造成法規(guī)和布置上的沖突[8]。通常采用Hypermesh等軟件建立發(fā)動機(jī)罩和頭型的數(shù)學(xué)模型，添加約束條件，如材料和接觸條件等，從而對不同的撞擊位置及不同發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)厚度等參數(shù)進(jìn)行仿真。

2.3 行人安全氣囊技術(shù)

行人保護(hù)安全氣囊可避免人體撞擊到汽車前擋風(fēng)玻璃上。這類氣囊共有發(fā)動機(jī)罩氣囊與前圍安全氣囊2 種，兩者配合使用可減少最常見的行人傷亡事故。

發(fā)動機(jī)罩氣囊位于保險杠上方，緊靠保險杠處開始展開。碰撞前由一個碰撞預(yù)警傳感器激發(fā)，可在50～75 ms 內(nèi)完成充氣。保持充氣狀態(tài)時間可達(dá)數(shù)秒。充氣后的安全氣囊在前大燈之間的部位展開，由保險杠頂面向上伸展到發(fā)動機(jī)罩表面以上。氣囊的折疊模式和斷面設(shè)計保證氣囊展開時能與汽車前端的輪廓相吻合，以保證兒童頭部和成人腿部的安全。

前圍氣囊系統(tǒng)的作用則是提供2 次碰撞保護(hù)，防止行人被甩到發(fā)動機(jī)罩后部后被前窗底部碰傷。該系統(tǒng)包括2 個氣囊，分別由汽車中心線向一側(cè)的A 柱延伸。氣囊由傳感器探測到行人與保險杠發(fā)生初始碰撞后觸發(fā)。在行人翻到發(fā)動機(jī)罩上滾向前窗這段時間內(nèi)，氣囊完成充氣，2 個氣囊沿前窗底部將左右A 柱之間的區(qū)域完全覆蓋，不僅能蓋住前窗玻璃底部，還可蓋住刮水器擺軸與發(fā)動機(jī)罩支座等致命“硬點(diǎn)”。同時，氣囊不會完全遮擋駕駛員的視線。

2.4 其他技術(shù)

2.4.1 潰縮式前大燈設(shè)計

設(shè)計方案必須實(shí)現(xiàn)：1）前大燈的安裝支架弱化，在撞擊時發(fā)生潰縮；2）前大燈后部必須留有充分的潰縮空間，這樣可達(dá)到吸收沖擊能量的目的；3）前大燈的潰縮運(yùn)動過程中，不應(yīng)該有剛性較大的零件與前大燈運(yùn)動包絡(luò)干涉。為了滿足安裝支架的弱化，實(shí)現(xiàn)在碰撞時前大燈整體掉落。設(shè)計碰撞導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)碰撞時大燈的運(yùn)動，并且實(shí)現(xiàn)在碰撞時前大燈潰縮。此外，通過采用PC 材料減少前大燈面罩殼體的厚度，減少前大燈銳角，并且減少前大燈和發(fā)動機(jī)蓋的重合區(qū)域，來減少碰撞的剛性接觸，盡可能實(shí)現(xiàn)前大燈的潰縮[9]。

利用與發(fā)動機(jī)罩相似的研究方法進(jìn)行有限元分析。通過建立的前大燈結(jié)構(gòu)有限元模型和兒童頭部的有限元模擬模型，開展碰撞分析。首先需要確認(rèn)前大燈的安裝腳支架潰縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計。運(yùn)用有限元LS-DYNA 等仿真軟件分析，記錄碰撞各階段前大燈安裝腳的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.4.2 翼子板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用與發(fā)動機(jī)罩相似的研究方法進(jìn)行翼子板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)、外傾式結(jié)構(gòu)及分段式結(jié)構(gòu)等，并以法規(guī)的HIC 值作為仿真驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)[10]。

3 中國行人保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

中國一些汽車企業(yè)已經(jīng)積極行動起來，各車企在新車研發(fā)時都要專門考慮行人安全保護(hù)方面的工程設(shè)計和進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。2010年A 公司耗資上千萬元在中國汽車技術(shù)研究中心進(jìn)行了國內(nèi)第1 次行人碰撞試驗(yàn)，并承諾將碰撞數(shù)據(jù)用于汽車研發(fā)，把先進(jìn)的行人保護(hù)技術(shù)運(yùn)用到新車型上。同年，B 公司在歐洲E-NCAP 6 大官方認(rèn)可的汽車安全碰撞試驗(yàn)室——西班牙IDIADA 試驗(yàn)室進(jìn)行了“行人保護(hù)”碰撞測試，包括2 項(xiàng)強(qiáng)制性測試（兒童頭部碰撞發(fā)動機(jī)罩區(qū)域測試及小腿撞擊保險杠測試）和2 項(xiàng)非強(qiáng)制性測試（大腿撞擊機(jī)罩前邊緣測試及成人頭部碰撞風(fēng)擋玻璃區(qū)域測試），均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，順利通過了歐洲EC 第1 階段法規(guī)認(rèn)證。

4 結(jié)論

從行人保護(hù)研究現(xiàn)狀可以看到，對于行人保護(hù)在國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了全方位的研究和探索，包括對保險杠、發(fā)動機(jī)罩、行人保護(hù)氣囊、大燈及翼子板的優(yōu)化，一些研究方法已經(jīng)相對成熟。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和輿論的關(guān)注，相信未來我國也將越來越重視行人安全保護(hù)技術(shù)，我國的基本國情也決定了在我國開展行人安全性研究工作的重要性，行人安全技術(shù)的發(fā)展會更加快速。