吳俊 劉宇豪 姚遠 曹立波

(1.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300; 3.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400023)

油門踏板對駕駛員下肢損傷的影響*

吳俊1劉宇豪2姚遠3曹立波1

(1.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300; 3.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400023)

汽車正面碰撞中駕駛員腳部與油門踏板直接作用，其力學性能是影響駕駛員下肢損傷的重要因素之一.然而，現(xiàn)階段在對駕駛員下肢損傷的仿真研究中，油門踏板常被忽略或者使用剛體模型模擬，不能準確反映踏板對駕駛員下肢的作用情況且無法研究踏板斷裂吸能對駕駛員下肢損傷的影響.針對這一情況，文中建立了詳細的油門踏板有限元模型，并通過6組踏板部件實驗充分驗證了模型的有效性.基于該模型研究了踏板摩擦系數(shù)、旋轉(zhuǎn)剛度、踏板行程、踏板侵入量和斷裂扭矩等參數(shù)對駕駛員下肢損傷的影響.結(jié)果表明，油門踏板斷裂扭矩對駕駛員下肢損傷具有顯著的影響，降低踏板斷裂扭矩能夠有效地降低駕駛員脛骨力和脛骨指數(shù)，進而降低駕駛員下肢損傷的風險.研究結(jié)果指出了可斷裂式踏板設計對駕駛員下肢損傷防護的意義，并為油門踏板結(jié)構(gòu)設計提供參考.

正面碰撞；油門踏板；下肢損傷

汽車的發(fā)展在給人們提供便利的同時也帶來了嚴重的社會問題，據(jù)統(tǒng)計全世界每年因道路交通事故而死亡的人數(shù)高達百萬之多，傷千萬以上[1-13]，給受害者及其家庭帶來沉重的精神和經(jīng)濟負擔.在所有的損傷類型中，下肢損傷雖不像頭部和胸部損傷一樣容易致命，卻容易致人殘疾，進而給受害者帶來極大的精神和肉體的痛苦[2-14].據(jù)交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，碰撞事故中，下肢損傷占所有中度以上損傷(AIS 2+)的三分之一；而當乘客系上安全帶以及汽車配有安全氣囊時，下肢損傷所占的比例更是頭部損傷的兩倍[3].在美國，每年因交通事故造成的經(jīng)濟損失中，下肢損傷造成的經(jīng)濟損失占17%；在不發(fā)生翻滾的正面碰撞事故中，前排駕駛員和乘員因下肢損傷而造成的損失達到82億美元[4].駕駛員下肢損傷發(fā)生的頻率高，治療困難，給社會帶來了巨大的經(jīng)濟損失.因此，開展對駕駛員下肢損傷的研究十分必要.

影響駕駛員下肢損傷的約束系統(tǒng)部件主要包括汽車安全帶、儀表板、膝部氣囊、腳底泡沫墊和踏板等.安全帶能夠有效限制碰撞中身體的位移，從而防止下肢與車內(nèi)物體相撞[5]；應用力學性能良好的儀表板或適當增加腳底泡沫墊、膝部氣囊等能夠有效地降低下肢受到的沖擊，從而起到保護駕駛員的作用[6-8].然而，目前針對踏板對駕駛員下肢損傷影響的研究較少，而現(xiàn)有的研究也存在著局限性.2008年，Miyahara等[6]研究了腳底泡沫墊對下肢的保護，為了避開踏板系統(tǒng)的影響，僅研究乘員側(cè)的損傷情況；陳鵬輝等[7-8]采用多剛體模型研究了駕駛員的下肢動力學響應，并研究了加速場、膝墊剛度、腳部氣囊等因素對下肢損傷的影響；胡陳晨[9]在踏板對下肢損傷的影響研究中，采用剛體單元模擬踏板，研究了駕駛員下肢損傷的特點.上述針對下肢損傷的研究中，油門踏板或被忽略或者使用剛體模型模擬，均不能真實反映踏板與駕駛員腳部的作用情況.在正面碰撞法規(guī)和C-NCAP中均規(guī)定駕駛員側(cè)假人的右腳應放在未踩下的加速踏板上[10]，碰撞力會首先通過踏板系統(tǒng)傳遞到腳部，進而引起駕駛員下肢的損傷[11].因此，在研究駕駛員下肢損傷時，分析踏板系統(tǒng)的影響對于準確、全面地評價下肢的損傷風險至關(guān)重要.針對這種情況，文中建立了詳細的油門踏板有限元模型，研究了踏板相關(guān)參數(shù)對駕駛員下肢損傷的影響，并分析了可斷裂式踏板對駕駛員下肢的保護效果.

1 油門踏板沖擊實驗

1.1 實驗設置

為了模擬實際碰撞中駕駛員腳部對踏板的作用情況，采用擺錘對油門踏板進行加載，并設計了兩種踏板加載方案，如圖1所示.撞擊效果如圖2所示.

圖1 踏板固定方式Fig.1 Pedal fixation methods

方案1 模擬駕駛員腳部踩壓踏板，作用力方向垂直于踏板平面的加載方式.當擺錘將踏板壓至其行程末端時，沖擊力與踏板表面垂直.為了模擬這一加載方式，踏板在運動至行程末端時，踏板平面與擺錘沖擊面平行.

方案2 模擬駕駛員腳部沿車行進方向水平向前移動對踏板進行加載.踏板的固定表面與水平面的夾角為90°，與車輛中踏板固定方式一致.

圖2 踏板沖擊示意圖Fig.2 Schematic diagram of pedal impact test

實驗所用擺錘質(zhì)量為33.6 kg.實驗過程中，使擺錘高度依次增加10 cm，直至使踏板斷裂.采用高速攝像記錄沖擊過程，并記錄擺錘的加速度信息，以獲得踏板在不同沖擊速度下的響應.每次試驗均采用新踏板以確保實驗結(jié)果的可信度.

1.2 實驗結(jié)果

采用第1種固定方式進行實驗，將擺錘相對初始位置(沖擊作用點位置)分別升高10、20、30 cm，擺錘速度分別為1.4、2.0、2.4 m/s.當擺錘位置升高30 cm時，踏板發(fā)生斷裂，斷裂力為2 448 N.擺錘加速度波形以及踏板斷裂情況如圖3所示.

圖3 固定方案1實驗結(jié)果Fig.3 Test results of scheme 1

方案2中擺錘的設置與方案1一致.當擺錘升高30 cm時，踏板發(fā)生斷裂，斷裂力為1 312 N.3種工況下的擺錘加速度波形以及踏板斷裂情況如圖4所示.

兩種固定方式下，油門踏板的斷裂位置基本相同.但兩次斷裂力差別較大，分別為2 448和1 312 N.這是因為不同的固定方式下，擺錘沖擊的作用點不同.方案1中，力的作用點在踏板下端面，離斷裂位置約為130 mm；方案2中，力的作用點在踏板上端面，離斷裂位置約為230 mm.兩次斷裂時的扭矩分別為318和302 N·m.可見，踏板斷裂所需的扭矩基本一致.

圖4 固定方案2實驗結(jié)果Fig.4 Test results of scheme 2

2 踏板模型的建立與對標

提取踏板的三維幾何尺寸，并建立有限元模型，踏板模型如圖5所示.油門踏板選用的材料模型是24號*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料，材料參數(shù)由踏板供應商提供.模型的斷裂方式為網(wǎng)格刪除方式，即當單元的應力達到極限值時，該單元被刪除.加強筋以及踏板底座為殼單元，其余部分為六面體單元.該模型共有單元4 781個，其中殼單元3 448個，最小雅克比為0.64，六面體單元1 333個，最小雅克比為0.58.總質(zhì)量為334 g，與踏板實際質(zhì)量一致.

圖5 踏板模型Fig.5 Pedal model

仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比如圖6所示，擺錘加速度曲線相似度如表1所示，6種工況下仿真曲線與實驗曲線峰值大小、峰值出現(xiàn)時刻以及曲線重疊區(qū)域的相似度均在90%以上.進一步對比踏板仿真與實驗中的斷裂情況，如圖7所示，可見仿真中油門踏板斷裂位置與實驗中基本一致，均發(fā)生在踏板轉(zhuǎn)軸處.由上可知，仿真模型能夠反映真實的踏板碰撞響應.

圖6 各工況加速度曲線對比Fig.6 Comparison of acceleration in different conditions

表1 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of the results between simulations and tests

圖7 踏板斷裂情況仿真與實驗對比Fig.7 Comparison of pedal fracture between simulation and test

3 踏板對駕駛員下肢損傷的影響

3.1 約束系統(tǒng)模型

文中使用的約束系統(tǒng)模型為胡陳晨驗證過的模型，如圖8所示[9].其中假人有限元模型用的是美國FTSS公司開發(fā)的Hybrid III 50百分位有限元模型，經(jīng)過10多年的發(fā)展，該模型在細節(jié)及響應上與真實Hybrid III 50百分位試驗假人有著較高的相似度[9].采用文中建立的油門踏板模型替換原約束系統(tǒng)中的剛體踏板模型，對比仿真與實驗結(jié)果，如圖9所示，可見仿真與實驗結(jié)果基本一致，可用于后續(xù)駕駛員下肢損傷研究.

3.2 實驗設計

選取了5個踏板相關(guān)參數(shù)研究其對駕駛員下肢損傷的影響，包括踏板摩擦系數(shù)、旋轉(zhuǎn)剛度、踏板行程、踏板侵入量、斷裂扭矩.參數(shù)的取值范圍參考踏板供應商提供的數(shù)據(jù)及參考文獻[7,9,12,15]，每個參數(shù)選取4個水平，如表2所示.其中，踏板斷裂扭矩水平1為在碰撞中踏板完全斷裂，斷裂扭矩水平2、3為踏板在碰撞中部分斷裂，斷裂扭矩水平4為踏板模型的原始斷裂扭矩，即在碰撞過程中不發(fā)生斷裂.參照正交設計表L16(45)進行實驗設計，共進行16次實驗.按照實驗設計表進行仿真，輸出上脛骨力、上脛骨指數(shù)、下脛骨力、下脛骨指數(shù)等參數(shù).仿真結(jié)果如表3所示.

圖8 約束系統(tǒng)模型Fig.8 Restraint system model

表2 因素水平表Table 2 Factor-level table

表3 仿真結(jié)果Table 3 Simulation results

3.3 下肢損傷的影響因素分析

3.3.1 踏板參數(shù)對脛骨力的影響

通過表3計算得到各因素對脛骨力影響的均值，如表4所示，并通過student-t檢測對各因素進行顯著性分析.當P值小于0.05時，該因素對下肢損傷的影響顯著.

表4 脛骨力均值與P值Table 4 The mean values of tibia force and P values

從表4中可以看出，踏板斷裂扭矩對駕駛員脛骨力的影響顯著.隨著踏板斷裂扭矩增大，駕駛員的脛骨力呈明顯的增長趨勢，踏板斷裂扭矩和駕駛員脛骨力呈正相關(guān).當斷裂扭矩較小時，踏板在與駕駛員腳部接觸過程中更容易達到斷裂的臨界值，進而發(fā)生斷裂；駕駛員腳部受載解除，下肢由于慣性繼續(xù)向前運動，脛骨壓縮力迅速減小.

對于踏板侵入量，當其增大時，駕駛員腳部受到的沖擊增大，駕駛員的脛骨力也隨之增加；但當踏板侵入量增大到一定值(水平4)后，脛骨力的增加趨緩或出現(xiàn)下降趨勢.這是因為，當侵入量增大時，踏板在腳部的擠壓過程中更容易發(fā)生斷裂，踏板的斷裂限制了脛骨力的進一步增大，因此脛骨力的增長趨緩.

由表4可知，油門踏板的摩擦系數(shù)、旋轉(zhuǎn)剛度以及踏板行程等因素對駕駛員脛骨力的影響不明顯.

3.3.2 各因素對脛骨指數(shù)的影響

表5為各因素對駕駛員脛骨指數(shù)的影響.脛骨指數(shù)由脛骨壓縮力和繞X、Y軸彎矩決定，計算公式如下：

TI=|MR/(MC)R|+|FZ/(FC)Z|

(1)

(2)

式中：MX為繞X軸彎矩；MY為繞Y軸彎矩；(MC)R為臨界彎矩，為225 N·m；FZ為Z向的軸向壓縮力；(FC)Z為Z向臨界壓縮力，為35.9 kN.

由表5可知，踏板斷裂扭矩對駕駛員脛骨指數(shù)有顯著的影響，脛骨指數(shù)隨踏板斷裂扭矩增大而顯著增加.碰撞過程中，腳部與踏板作用后，腳踝發(fā)生旋轉(zhuǎn)，膝蓋角減小，使脛骨的彎曲力矩上升，直至膝蓋碰撞到護膝板或者運動至極限位置，腳踝開始鎖止，此時脛骨彎矩明顯增大.最后，由于腰帶的較大張力，臀部出現(xiàn)回拉現(xiàn)象，下肢開始回彈，膝蓋角增大，脛骨彎矩減小.當踏板發(fā)生斷裂后，駕駛員腳部由于慣性向前運動，此時膝蓋角增大，脛骨扭矩下降；而脛骨力如前文分析，在踏板斷裂后也迅速減小，因此，脛骨指數(shù)也隨之下降.其他各因素對脛骨指數(shù)的影響不顯著.

表5 脛骨指數(shù)均值與P值Table 5 Mean values of tibia index and P vaules

4 結(jié)論

文中根據(jù)駕駛員腳踩壓踏板的特點，設計了兩種踏板實驗的固定方式，獲得了踏板在不同沖擊速度下的響應；建立了詳細的有限元模型，并通過對標多種工況，驗證了模型的有效性.在約束系統(tǒng)中研究了油門踏板對駕駛員下肢損傷的影響，并得出以下結(jié)論：

(1)踏板斷裂扭矩對駕駛員下肢損傷具有顯著的影響，隨著踏板斷裂扭矩的降低，駕駛員下肢損傷也隨之降低.當然，可斷裂式踏板設計要考慮踏板的使用條件，應避免在正常使用過程中發(fā)生斷裂.

(2)油門踏板的摩擦系數(shù)、旋轉(zhuǎn)剛度、踏板行程等參數(shù)對駕駛員下肢損傷的影響不顯著.對于摩擦系數(shù)，可適當增加踏板摩擦系數(shù)，以防止由于摩擦過小使駕駛員操作時腳部脫離踏板，對駕駛員操控車輛產(chǎn)生影響；旋轉(zhuǎn)剛度應控制在一個合理的范圍內(nèi)，過小會使駕駛員踩踏油門時沒有力的感覺，不易控制車輛速度，過大會使駕駛員踩踏不舒適，并使駕駛員產(chǎn)生疲勞；踏板行程要考慮身材較小乘員腳部的運動范圍.

(3)駕駛員下肢損傷會隨踏板底座的侵入量增加而增大，但在配合可斷裂踏板時，侵入量增大更容易使踏板發(fā)生斷裂，從而降低駕駛員下肢損傷的風險.

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Supported by the National Natural Science Foundation of China(51505137)

EffectofAcceleratorPedalonDriver’sLowerExtremityInjury

WUJun1LIUYu-hao2YAOYuan3CAOLi-bo1

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China;2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China;3.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology, Chongqing 400023, China)

In frontal crashes, the accelerator pedal has a direct impact on the driver’s feet, and its mechanical property is one of the main factors affecting the driver’s lower extremity injury. However, in the current simulation researches on the driver’s lower extremity injury, the accelerator pedal is often ignored or simulated by using the ri-gid body model, which cannot accurately reflect the effect of the pedal on the driver’s lower extremity and cannot be used to analyze the effect of the pedal fracture on the driver’s lower extremity injury. In order to solve these problems, a detailed finite element model of the accelerator pedal is constructed, and it is proved to be effective through six groups of pedal component tests. Based on this model, the effects of the pedal friction coefficient, the rotation stiffness, the travel and the intrusion volume,the fracture torque on the driver’s lower extremity injury are revealed. The results show that the fracture torque of the pedal has a significant effect on the lower extremity injury. Specifically, reducing the fracture torque can greatly decrease the driver’s tibia force and tibia index, thus reducing the risk of the lower extremity injury. This research result also highlights the value of the breakable pedal designing on the driver’s lower extremity protection, and can be taken as a reference for the structure design of accelerator pedals.

frontal crash; accelerators; lower extremity injury

2016-08-29

國家自然科學基金資助項目(51505137);汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室開放基金項目(NVHSKL-201410)

吳俊(1984)，男，博士，助理研究員，主要從事車輛被動安全研究.E-mail：wujun701@163.com

1000-565X(2017)08-0028-07

U 461.91

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.005