季奕 馬偉杰

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：交通事故 小重疊碰撞 實車碰撞測試 運動響應 乘員損傷

1 前言

隨著汽車安全標準及NCAP評價規(guī)程的持續(xù)推出，大大促進了我國汽車碰撞安全技術的發(fā)展，而由于汽車安全技術的發(fā)展和進步，車輛正面碰撞中車輛的耐撞性和乘員保護能力有了顯著的改善和提高。但是仍有正碰事故造成較大的傷害，就目前而言，正面碰撞大多為100%剛性壁障碰撞和40%可變性壁障碰撞。在這兩種試驗中，通過有效的設計緩解碰撞沖擊，車輛前端的吸能性結(jié)構(gòu)可以全部或局部參與其中，以達到保護乘員的目的。但是交通事故結(jié)果顯示仍然會有較多的乘員嚴重傷害事故發(fā)生，如圖1所示，國外事故統(tǒng)計表明，在正面碰撞事故中，類似撞樹或者車對車小重疊碰撞事故占比較高[1-3]。

圖1 各國小偏執(zhí)碰撞事故比例

美國小重疊碰撞事故占正面碰撞總事故的22%，德國和瑞典分別為26%和27%，而這一數(shù)據(jù)在英國更是達到了34%之高。研究表明，由于事故車輛的前端吸能抗撞結(jié)構(gòu)并沒有或很少參與其中，車輛前端結(jié)構(gòu)只是以很小的重疊率發(fā)生撞擊，使得吸能部分并沒有發(fā)揮作用，這類碰撞往往帶來巨大的車身結(jié)構(gòu)侵入駕駛艙以及強烈的橫向運動，乘員的下肢和頭頸部會由于這種運動姿態(tài)受到傷害[4-5]。NHTSA以及IIHS對美國國家車輛事故樣本庫中抗撞性樣本系統(tǒng)對這類事故進行了深入的研究[6-7]，我們試圖最大程度的通過某種試驗方法代表小重疊率碰撞，并以此檢驗車輛結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的保護作用是該領域的研究重點[8-9]。隨后，關于研究人員也對小重疊碰撞測試方法的對比分析[10]，對于碰撞測試中人體損傷評價指標也進行了大量的研究工作[11-14]，一些新的應對小重疊碰撞測試的方法也被提出[15-16]，由此可見，小重疊碰撞測試評價及應對方法是近年來汽車安全重點研究內(nèi)容。

目前國內(nèi)針對小重疊碰撞測試評價技術的研究較少，而考慮到該類碰撞試驗對汽車的安全性提出了更高的要求，因此本文主要研究內(nèi)容包括研究交通事故統(tǒng)計分析方法，并通過國內(nèi)交通事故的事故統(tǒng)計分析，了解小重疊碰撞事故在我國發(fā)生的事故比例及碰撞特征；小重疊碰撞的試驗方法大致分為3種形態(tài)，即車對車碰撞（Car to Car,C2C）、車對剛性固定壁障碰撞（IIHS）及移動壁障撞擊靜止車輛（NHTSA）方式，本文通過3次實車碰撞試驗，通過車輛動態(tài)響應、碰撞強度、乘員損傷及車身變形4個方面分析以上3種碰撞試驗的特點。為今后深入開展測試評價方法研究及標準法規(guī)的制定具有重要意義。

2 國內(nèi)交通事故分析

小重疊碰撞事故特點主要包括3點：

（1）碰撞重疊率低，一般小于車寬1/3；

（2）由于重疊率低導致車身主要吸能部件前縱梁無法起到相應的作用；

（3）由于小重疊碰撞時乘員會發(fā)生斜向運動，導致原有的約束系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其保護效果。

因此，本文進行事故數(shù)據(jù)篩選分析時，將小重疊碰撞事故的定義為（如圖2所示）：正面碰撞時，若初次碰撞載荷集中在縱梁外側(cè)（約占車寬25%），并且研究對象均為轎車。

圖2 小重疊碰撞事故定義

圖3 所示為我國小重疊正面碰撞事故比例占27%，而碰撞部位為車輛的1/4左側(cè)和1/4右側(cè)，分別占比56%和44%。從事故的受傷害程度來看，1/3重疊率重傷及死亡率分別是17%、11%，1/4重疊率重傷及死亡率分別是6%、15%，均高于其它重疊率碰撞形式。

圖3 中國小重疊率事故比例

如圖4所示，從小重疊碰撞事故車速分布范圍較廣，車輛碰撞速度超過40 km/h達到了93%，車輛碰撞速度在60 km/h到80 km/h比例最高，占比約為35%，而碰撞速度超過80 km/h的比例也達到了37%。因此，可以看出小重疊碰撞事故中車輛碰撞速度高于其它碰撞事故類型。圖5所示為小重疊碰撞事故的平均車速，約為62.4 km/h。

圖4 小重疊碰撞事故車速分布

圖5 小重疊事故碰撞速度統(tǒng)計

由于小重疊碰撞事故中，車輛前縱梁沒有彎曲變形起到很好的碰撞吸能的作用，這就使得車輛碰撞部位縱向變形量明顯的大于其他碰撞類型，危害到了乘員的安全。根據(jù)車輛碰撞縱向變形量統(tǒng)計分析，如圖6所示，車輛縱向變形量分布于30～60 cm的比例較大，約占44.2%；變形量大于60 cm的比例達44.2%，而從車輛結(jié)構(gòu)上分析，當變形量大于60 cm，已經(jīng)明顯威脅乘員倉的生存空間，致使乘員失去必要生存空間，即擠壓造成的傷害；而同時車輛發(fā)生旋轉(zhuǎn)，乘員在旋轉(zhuǎn)過程中與車輛側(cè)面部件發(fā)生強烈接觸造成傷害。

圖6 小重疊碰撞車輛縱向變形量統(tǒng)計

如圖7所示,可以看出正面完全重疊碰撞即正面100%重疊率碰撞中駕乘人員死亡率是最高的，達到17.65%，其次是正面1/4重疊碰撞為15.63%。正面1/3重疊碰撞中駕乘人員受傷率是最高的，達到46.67%，其余重疊碰撞中駕乘人員受傷率相差不大。

圖7 正面碰撞事故人員受傷統(tǒng)計

根據(jù)小重疊碰撞事故人員傷害情況統(tǒng)計分析，小重疊碰撞事故中對駕乘人員頭、面部及胸腔傷害較大，在所有損傷部位分布中，頭面部損傷部位數(shù)為56，占所有損傷部位數(shù)的比例為49.6%，胸腔損傷部位數(shù)為21，占比為18.6%，如圖8所示；在統(tǒng)計的AIS3+（嚴重級別及以上的損傷部位）傷害情況中，頭面部的損傷部位數(shù)最多為14處，占中的AIS3+損傷部位數(shù)的比例為60.9%，如圖9所示。根據(jù)各受傷區(qū)域的傷害程度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，小重疊碰撞事故中，駕乘人員的頭面部及胸腔部位的受傷比例及傷害嚴重程度明顯高于其他受傷部位。

圖8 乘員損傷部位分布

圖9 乘員AIS3+損傷部位分布

小重疊碰撞事故中車輛碰撞速度的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生乘員死亡的事故中碰撞車速均大于35 km/h，而在碰撞速度車速為35 km/h到75 km/h時，車內(nèi)人員的傷害程度及受傷害的比例均最高，其中，輕傷傷害的比例達到20.2%，重傷比例為7.4%，死亡比例也達到4.3%，如圖10所示。此外，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，車輛在碰撞速度大于75 km/h的情況下，人員受重傷和死亡的比重加大，對人員傷害度加大。

圖10 碰撞速度與乘員損傷關聯(lián)性

3 研究方法

從實際的交通事故特點來分，小重疊偏置碰撞事故形態(tài)主要有3種最常見的碰撞形式，車撞固定物體（樹、柱等）、車對車直線碰撞、車對車小角度斜向碰撞。目前，小偏置碰撞的試驗方法大致分3種形態(tài)，即車對車碰撞、車對剛性固定壁障方式以及MDB撞擊靜止車輛方式，并且碰撞速度、重疊率以及碰撞角度也各有不同，這些重要參數(shù)與各國實際道路交通傷害情況及分布密切相關，因此如何結(jié)合中國的實際道路交通情況，研究開發(fā)適合我國交通特點的小偏置碰撞試驗方法勢在必行。

3.1 車對車小偏置碰撞測試方法

圖11 車對車小偏置碰撞示意圖[6]

德國、日本、瑞典等國家從90年代初期就開始小偏置試驗研究，特別是Volvo汽車公司，通過大量的仿真分析，確定了不同碰撞速度、碰撞角度以及碰撞偏移量為影響因子的仿真矩陣，研究表明：碰撞角度15度，重疊率為30%時的車身A柱的不穩(wěn)定性最為明顯。因此，本研究車對車測試方案采用國際上普遍的車對車小偏置碰撞試驗方法如圖11，試驗車輛稱為目標車Target，撞擊車輛稱為子彈車Bullet，兩車均以56 km/h速度相向而行，接近角度采用15°，重疊率采用25%。車對車碰撞的評價方法多是以現(xiàn)有的假人傷害為基準，參考以NCAP對乘員的評價方法，而車身以及約束系統(tǒng)的情況沒有明確的性能參數(shù)指標。

3.2 IIHS小偏置碰撞測試方法

IIHS設計開發(fā)了4種碰撞壁障，這些是基于他們對實際交通事故的深入分析發(fā)現(xiàn)，正面小區(qū)域重疊碰撞主要有3種事故形式，車輛前端撞樹或電線桿的柱碰、兩車呈一定角度迎面相碰的斜碰、兩輛車平行的小區(qū)域重疊碰撞，針對這3種主要的碰撞形式，F(xiàn)lat50（采用直徑為50 mm的平面壁障）Flat150、Polo250（直徑為250 mm的柱形壁障）以及正面偏置可變形壁障(Offset Deformable Barrier,ODB)。由于研究結(jié)果顯示Flat150在車輛側(cè)向位移量、乘員傷害程度、約束系統(tǒng)及假人運動、乘員艙結(jié)構(gòu)完整性方面都是最嚴重的，IIHS決定采用Flat150作為最終的試驗形式（圖12）。具體碰撞形式為：車輛以(64.4±1)km/h的速度撞擊剛性壁障(壁障高度為1 524 mm，倒角半徑為150 mm)，車輛與壁障的重疊率為25%，駕駛員位置放置一個HybridIII50%男性假人用以測量假人傷害。

圖12 IIHS小偏置碰撞示意

3.3 NHTSA小偏置碰撞測試方法

美國國家公路安全局（NHTSA）也從2009年開始從事這方面的研究,在此研究基礎上，NHTSA開始進行小重疊率碰撞實驗的獨立研究，評估了不同形式的碰撞類型，至今，NHTSA開發(fā)出了2套應用新的研究用的可變形壁障的實驗方法,一種是移動壁障以20%的重疊率和7度的碰撞角度撞擊車輛。另一種是以35%的重疊率和15度的碰撞角度碰撞車輛，都是為了最大程度的揭示現(xiàn)實世界中成員運動特性和傷害原因。本研究采用的NHTSA最終的試驗方案（圖13），即：撞擊小車和車頭重疊面積為35%，試驗車輛靜止，車頭都有一定的偏斜角度，撞擊傾斜角則變?yōu)?5°，測試試驗速度為90 km/h，Hybrid III 50%男性假人用以測量假人傷害。

圖13 NHTSA小偏置碰撞示意[8]

4 試驗結(jié)果對比分析

無論IIHS的小偏置剛性壁障試驗，還是NHTSA的移動壁障角度碰撞試驗，這兩類試驗方法實質(zhì)上都是復現(xiàn)在實際交通事故中，車輛發(fā)生小偏置碰撞的工況。有理由認為，車對車小偏置試驗方法是最接近實際交通事故的碰撞工況，因此選擇車對車碰撞的試驗結(jié)果作為對比基準，分析IIHS和NHTSA試驗結(jié)果差異性。以下關于3種試驗方法的對比分析，均是基于對同一款車分別進行的車對車、IIHS和NHTSA3種小偏置試驗的結(jié)果展開的。

4.1 汽車運動響應

對比了3種小偏置碰撞中目標車碰撞側(cè)B柱加速度曲線，如圖14所示。對于X向加速度曲線，IIHS試驗方法的加速度峰值比車對車碰撞的低，但是波形脈寬略寬，而NHTSA試驗方法的加速度曲線與之相反，峰值較高，但波形脈寬稍窄；從加速度積分的速度可以看出，NHTSA試驗方法的X向速度分量與車對車碰撞更為接近，而IIHS方法的速度與另外二者的差距比較大，整體偏低。對于Y向加速度曲線，NHTSA試驗方法的Y向加速度與車對車碰撞更為接近，而IIHS方法的Y向加速度曲線與X向類似，同樣是峰值較低，脈寬較寬，但是速度積分的差別與X向速度趨勢不同，IIHS方法的Y向速度反而比其他兩種方法的要略高。

圖14 三種小偏置碰撞試驗車身加速度曲線對比

圖15 顯示了3種小偏置碰撞試驗中，碰撞前和碰撞后的車輛姿態(tài)。從圖15可以直觀看出IIHS和車對車小偏置碰撞，車輛均有向左的旋轉(zhuǎn)趨勢，而NHTSA的車身運動姿態(tài)不同，為向右旋轉(zhuǎn)。通過高速攝像分析可得車身運動曲線，量化的曲線中顯示，車對車小偏置碰撞車身轉(zhuǎn)動曲線為正向，表明旋轉(zhuǎn)方向向左，與實際觀察結(jié)果一致，在150 ms左右時旋轉(zhuǎn)角度約為10°；IIHS車身轉(zhuǎn)動曲線在碰撞前100 ms旋轉(zhuǎn)方向為右向，而后轉(zhuǎn)為左轉(zhuǎn)，150 ms時旋轉(zhuǎn)角度約為4°；而NHTSA小偏置試驗方法旋轉(zhuǎn)與前兩者相反，150 ms時右轉(zhuǎn)10°。3種小偏置碰撞的車身旋轉(zhuǎn)角度均小于ODB試驗中的轉(zhuǎn)動，ODB試驗車身轉(zhuǎn)動約為12°@150 ms。

圖15 3種小偏置碰撞試驗車身運動對比

4.2 碰撞強度分析

用來衡量碰撞波形對車內(nèi)乘員的相對強度的評價指標VPI（Vehicle Pulse Index），該指數(shù)的計算應用了單自由度的質(zhì)量彈簧模型。模型的構(gòu)成包括：質(zhì)量塊M代表乘員，彈簧k和松弛量s表征約束系統(tǒng)，見圖16。

圖16 VPI計算模型

約束系統(tǒng)的剛度k和松弛量s可以由用戶自由定義，根據(jù)經(jīng)驗，通常情況可以設置k=2 500 N/m/kg，s=0.03 m。x(t)是車輛運動位移函數(shù)，作為系統(tǒng)的輸入，通常使用主要碰撞方向的分量進行計算。y(t)是乘員的位移函數(shù)，作為系統(tǒng)輸出，其關于時間的二階微分加速度函數(shù)即為VPI指數(shù)。計算方法如式（1）。

式中：M為乘員質(zhì)量；k為剛度系數(shù)；s為松弛位移量，y(t)是乘員的位移函數(shù)。

表1 三種試驗方法駕駛員傷害指標對比

參考以上方法，計算3種小偏置試驗的VPI，曲線如圖17。取其最大值，VPI指數(shù)分別為52.55 g，32.39 g，55.93 g。雖然前文中，從碰撞速度變化量的角度預言了車對車碰撞強度最大、車輛變形量也會相應最大，但是從VPI指數(shù)也可以預言車對車試驗的假人傷害處于三者中間，同時IIHS試驗方法的假人傷害最低，NHTSA試驗方法的假人傷害最高。將VPI指數(shù)矢量化，矢量方向參考高速攝像分析的車身X、Y運動分量，結(jié)果表明，IIHS小偏置碰撞的橫向運動對乘員影響最大，其次依次為車對車小偏置碰撞、NHTSA小偏置碰撞，而傳統(tǒng)的40%ODB試驗的橫向擺動最小，縱向VPI分量與車對車小偏置的縱向分量基本一致。

圖17 VPI曲線及矢量圖

4.3 乘員損傷分析

在3種試驗小偏置試驗方法中，車對車碰撞的目標車駕駛員、IIHS和NHTSA試驗車輛的駕駛員是距離撞擊點最近，乘員空間被侵入量最大的位置，駕駛員是受傷最嚴重的。因此選取該位置假人的傷害結(jié)果進行對比分析。按照響應先后來說，NHTSA響應最早，車對車碰撞次之，而IIHS的響應相對更加滯后。3組加速度曲線整體表現(xiàn)與VPI有著高度的相似規(guī)律。從傷害的絕對值看，IIHS試驗的HIC36為87、頭3 ms加速度為28.73 g、胸3 ms加速度為29.55 g，都非常小，幾乎沒有傷害；NHTSA和車對車碰撞的傷害值處于同一級別。

4.4 汽車車身變形分析

在IIHS小偏置碰撞試驗方法中，包含一項車輛結(jié)構(gòu)評價，通過對車輛乘員艙關鍵部位的變形量測量，確定車身結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)劣。參考IIHS車身變形量評價方法，測量并計算同一車型在3種碰撞試驗方法中的乘員艙變形量，如圖18所示?？傮w而言，車對車碰撞形態(tài)中的變形量最大，特別是儀表板部分，已經(jīng)進入黃色區(qū)域，對應評級為acceptable。對于IIHS和NHTSA兩種小偏置碰撞方法，其二者的乘員艙變形量基本相同，只有A柱下鉸鏈位置的變形，IIHS方法的變形很大，與車對車碰撞處于同一水平。

圖18 車身變形量對比

5 結(jié)論

關于車對車碰撞試驗方法、IIHS試驗方法和NHTSA試驗方法的假人傷害對比，整體而言，NHTSA試驗方法與車對車碰撞更為接近，二者的頭部、頸部、胸部等上半身的傷害相近，雖然腿部傷害中NHTSA低于車對車碰撞，但是曲線總體趨勢具有相關性。IIHS試驗方法與車對車碰撞差異明顯，假人整體傷害均低于車對車碰撞，假人運動姿態(tài)也有明顯不同。這主要是由于車對車碰撞和NHTSA方法的撞擊形式都是被動撞擊，即試驗車輛自身靜止不動，子彈車或移動壁障以一定速度撞擊目標車輛，因此不同的目標車輛受到的沖擊能量一致；而IIHS的撞擊形式是主動撞擊，及試驗車輛以一定的速度撞擊固定壁障，因此不同車輛收到的沖擊能量與自身質(zhì)量有關，車輛質(zhì)量越重則能量越高，質(zhì)量越輕則能量越低。以上對比試驗中，試驗車輛質(zhì)量較輕，造成IIHS整體沖擊能力較低，傷害較低。