徐世平，李充，張帆，黃詩雯

(中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北武漢 430050)

0 引言

為了減少汽車對弱勢道路使用者(Vulnerable Road Users, VRU)的傷害，各國法規(guī)及NCAP新車評價體系均將弱勢交通道路使用者的保護(hù)列入汽車安全性能重點考核指標(biāo)。歐洲對此更為重視，歐盟委員會在2003年通過了《行人保護(hù)法規(guī)2003/102/EC》；在2005年通過《前部防護(hù)系統(tǒng)關(guān)于行人保護(hù)的法規(guī)2005/66/EC》；并于2009年推出《關(guān)于保護(hù)行人和其他弱勢道路使用者的機(jī)動車類型批準(zhǔn)的法規(guī)EC 78/2009》，以代替法規(guī)2003/102/EC和2005/66/EC[1]。歐盟新車評價規(guī)程E-NCAP在2002年將行人保護(hù)納入評價內(nèi)容，并在2014—2018年間通過更新Grid評分方法和小腿沖擊器及增加行人及騎行者保護(hù)緊急剎車制動測試等措施逐步完善對弱勢道路使用者保護(hù)的評價方法[2]。此外，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會汽車法規(guī)ECE R127及全球技術(shù)法規(guī)GTR9也相繼發(fā)布并逐步得到完善[3]。國內(nèi)C-NCAP在2018年也將行人保護(hù)納入到評價規(guī)程中，行人保護(hù)法規(guī)GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》于2009年發(fā)布，目前該法規(guī)仍處于推薦階段[4-5]。綜上，目前國內(nèi)對于行人碰撞保護(hù)還未形成統(tǒng)一成熟的評價標(biāo)準(zhǔn)，還需要開展行人保護(hù)相關(guān)的研究和探索，以進(jìn)一步完善我國的行人保護(hù)法規(guī)。

本文作者在闡述行人碰撞損傷機(jī)制的基礎(chǔ)上，對比分析了各國行人保護(hù)法規(guī)以及NCAP評價規(guī)程，為中國行人保護(hù)法規(guī)的優(yōu)化提出合理性建議，最后從被動安全和主動安全兩個方面提出汽車針對 VRU保護(hù)法規(guī)的應(yīng)對策略。

1 行人碰撞人體損傷機(jī)制

在發(fā)生人車碰撞事故時，人體腿部首先與汽車的前保險杠碰撞接觸，緊接著，人體大腿、骨盆和胸部等部位與發(fā)動機(jī)罩前緣發(fā)生碰撞，與此同時，人體上身相對于車輛前部發(fā)生轉(zhuǎn)動，最終人體頭部與汽車發(fā)動機(jī)罩或前風(fēng)窗發(fā)生碰撞。

如圖1所示，汽車最前端凸起的保險杠從側(cè)面撞擊行人脛骨處，碰撞接觸的一側(cè)將對脛骨產(chǎn)生壓應(yīng)力，而另一側(cè)則會對脛骨產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力超過脛骨的損傷極限時，就會引起脛骨骨折。股骨與發(fā)動機(jī)罩前緣碰撞引起骨折的機(jī)制與脛骨骨折機(jī)制相同。因此，彎矩載荷是引起脛骨、股骨骨折的主要因素[6]。

如圖2所示，在碰撞力的作用下，脛骨上端向內(nèi)側(cè)移動，與股骨內(nèi)側(cè)髁接觸產(chǎn)生集中應(yīng)力，若集中應(yīng)力超過損傷閾值，則會引起膝部骨折；隨后，膝關(guān)節(jié)向內(nèi)彎曲，內(nèi)側(cè)副韌帶拉長并產(chǎn)生張力，當(dāng)此張力達(dá)到一定限值時，就會產(chǎn)生韌帶撕裂。因此，膝部損傷是由剪切和彎曲載荷共同作用的結(jié)果。

圖1 行人脛骨、股骨損傷機(jī)制

圖2 行人膝關(guān)節(jié)損傷機(jī)制

表1、表2分別給出了不同研究機(jī)構(gòu)給出的行人腿部及頭部的損傷耐受限度。

表1 行人腿部的損傷耐受限度

表2 行人頭部的損傷耐受限度

在人車碰撞事故中，致命傷害一般發(fā)生在頭部碰撞，表現(xiàn)形式為頭骨骨折和腦部損傷。顱骨骨折與沖擊能量、作用面積及受力耐受程度有關(guān)，當(dāng)碰撞力超過顱骨承載能力時，顱骨就會受到傷害；在角速度場內(nèi)，當(dāng)頭部受到慣性載荷時，頭蓋骨與腦部之間會發(fā)生相對運(yùn)動，此時在頭蓋骨內(nèi)表面將產(chǎn)生很大的剪切力，從而導(dǎo)致腦損傷[7]。

2 VRU保護(hù)法規(guī)及評價規(guī)程

2.1 基于被動安全的VRU法規(guī)及評價規(guī)程

聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會、國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO、歐盟、中國、E-NCAP、C-NCAP已先后推出一些行人保護(hù)相關(guān)的試驗規(guī)程及評價辦法。

目前，行人保護(hù)主要采用局部模塊試驗。通過頭型與腿型的沖擊試驗來模擬真實情況中行人與車輛發(fā)生碰撞時人體受到的傷害。其中，頭型沖擊試驗分為成人頭型試驗和兒童頭型試驗；腿型沖擊試驗又分為上腿型試驗和下腿型試驗。

行人頭部保護(hù)試驗參數(shù)如表3所示，對比分析可知：

(1)隨著全球技術(shù)法規(guī)GTR9的頒布，各國法規(guī)中對于行人頭型試驗的評價方法趨于統(tǒng)一。

(2)E-NCAP及C-NCAP對碰撞速度的要求為11.1 m/s，與法規(guī)中相應(yīng)指標(biāo)的要求值9.7 m/s相比，其條件更加苛刻。此外，E-NCAP及C-NCAP對人體頭部損傷指標(biāo)(Head Injury Criterion, HIC)的要求也相對法規(guī)更加嚴(yán)格。

(3)基于兩輪車傷害特征，E-NCAP及C-NCAP擬擴(kuò)大頭部撞擊區(qū)域，并采用多種碰撞角度，以此充分考慮對騎行者的安全防護(hù)。

行人腿部保護(hù)試驗參數(shù)如表4所示，對比分析可知：

(1)基于人車碰撞時股骨的損傷機(jī)制，歐洲法規(guī)EC 78/2009以及E-NCAP中均引入了上腿型與發(fā)動機(jī)罩前緣碰撞試驗，以此充分考慮碰撞中行人上腿的安全防護(hù)。而我國推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550—2009目前還沒有關(guān)于發(fā)動機(jī)罩前緣對上腿損傷的相關(guān)評價。

(2)我國推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550—2009及歐洲法規(guī)EC 78/2009目前仍采用剛性下腿型，其評價指標(biāo)包括脛骨加速度、膝部位移和彎曲角，而根據(jù)脛骨損傷機(jī)制，在行人腿部與車輛發(fā)生碰撞時，需要重點考慮膝部韌帶拉伸損傷和脛骨/股骨骨折，因此剛性腿型生物力學(xué)逼真性較差；GTR9、UN-R127及NCAP中則引用“FlexPLI柔性下腿型+上腿型”的組成形式，對膝部韌帶伸長量和脛骨/股骨彎矩進(jìn)行考核；APLI腿型在柔性下腿型的基礎(chǔ)上加入了上肢運(yùn)動模塊，充分考慮了人體上肢質(zhì)量對腿型碰撞試驗的影響，因此采用APLI腿型在表征人體股骨和膝部韌帶方面有更好的生物力學(xué)逼真度。E-NCAP及C-NCAP擬在2021年采用APLI腿型，替代FlexPLI柔性腿型和上腿型沖擊器。

表3 行人頭部保護(hù)試驗要求對比

表4 行人腿部保護(hù)試驗要求對比

2.2 基于主動安全的VRU法規(guī)及評價規(guī)程

行人或騎行者與車輛發(fā)生碰撞的交通事故很多是由于駕駛員制動不及時或車輛制動力不足所致。歐洲E-NCAP通過對交通事故的分析發(fā)現(xiàn)，90%的交通事故是由于駕駛者注意力不集中引起的，而自動緊急制動(Autonomous Emergency Braking，AEB)系統(tǒng)可以有效減少或避免事故的發(fā)生。

E-NCAP于2016年將緊急剎車制動系統(tǒng)的性能要求納入行人保護(hù)測試評價規(guī)程中，于2018年增加了車輛對于兒童和騎行者保護(hù)的緊急剎車制動測試，并在2020年引入倒車、交叉路口以及迎面多種場景下AEB對行人主動保護(hù)的測試。表5和表6分別給出了E-NCAP關(guān)于AEB對行人和騎行者保護(hù)的試驗矩陣[7]。國內(nèi)C-NCAP于2018年將緊急剎車制動系統(tǒng)的性能要求納入行人保護(hù)測試評價規(guī)程，目前包含左側(cè)成人25%、50%偏置碰撞和右側(cè)成人25%、75%偏置碰撞這4種AEB行人保護(hù)測試場景。而各國法規(guī)目前均沒有關(guān)于AEB行人保護(hù)的強(qiáng)制性要求。

結(jié)合主動安全和被動安全法規(guī)及評價規(guī)程的對比分析，針對中國行人保護(hù)法規(guī)的優(yōu)化提出以下建議：

(1)中國交通情況復(fù)雜，考慮汽車對騎行者頭部的安全防護(hù)，建議擴(kuò)大頭型實驗考核區(qū)域，并采用多種碰撞角度。

(2)考慮柔性下腿型碰撞測試更加趨近于真實交通事故，并結(jié)合對發(fā)動機(jī)罩前緣對上腿型的損傷評價，建議將剛性下腿型替換為APLI柔性腿型。

(3)鑒于主動安全的行人保護(hù)技術(shù)是被動安全的有效補(bǔ)充，可極大減少行人受傷害程度，建議增加AEB行人保護(hù)測試要求。

表5 AEB行人保護(hù)試驗矩陣

表6 AEB騎行者保護(hù)試驗矩陣

3 VRU保護(hù)的汽車設(shè)計

根據(jù)行人保護(hù)法規(guī)以及NCAP評價規(guī)程的對比分析，未來我國法規(guī)可考慮在測試區(qū)域、沖擊模塊、測試項目上進(jìn)行完善，而新增的測試區(qū)域、改進(jìn)的APLI腿型沖擊模塊、引入的AEB測試項目都將給國內(nèi)現(xiàn)有的主機(jī)廠帶來全新的挑戰(zhàn)，針對這些變化，主機(jī)廠需要深入研究應(yīng)對策略和調(diào)整措施。

3.1 基于被動安全的VRU保護(hù)設(shè)計

車輛與行人或騎行者發(fā)生碰撞時，與行人碰撞接觸的區(qū)域包括前保險杠區(qū)域、前大燈區(qū)域、發(fā)動機(jī)罩區(qū)域和前擋風(fēng)玻璃區(qū)域，基于被動安全的汽車行保設(shè)計主要是針對這些區(qū)域的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式和材料的改進(jìn)。

前保險杠區(qū)域結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)可以從以下3個方面考慮：(1)在保險杠與防撞梁之間預(yù)留足夠的變形間隙，以保證足夠的吸能空間；(2)將前保險杠設(shè)計成掠形結(jié)構(gòu)，使保險杠的底部盡量向前平移，并增加副防撞梁，使腿部受力均衡，以降低腿部骨折的風(fēng)險，同時防止小腿卷入車輛底部；(3)抬高保險杠的碰撞點，減少尖銳的突起，使車輛的前臉造型更加圓潤，從而降低發(fā)動機(jī)罩前緣造成股骨骨折的風(fēng)險。此外，前保險杠可選用新的吸能材料，如高密度泡沫，從而延長腿部的吸能過程，以達(dá)到減小腿部損傷的目的。

前大燈采用弱化的大燈安裝支架如圖3所示，在行人與前大燈發(fā)生碰撞時，安裝支架會發(fā)生潰縮，從而起到緩沖作用，在此過程中能夠吸收更多碰撞產(chǎn)生的能量，進(jìn)而減小對行人的傷害。

圖3 弱化的大燈安裝支架

發(fā)動機(jī)罩區(qū)域的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以從以下2個方面考慮：(1)采用彈起式發(fā)動機(jī)罩，在行人或騎行者與車輛發(fā)生碰撞時，發(fā)動機(jī)罩會自動彈升一定的高度，從而增加機(jī)罩與機(jī)艙內(nèi)剛性零部件的間隙，如圖4所示，這樣可以有效規(guī)避行人頭部與機(jī)罩下方硬點發(fā)生2次碰撞，從而減少對頭部的傷害；(2)弱化發(fā)動機(jī)機(jī)罩與車身關(guān)聯(lián)的支撐硬點，如采用壓潰式機(jī)罩鉸鏈、潰縮式機(jī)罩鎖扣、鏤空的機(jī)罩墊塊支撐件及在翼子板機(jī)罩與搭接處增加臺階等方式，以給予人體頭部必要的緩沖，達(dá)到降低頭部損傷的目的。發(fā)動機(jī)罩采用鋁合金或復(fù)合材料取代高強(qiáng)度鋼，能夠延長碰撞過程中頭部的吸能過程，從而減少行人頭部的損傷。

圖4 彈起式發(fā)動機(jī)機(jī)罩

擋風(fēng)玻璃區(qū)域?qū)θ梭w頭部傷害主要源于雨刮，可設(shè)計一種壓潰式的雨刮襯套座，結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)人體頭部碰到雨刮輸出軸并達(dá)到一定碰撞力時，雨刮整體會壓潰下沉，從而減少對行人頭部的傷害。

圖5 壓潰式雨刮結(jié)構(gòu)

3.2 基于主動安全的VRU保護(hù)設(shè)計

基于主動安全的VRU保護(hù)設(shè)計主要通過各種感應(yīng)器對車輛周圍的環(huán)境和駕駛者的行為進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，以幫助駕駛者規(guī)避或減輕交通事故后果。該類行人保護(hù)設(shè)計通過各類傳感器的綜合應(yīng)用，如紅外線傳感器、熱傳感器、盲點探測器、激光掃描、雷達(dá)、影像系統(tǒng)等，實現(xiàn)對人、車的精確探測，并及時將監(jiān)測到的信息通過聲音或者圖像警告反饋給駕駛者，以便駕駛者根據(jù)安全要求作出相應(yīng)反應(yīng)，進(jìn)而避免或減少碰撞事故的發(fā)生，保障行人安全。當(dāng)警告發(fā)出給駕駛者，若駕駛者仍然沒有采取措施，則輔助制動系統(tǒng)會自動接管車輛，在車輛與行人即將發(fā)生碰撞時采取緊急制動或轉(zhuǎn)向規(guī)避，從而避免碰撞的發(fā)生或降低碰撞傷害[8]。

4 結(jié)束語

文中在闡述行人碰撞損傷機(jī)制的基礎(chǔ)上，對比分析了行人保護(hù)法規(guī)及NCAP評價規(guī)程，為中國行人保護(hù)法規(guī)的優(yōu)化提出合理性建議：(1)擴(kuò)大行人頭部碰撞測試評價區(qū)域并采用多種碰撞角度；(2)引入生物力學(xué)逼真性更好的A-PLI柔性腿型替代剛性下腿型；(3)增加基于主動安全的AEB行人保護(hù)測試評價。最后，從被動安全和主動安全兩個方面提出針對行人保護(hù)的汽車設(shè)計應(yīng)對策略。