張 帆，徐世平，李 帆，鄒 陽，漆岸凌

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430050）

為了降低汽車對行人的碰撞傷害，各國法規(guī)和新車碰撞測試（New Car Assessment Program, NCAP）評價規(guī)程均將汽車行人保護性能納入重點考核項目。行人保護法規(guī)ECE R127、EC78/2009、GTR9及E-NCAP、C-NCAP新車評價規(guī)程等相繼發(fā)布并逐步得到完善，按照其規(guī)定的劃線和選點原則將汽車前端劃分為頭型和腿型試驗區(qū)域，其中頭型試驗主要是沖擊發(fā)動機罩和風窗區(qū)域，腿型試驗主要是沖擊前保險杠區(qū)域。頭型和腿型試驗均是以自由飛行狀態(tài)沖擊目標點，頭型或腿型的沖擊速度、角度和位置的精度對試驗結(jié)果有重大影響，試驗失敗往往都是試驗精度不滿足要求所致，因此，展開對行人保護試驗精度的精度十分重要。

本文基于行人保護法規(guī)及NCAP評價規(guī)程對行人保護沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，利用電磁式行人保護沖擊設備，對行人 保護頭型和小腿的試驗精度展開研究，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對沖擊速度、角度和位置的影響，并提出了一種保障沖擊速度、角度和位置精度的補償方法。

1 各國法規(guī)及NCAP評價規(guī)程的試驗精度要求

1.1 行人保護頭型試驗精度要求

行人保護頭型包括兒童頭型沖擊器和成人頭型沖擊器2種。兒童頭型沖擊器的重量為（3.5± 0.07） kg，從底板到頭型球體頂端的距離為126 mm，成人頭型沖擊器的重量為（4.5±0.1）kg，從底板到頭型球體頂端的距離為136 mm。頭型沖擊器在沖擊時為自由飛行狀態(tài)，試驗前按照法規(guī)或NCAP評價規(guī)程規(guī)定對試驗樣車進行相應的區(qū)域劃分，按照表1中的要求選擇頭型沖擊器進行沖擊試驗。

表1 不同法規(guī)對于行人頭型保護試驗精度的要求[1-5]

1.2 行人保護腿型試驗精度要求

行人保護腿型根據(jù)不同階段包含TRL剛性腿、Flex-PLI柔性腿、aPLI柔性腿3種，試驗前按照法規(guī)及NCAP評價規(guī)程規(guī)定對試驗樣車進行腿型區(qū)域劃線，然后根據(jù)表2中的相應要求選擇腿型沖擊器進行沖擊試驗。

表2 不同法規(guī)對于行人腿型保護試驗精度的要求

2 行人保護試驗精度補償方法

2.1 頭型試驗精度的補償方法

2.1.1 針對NCAP試驗的頭型試驗精度補償方法

NCAP試驗對沖擊點的位置要求如圖1所示，在頭型與車輛發(fā)生接觸時，頭型的中心線需經(jīng)過目標點I.P。由于頭型沖擊試驗為自由飛行狀態(tài)，在飛行過程中受到重力因素的影響會偏離設定的飛行軌道，同時受到前罩板表面角度、頭形沖擊器形狀的影響，頭型的自由飛行距離與實際測量距離并不一致。為此，要保證頭型沖擊點的準確性，必須對重力因素、前罩板及頭型形狀進行必要的補償，提高試驗精度。

圖1 NCAP對沖擊點的位置要求

在頭型沖擊試驗中，為保證頭型以一定的速度和角度自由飛行沖擊目標點，必須用試驗設備將頭型加速到一定速度后釋放，再讓頭型自由飛行。如圖2所示，假設頭型加速端距離為10PD，自由飛行距離為42PD，頭型厚度為21PD（兒童頭型為126 mm，成人頭型為136 mm），頭型半徑為=82.5 mm，沖擊器沖擊角度與水平面夾角為。另外，為保證沖擊點的準確性，試驗前采用長度尺測量至的距離為41PD，采用傾角儀測量平面內(nèi)發(fā)動機罩輪廓角度為。

在不考慮重力和球形沖擊器形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發(fā)射點與沖擊目標點的距離公式為

由于沖擊器為球形結(jié)構(gòu)，沖擊器與機罩前罩板接觸時，第一接觸點并不是，實際的自由飛行距離為32PD，該點與沖擊器的半徑、汽車前罩板與水平面的夾角存在如圖2所示的關系。因此需要對43PD這一段距離繼續(xù)補償。假設在平面內(nèi)中軸線與球心與接觸點連線的夾角為，在考慮球形沖擊器際機罩形狀因素影響的情況下，頭型沖擊器發(fā)射點與沖擊目標點的距離公式為

圖2 考慮沖擊器及機罩形狀對精度影響

由于受到重力加速度的影響，頭型在自由飛行過程中會偏離設定的運行軌道，造成第一接觸點會滯后于目標接觸點。為消除重力對沖擊的影響，讓第一接觸點接近目標接觸點，可以在沖擊試驗前將頭型沖擊器發(fā)射點在方向上移動一定距離Δ，在方向移動一定距離Δ，以補償重力作用下的影響，如圖3所示。假設初始速度為，目標速度=11.11 m/s。假設補償后發(fā)射角度為。則考慮重力因素，頭型沖擊器發(fā)射點相對于目標沖擊點補償為

假設Δ=0，則有

圖3 考慮重力對精度影響

若保持頭型加速距離D不變，即D=D，則考慮發(fā)射加速段的位置補償，頭型沖擊器發(fā)射點相對于目標沖擊點補償公式為

將補償坐標值相加，即可得到行人保護頭型沖擊試驗中頭型沖擊器發(fā)射位置相對于目標點需要移動的坐標值。因此針對NCAP試驗的頭型試驗精度補償方法如下。

（1）沖擊角度補償為。

（2）沖擊速度補償為=·cos/cos。

（3）發(fā)射位置補償為

采用上述補充方法和公式后，得到如表3所示的結(jié)果，C-NCAP頭型法規(guī)試驗結(jié)果如圖4所示。

設定10PD=650 mm，D=400 mm，得出表3實驗結(jié)果。從表3結(jié)果可知，將補償公式應用到設備程序后，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標接觸點的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表3 應用補償后的C-NCAP頭型試驗結(jié)果

2.1.2 針對ECE-R127法規(guī)的頭型試驗精度補償方法

ECE-R127法規(guī)要求頭型與車輛接觸時，第一接觸點F.C.P與目標點I.P重合，如圖4所示。而如圖1所示，目標點I.P和第一接觸點F.C.P是存在偏差的，因此需要針對圖3中目標點與接觸點的距離進行補償。

圖4 法規(guī)對沖擊點的位置精度要求

在考慮球形沖擊器及機罩的形狀因素影響的情況下，為了減少第一接觸點和目標點的偏差，試驗前可以在平面內(nèi)將頭型沖擊器在方向和方向進行平移，使第一接觸點和目標點重合。如圖3所示平移的距離即為點和點的坐標差值Δ和Δ。發(fā)射點相對于目標沖擊點補償公式為

因此，考慮球形沖擊器及機罩的形狀影響時，頭型沖擊器發(fā)射點相對于目標沖擊點的距離補償公式為

同理，在平面內(nèi)假設發(fā)動機罩輪廓角度為，球心和接觸點連線與中軸線的夾角為，如圖5所示。參照平面內(nèi)方向的補償公式，在頭型沖擊器發(fā)射點相對于目標沖擊點在向上的距離公式見式（11）（12）。

圖5 考慮沖擊器及機罩形狀在Y方向的精度影響

考慮重力及頭型加速距離對目標點位置、速度、角度的影響機理相同，因此針對ECE-R127等法規(guī)試驗，頭型試驗精度補償方法如下。

（1）沖擊角度補償為。

（2）沖擊速度補償為=·cos/cos。

（3）沖擊位置補償為

將補償方式應用到設備程序，并在試驗前采用以上所有補償方式，設定10PD=650 mm，D= 400 mm，得出表4實驗結(jié)果。綜上所述，頭型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標接觸點的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表4 應用補償后的ECE R127頭型試驗結(jié)果

2.2 行人保護小腿試驗的沖擊精度

行人保護腿型試驗法規(guī)ECE R127、E- NCAP2020及C-NCAP2018版均采用Flex-PLI柔性腿，C-NCAP2021則采用仿生性能更好的aPLI腿型。腿型試驗中，需要將腿型以要求的速度撞擊汽車前保險杠。設定小腿自由飛行水平距離為D，由于受重力影響，需要在實驗準備時將小腿發(fā)射器發(fā)射角度傾斜一定角度，使小腿沖擊器的發(fā)射速度v與水平面有一定角度，速度在軸方向的分量為v=v·sin，在重力影響下，v在碰撞接觸的瞬間降為零，只保留軸方向的分量v=11.11 m/s，使得沖擊器在碰撞時滿足法規(guī)和NCAP沖擊角度及沖擊速度要求。腿型沖擊點位置要求如圖6所示。

圖6 腿型沖擊點位置要求

計算得出發(fā)射速度為v=v/cos；補償角度為=arctan（·D/v）。

同時，標準要求在沖擊器與汽車前保險杠接觸時刻，沖擊器底部距離水平地面一定高度，因此在實驗準備中將腿型與目標點接觸后，將沖擊器后退D的同時，還需要將小腿在向下移動一定的距離ΔH，以補償重力對沖擊的影響，補償高度ΔH滿足如下計算式為

設定碰撞時刻腿型沖擊器的底部在地面基準平面以上距離為，根據(jù)法規(guī)及NCAP評價規(guī)程要求，對于aPLI腿型而言，=25 mm；對于Flex-PLI腿型，=75 mm。因此腿型沖擊器離地面的發(fā)射高度為

將補償方式應用到設備程序，并在實驗前應用上述補償方式，表5中列出了應用補償后的實驗結(jié)果。綜上所述，腿型沖擊器沖擊的精度將有極大程度的改善，沖擊第一接觸點與目標沖擊點的偏差將控制在±5 mm以內(nèi)，沖擊速度均在±0.02 m/s以內(nèi)，沖擊角度均在±1°以內(nèi)。

表5 應用補償后的腿型試驗結(jié)果

3 結(jié)論

基于行人保護法規(guī)及NCAP評價規(guī)程對行人保護沖擊模塊的沖擊速度、角度和位置的不同要求，分析了重力、摩擦、沖擊器形狀、汽車前部造型等因素對試驗精度的影響，得出一種補償沖擊速度、角度和位置精度的方法，在行人保護試驗中加以應用并驗證其有效性，可為行人保護沖擊設備補償程序的設定提供一定的參考。