孟云飛，江曉翊

（敏實(shí)集團(tuán)，浙江 嘉興 314006）

全球范圍內(nèi)每年約135萬人因道路交通事故而死亡，5 000萬人遭受傷殘性傷害，其中約2 000萬人的傷殘伴隨終生[1]。本文針對某款車型下?lián)醢逯Ъ艿臎_擊實(shí)驗(yàn)是以保護(hù)行人小腿為目的而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在上海奧托立夫汽車安全系統(tǒng)研發(fā)有限公司進(jìn)行。期望在人與汽車碰撞中，針對車輛前端零件對小腿沖擊碰撞模擬試驗(yàn)的一些要求，為相關(guān)試驗(yàn)和研究人員提供一定參考，并對相關(guān)車輛前端零件的單件試驗(yàn)?zāi)M提供一些參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及參數(shù)

聚丙烯PP（TRC500P），見表1；Hifax，巴塞爾聚烯烴工程塑料（蘇州）有限公司。

表1 聚丙烯參數(shù)

下?lián)醢逯Ъ転樽⑺艹尚停瑹o表面處理。

1.2 設(shè)備與儀器

設(shè)備與儀器詳見表2和圖1。

圖1 設(shè)備與儀器

表2 設(shè)備與儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與要求

落錘沖擊試驗(yàn)：

（1）產(chǎn)品安裝。將下?lián)醢逯Ъ苡寐菟▌傂怨潭ㄓ诠潭ㄖ尉撸聯(lián)醢逯Ъ茉跊_擊塊沖擊的方向上面束縛。

（2）沖擊條件。使用重量8 kg，直徑Ф70 mm的鋁管支架作為沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產(chǎn)品，與產(chǎn)品接觸的初始速度為40 km/h（11.11 m/s），在產(chǎn)品的沖擊點(diǎn)位置安放一塊t=2.5 mm的PP試片。

（3）沖擊位置。產(chǎn)品外邊緣Y0，Y180，Y290，Y-130，Y-235。

（4）行人保護(hù)模擬試驗(yàn)過程。下?lián)醢逯Ъ艿男腥吮Ｗo(hù)模擬試驗(yàn)在奧托立夫試驗(yàn)室的跌落塔試驗(yàn)臺進(jìn)行模擬展開。此次行人保護(hù)的模擬方案是通過建立一個跌落塔，該跌落塔垂直于地面，并且具備了足夠的高度，以便利用沖擊支架的重力去產(chǎn)生足夠的沖擊力。在試驗(yàn)的過程，通過重力加速度的作用，讓模擬撞擊器，獲得足夠高度的勢能，通過這樣的勢能和動能的轉(zhuǎn)換達(dá)到試驗(yàn)?zāi)M所需求的高能量的碰撞模擬。運(yùn)用激光測高儀控制有效的跌落高度，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成為在保護(hù)的試驗(yàn)中所要求模擬的汽車行駛速度在40 km/h的沖擊和碰撞的速度要求。模擬汽車行駛速度在碰撞行人小腿時為11.11 m/s的接觸碰撞速度，由自由落體的下落公式計算得出在跌落塔內(nèi)需要6.3 m高。但是，由于沖擊支架與導(dǎo)軌之間的摩擦力問題，根據(jù)實(shí)際所測得的沖擊速度需要調(diào)高至6.8 m進(jìn)行。

（5）試驗(yàn)評判標(biāo)準(zhǔn)。最終根據(jù)儀器所記錄的數(shù)據(jù)分析得到?jīng)_擊反力-位移曲線需滿足反力位移曲線限定范圍，如圖2所示。沖擊反力等于沖擊塊的質(zhì)量（8 kg）與沖擊塊的速度相乘；曲線的位移是儀器的加速度傳感器記錄的加速度信號數(shù)據(jù)通過濾波后二次積分得出。

圖2 反力-位移判定標(biāo)準(zhǔn)

1.4 實(shí)驗(yàn)方法分析簡介

最早在20世紀(jì)60年代，澳大利亞就有學(xué)者針對交通事故中的行人安全問題進(jìn)行了研究[2]。1998年，歐洲車輛安全委員會（EEVC WGI7）正式提出了行人保護(hù)試驗(yàn)草案。同年，該安全委員會EEC頒布的EEC74/483指令生效，成為全球最早的行人保護(hù)法規(guī)。同時，澳大利亞的行車評估評價規(guī)程、日本的行車評估和測試，以及歐洲的新車評價都在市場的新車評價規(guī)程中添加了車輛對于行人保護(hù)的試驗(yàn)[3]。2008年，針對第九項(xiàng)《行人保護(hù)全球技術(shù)法規(guī)》，在聯(lián)合國的世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇WP29上，行業(yè)內(nèi)的專業(yè)人員進(jìn)行了深入商討并進(jìn)行了發(fā)布[4]。該技術(shù)法規(guī)就是GTR9。2009年，我國制定了符合中國國情和現(xiàn)狀特色的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》[5]。

下?lián)醢逯Ъ苁亲鳛榍氨：竺娴钠嚵悴考?。此次所進(jìn)行試驗(yàn)的目的是為小腿保護(hù)的相關(guān)產(chǎn)品性能進(jìn)行測試模擬。

（1）產(chǎn)品的安裝固定方式。在產(chǎn)品的沖擊點(diǎn)處放置一塊t=2.5 mm的PP試片，目的是模擬下?lián)醢逯Ъ茉趯?shí)車狀態(tài)下下?lián)醢逯Ъ芮安康谋ｋU杠。產(chǎn)品在車身X向用6個螺栓鎖定，在車身Z向用5個螺栓鎖定在治具上，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品的實(shí)際安裝方式

（2）通過貼附在沖擊塊表面的黃黑相間的感應(yīng)條紋，行程出發(fā)開關(guān)記錄一格條紋20 mm所需要的時間，位移/時間換算出初始的速度。針對產(chǎn)品的Y=-235，Y=-130，Y=0，Y=+180，Y=+290等車身坐標(biāo)位置進(jìn)行沖擊。

（3）沖擊條件解析。①使用重量8 kg，直徑Ф70 mm的鋁管支架作為沖擊塊。使用鋁管支架作為沖擊塊的原因是如果僅僅使用一個鋁錠或鋁管從相應(yīng)高度拋落，則在空中容易大幅度旋轉(zhuǎn)，使沖擊方向多變不可控，因此本實(shí)驗(yàn)引進(jìn)了導(dǎo)向軌，起到了固定支架的作用，并且有導(dǎo)向作用，便于沖擊點(diǎn)的準(zhǔn)確性。②沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產(chǎn)品，與產(chǎn)品接觸的初始速度為40 km/h（11.11 m/s）。沖擊塊從高度6.3 m下落沖擊產(chǎn)品的原因?yàn)椋?.3 m在重力加速度作用下即可使沖擊塊在接觸產(chǎn)品沖擊點(diǎn)時的速度為40 km/h。

2 結(jié)果與討論

通過對中國的交通事故匯總和分析，可以總結(jié)出行人在和汽車發(fā)生碰撞的時候往往下肢作為著力點(diǎn)會承受更多的損傷。目前，在進(jìn)行行人下肢的損傷評價時，會考慮到行人膝關(guān)節(jié)在受到劇烈碰撞時候剪切力引起的關(guān)節(jié)位置移動值（d）；同時也需要重點(diǎn)考慮到在受力之后的彎曲角度（n），畢竟生物學(xué)上的彎曲角度也是有承受極限的；最后就是下肢上面的承重主體脛骨，特別是高速汽車碰撞所引起的脛骨上端的加速度的值產(chǎn)生的重要影響（a）。鑒于上面分析的3大損傷系數(shù)指標(biāo)對于下肢的損傷判定基礎(chǔ)，計算得出的WIC的值越低，說明安在車輛上的有效的前部吸能結(jié)構(gòu)對行人腿部的保護(hù)效果會更有效。

上面的3個因素對于小腿保護(hù)都是重要的因素，但是對于本產(chǎn)品的客戶要求和實(shí)驗(yàn)設(shè)置來說，需要通過產(chǎn)品性能的轉(zhuǎn)換成為產(chǎn)品的性能指標(biāo)，關(guān)注的輸出項(xiàng)為位移與反力的曲線關(guān)系，相關(guān)結(jié)果如下。

2.1 沖擊相關(guān)結(jié)果

產(chǎn)品外邊緣Y0位置的相關(guān)結(jié)果，如圖4所示。產(chǎn)品外邊緣Y-130位置的相關(guān)結(jié)果，如圖5所示。

圖4 產(chǎn)品外邊緣Y0位置的相關(guān)結(jié)果

圖5 產(chǎn)品外邊緣Y-130位置的相關(guān)結(jié)果

產(chǎn)品外邊緣Y-235位置、Y180位置、Y290位置的相關(guān)結(jié)果，分別如圖6—圖8所示。

圖6 產(chǎn)品外邊緣Y-235位置的相關(guān)結(jié)果

圖7 產(chǎn)品外邊緣Y180位置的相關(guān)結(jié)果

圖8 產(chǎn)品外邊緣Y290位置的相關(guān)結(jié)果

2.2 反力曲線

要求的F-S曲線圖中的上下區(qū)域限制線的兩折點(diǎn)坐標(biāo)分別為，上折點(diǎn)：8 mm，5 500 N；下折點(diǎn)：50 mm，3 000 N。結(jié)合表3，可以發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品的5個沖擊位置的最終結(jié)果中位移介于25～50 mm的范圍內(nèi)反力偏小。沖擊位置在Y=-130、Y=+180這兩個點(diǎn)的時候，在要求的范圍70 mm的位移內(nèi)，反力有一部分超過了上限。此部分需要結(jié)合前保險杠的效能進(jìn)行綜合考量反力位移曲線，如圖9所示。

表3 相關(guān)反力位移數(shù)值

圖9 下?lián)醢逯Ъ蹻-S曲線圖

3 結(jié)論

針對某款車型的下?lián)醢逯Ъ艿臎_擊實(shí)驗(yàn)也是客戶端第一次進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)嘗試，所以很多數(shù)據(jù)的信息都不全，對于判斷標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)方法的相關(guān)原理數(shù)據(jù)資料較少，行人保護(hù)實(shí)驗(yàn)在我國來說比較新。目前，GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》已經(jīng)作為行業(yè)推薦的新的標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行推廣和施行。但是針對單個零件，從系統(tǒng)到子系統(tǒng)，從系統(tǒng)到單個零件評判標(biāo)準(zhǔn)是否可以拆解，是否可以有效地設(shè)定合理的評判標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證規(guī)范，目前來看，很多的標(biāo)準(zhǔn)和原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)備都還有待改進(jìn)和更新。

（1）實(shí)驗(yàn)中依據(jù)法規(guī)和實(shí)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值數(shù)據(jù)的合理性。通過對國標(biāo)及國際行人保護(hù)方面的規(guī)定的研究，中國人的體型及體質(zhì)，和歐美人應(yīng)該還是有不少差異存在的。包括人的身材比例，比如小腿的分布比例和尺寸等也有很大差別，還有體重等。同時，骨質(zhì)狀態(tài)，還有和車輛比對的碰撞角度等都會有很多差異存在。這會在發(fā)生交通事故的時候產(chǎn)生非常不一樣的失效模式，比如行人和車輛前端模塊零件的接觸點(diǎn)和接觸角度、接觸的部位不同，碰撞結(jié)果就會不一樣。所以，當(dāng)前很多實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定、數(shù)值的設(shè)定和角度的設(shè)定是否合理，是否可以模擬中國交通環(huán)境下的結(jié)果，個人覺得還是有探討和改進(jìn)的空間。

（2）實(shí)驗(yàn)對于小腿的模擬不夠真實(shí)。本研究當(dāng)前通過跌落塔試驗(yàn)臺這樣的系統(tǒng)，通過自由落體的換算，來模擬車輛行駛40 km/h這樣的勢能轉(zhuǎn)換成行車動能的碰撞速度，利用控制模擬沖擊支架在跌落塔中垂直高度的值來進(jìn)行碰撞速度的轉(zhuǎn)換模擬。相對來說，與水平的車輛沖擊相比較，靠重力模擬就決定了產(chǎn)品的固定沖擊件（下?lián)醢逯Ъ埽┰谑芰r候的角度是垂直角度的，但是實(shí)際的情況是會有一定的傾斜角度，如何設(shè)定一個合理的角度需要進(jìn)一步研究，這樣才能比較好地反映行人在行走時腿部的弧度。另外，試驗(yàn)中的鋁制支架雖然用的是70 mm模擬人體的骨骼，但其實(shí)是一體的金屬結(jié)構(gòu)，這個部分的模擬并不能完全反應(yīng)人體的骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

（3）相比較整車的碰撞試驗(yàn)，產(chǎn)品因車身的環(huán)境、安裝角度，以及其他環(huán)境條件的吸能影響，在當(dāng)前環(huán)境下去模擬會比較難，比如前保和前保吸能塊的吸能作用，產(chǎn)品安裝在車輛支架上的吸能的傳導(dǎo)，會比較難以模擬。當(dāng)然，針對單件的拆分評判，如果在合理的設(shè)定范圍比較車輛整體碰撞成本支出和再現(xiàn)性方面，會有很大的差異，從驗(yàn)證的樣本數(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)點(diǎn)來說，相對的優(yōu)勢也會比較明顯。

（4）對于法規(guī)來說，目前的一些法規(guī)都是針對前保的，對于前保的后部結(jié)構(gòu)的下?lián)醢逯Ъ艿攘悴考南嚓P(guān)要求與評判標(biāo)準(zhǔn)并不完善，期待以后會有更為貼切合理的評判標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的出臺。并且在試驗(yàn)的時候，應(yīng)當(dāng)模擬車輛的行駛狀態(tài)，并對前保整體吸能系統(tǒng)和行人保護(hù)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。