王月 周大永 蔣蓮花 唐莉 常曉宇 王瑞卓

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

汽車翻滾是一種致死率非常高的交通事故形態(tài)[1、3]。特別是SUV 車型因SSF（Static Stability Factor）偏小，發(fā)生翻滾事故的傾向性相對(duì)較高[1-7]。然而，世界各國(guó)對(duì)于翻滾保護(hù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不完善，僅美國(guó)《聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)》FMVSS208 的翻滾試驗(yàn)中有簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)描述試驗(yàn)假人的各個(gè)部位均應(yīng)約束于車輛乘客艙外表面之內(nèi)，該要求僅適用1973 年9 月1 日至1986 年9 月1 日期間生產(chǎn)的車輛，目前要求國(guó)內(nèi)也缺少類似強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中國(guó)交通事故深入調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)（China In-Depth Accident Study，CIDAS）統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在造成乘用車車內(nèi)人員傷亡的事故中，涉及翻滾的事故比例達(dá)到17.2%，與側(cè)面碰撞、追尾碰撞這類常見(jiàn)事故形態(tài)是同一量級(jí)[4-8]，如圖1 所示。從傷亡嚴(yán)重度上看，如圖2 所示，翻滾事故受傷率為55.6%，死亡率為10.9%，遠(yuǎn)高于正面、側(cè)面、追尾等。從傷害部位來(lái)看，頭部、胸、四肢是乘用車翻滾時(shí)乘員受傷最多的部位，頭面部占40.5%，胸部占14.7%，四肢占28.6%，如圖3 所示。因此，建立翻滾保護(hù)開(kāi)發(fā)工況開(kāi)展車輛安全性研究十分必要。

圖1 乘用車碰撞形態(tài)及占比分布

圖2 乘用車不同事故形式傷亡分布

圖3 翻滾事故中身體各部位損傷占比分布

本文以CIDAS 交通事故統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，總結(jié)了翻滾保護(hù)開(kāi)發(fā)的典型工況，分析了各類工況適用的場(chǎng)景，并對(duì)其中的螺旋翻滾工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，從工況的仿真分析到最終的驗(yàn)證。

2 交通事故分析及工況定義

基于CIDAS 數(shù)據(jù)庫(kù)、售后反饋及網(wǎng)絡(luò)報(bào)道等來(lái)源對(duì)翻滾事故案例進(jìn)行分析，可將翻滾歸納為以下幾種：①絆翻；②螺旋翻滾；③邊坡翻滾等。針對(duì)這幾類事故統(tǒng)計(jì)如圖4，發(fā)現(xiàn)絆翻事故占比較多，約33.8%，其次為螺旋翻滾和邊坡翻滾，占比相當(dāng)，為19.4%，再次為彈翻，占比16.9%，而其類的事故匯總占比10.4%。

圖4 事故統(tǒng)計(jì)分類及占比

絆翻模擬當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，一側(cè)輪胎與路沿或障礙物發(fā)生碰撞導(dǎo)致車輛發(fā)生翻滾。

圖5 絆翻示意

圖6 螺旋翻滾示意

螺旋翻滾模擬車輛達(dá)到一定時(shí)速，兩側(cè)前輪駛?cè)氩煌降穆访娲藭r(shí)兩輪胎的中心連線與水平面有一定夾角，導(dǎo)致車輛發(fā)生翻滾。

邊坡翻滾模擬車輛兩側(cè)輪胎受力狀況完全不相同，一側(cè)失重且力向下，另一側(cè)受到斜面的支撐導(dǎo)致車輛發(fā)生翻滾。

圖7 邊坡翻滾示意

3 結(jié)構(gòu)仿真分析研究

基于對(duì)實(shí)際事故調(diào)研結(jié)果，將事故場(chǎng)景轉(zhuǎn)化成可分析的工況，由于翻滾工況的復(fù)雜性，很難通過(guò)單一軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及變形損傷進(jìn)行模擬[9-11]，因此在進(jìn)行仿真分析時(shí)將多體動(dòng)力學(xué)仿真與碰撞仿真相結(jié)合進(jìn)行分析模擬。

3.1 工況介紹

螺旋翻滾即車輛已一定速度駛?cè)雴芜厴颍瑔芜厴虻谝欢纬叽绾徒嵌仁枪潭ǖ?，由于第二段的角度是可變化的（如圖8），因此車輛行駛過(guò)后會(huì)出現(xiàn)不同的狀態(tài)，即不翻、臨界翻滾、翻滾。仿真分析中結(jié)合車的重量、質(zhì)心位置等，采用多體動(dòng)力學(xué)分析確定試驗(yàn)角度。

圖8 螺旋翻滾壁障尺寸及壁障示意圖

3.2 仿真分析研究

基于整車質(zhì)心，前后軸荷分配，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，軸距，輪距，側(cè)傾中心，側(cè)傾剛度等參數(shù)和多體仿真所需關(guān)鍵部件彈簧，減震器，穩(wěn)定桿，襯套，緩沖塊等搭建多體動(dòng)力學(xué)模型，如圖9所示。

圖9 多體動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)用該模型分析確定車輛側(cè)翻的臨界角度，試驗(yàn)方法：將車輛靜置于臺(tái)架上，以0.1°/s（準(zhǔn)靜態(tài)）的速度傾斜，直到右側(cè)輪胎力為0 時(shí)結(jié)束。

從圖10 可見(jiàn)，當(dāng)傾斜角為47.5°時(shí)，此時(shí)右輪受力為0，即47.5°為靜態(tài)側(cè)翻角臨界（最大）值?；诖朔治鼋Y(jié)果，設(shè)定螺旋翻滾第二段角度為15°，將不同速度的試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖12 所示，從中可以看出，當(dāng)車輛速度為40km/h 時(shí)，車輛可以通過(guò)，未發(fā)生翻滾；當(dāng)車速達(dá)到43km/h，車輛發(fā)生翻滾。

圖10 輪胎受力及角度變化與時(shí)間曲線

結(jié)合實(shí)際行駛車輛的速度，選取50km/h 的車速進(jìn)行螺旋翻滾分析，將動(dòng)力學(xué)分析得到的參數(shù)如下表1，帶入到碰撞分析模型中進(jìn)行碰撞分析；

表1 動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)

圖11 不同速度分析結(jié)果

其中：

A：左側(cè)兩個(gè)輪子著地時(shí)刻后，車輛前后懸架變形結(jié)束，車輛即將反彈的瞬間時(shí)刻；

B：車輛右前輪心位置；

C：車輛右后輪心位置.

圖12 為根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果獲取的螺旋翻滾的初始與地面接觸狀態(tài)；圖13 為翻滾的最終狀態(tài)，主要為頂蓋位置與地面接觸。圖14 為翻滾后車輛的變形情況，可以發(fā)現(xiàn)，翻滾后A 柱、上邊梁、B 柱、頂蓋橫梁等起到了很好的支撐作用，變形較小，保證了乘員艙結(jié)構(gòu)的完整性；同時(shí)前后懸架姿態(tài)完好。

圖12 翻滾初始狀態(tài)

圖13 翻滾最終狀態(tài)

圖14 翻滾后車輛整體變形情況

4 乘員保護(hù)性能研究

基于對(duì)實(shí)際事故和國(guó)人的駕乘習(xí)慣，初步設(shè)定工況中配置的假人數(shù)量為：駕駛員位置、前排乘員位置和駕駛員后部乘員位置。

4.1 側(cè)氣簾設(shè)計(jì)

考慮到車輛在翻滾過(guò)程中人的受傷部位主要為頭部，而在翻滾中約束系統(tǒng)主要體現(xiàn)在安全帶及側(cè)氣簾對(duì)人的保護(hù)效果，而側(cè)氣簾的保護(hù)區(qū)域尤為重要。

首先，考慮不同身材的乘員，如：5%小個(gè)子身材，50% 中等身材，95% 大個(gè)子身材等，乘坐在不同座椅位置，如：前排座椅調(diào)到最后端，最上和最下位置，座椅調(diào)節(jié)到最前端的最上和最下位置，來(lái)劃定側(cè)氣簾的保護(hù)區(qū)域，如圖15，以全面的保護(hù)不同的乘客。

圖15 側(cè)氣簾頭部保護(hù)區(qū)域設(shè)計(jì)

其次，側(cè)氣簾設(shè)計(jì)伸進(jìn)A 柱，增大了氣袋體積，保護(hù)面積更大，在翻滾中中，加長(zhǎng)側(cè)氣簾與正面氣囊安全帶共同作用可以阻擋乘員不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，避免乘員與內(nèi)飾的接觸，減輕乘員可能受到的傷害。

再次，車輛發(fā)生翻滾，需持續(xù)幾秒鐘，在翻滾過(guò)程中，要有效阻擋乘員頭部與內(nèi)飾的接觸，減輕乘員頭部受到的傷害就需要側(cè)氣簾具有較長(zhǎng)的保壓時(shí)間，因此設(shè)計(jì)中要求側(cè)氣簾在展開(kāi)后6S，氣袋里的壓力還可以保持在20KPa 左右，如圖16。

圖16 側(cè)氣簾保壓時(shí)間與壓力關(guān)系

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 車身結(jié)構(gòu)表現(xiàn)

結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)及碰撞仿真分析定義翻滾工況進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后如圖17所示，側(cè)氣簾在車輛觸地前點(diǎn)爆、翻滾過(guò)程中車門無(wú)開(kāi)啟；從圖18 可以看出車輛的A柱、B 柱均沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)性失效；試驗(yàn)后無(wú)燃油泄漏，4 個(gè)車門均可正常打開(kāi)，如圖19所示；

圖17 車輛觸底前狀態(tài)

圖18 翻滾后示意

圖19 試驗(yàn)后車門狀態(tài)示意

5.2 車內(nèi)乘員性能表現(xiàn)

在翻滾過(guò)程中，試驗(yàn)假人的頭部及胸部均應(yīng)約束于車輛乘客艙外表面之內(nèi)，保證假人受到安全帶與氣囊的有效保護(hù)，避免了頭部與剛性結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸，如圖20 所示。

圖20 翻滾過(guò)程中表現(xiàn)示意

各位置假人傷害指標(biāo)參考全球現(xiàn)行假人傷害最高指標(biāo)的高性能限值，結(jié)果如下表2所示：從表2 可以看出，車內(nèi)乘員各部位的傷害值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，整體表現(xiàn)較好，表明在整個(gè)翻滾過(guò)程中安全帶及側(cè)氣簾、氣囊等對(duì)車內(nèi)乘員起到了很好的保護(hù)作用。

表2 車內(nèi)乘員表現(xiàn)

6 總結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)實(shí)際事故調(diào)研結(jié)果總結(jié)出翻滾事故的典型工況：①絆翻；②螺旋翻滾；③邊坡翻滾；

（2）通過(guò)選取螺旋翻滾進(jìn)行分析，將多體動(dòng)力學(xué)與碰撞仿真分析相結(jié)合，從分析過(guò)程及結(jié)果驗(yàn)證該分析方法的有效性；

（3）車內(nèi)乘員的傷害情況整體表現(xiàn)較好，表明對(duì)約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的。

由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)翻滾工況評(píng)價(jià)不完善，該翻滾保護(hù)的開(kāi)發(fā)研究，為國(guó)內(nèi)外翻滾保護(hù)相關(guān)法規(guī)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了第一手的借鑒材料。