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        移動漸進變形壁障碰撞試驗中駕駛員小腿傷害研究

        2023-04-10 06:40:30張俊南余海龍
        汽車工程師 2023年4期
        關鍵詞:右小腿壓縮力測試項目

        張俊南 余海龍

        (中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

        1 前言

        歐洲新車評價程序(European New Car Assess?ment Program,Euro NCAP)于2020年引入了正面50%重疊移動漸進變形壁障(Mobile Progressive Deform?able Barrier,MPDB)碰撞測試項目[1]。部分車型在該項測試中存在駕駛員小腿傷害超標導致的丟分情況。

        針對這一問題,國內外學者多從仿真角度分析碰撞過程中假人小腿的傷害機理,通過有限元建模,并結合某單一車型驗證模型,用于假人對應位置傷害的預測[2-7]。本文選取20組車型的試驗數據,從統(tǒng)計角度分析造成駕駛員腿部傷害超標的主要原因,為車輛結構優(yōu)化提供參考。

        2 Euro NCAP MPDB碰撞測試項目

        2.1 試驗方法

        MPDB 碰撞測試項目中壁障車質量為1400 kg,試驗車輛與壁障車分別以50 km/h 的速度進行碰撞,重疊率為50%。在試驗車駕駛員位置放置第50百分位的THOR 假人,乘員位置放置第50 百分位的Hybrid Ⅲ假人,后排分別放置Q6 和Q10 兒童假人,碰撞形式如圖1所示。

        圖1 正面50%重疊MPDB碰撞測試碰撞形式

        2.2 假人小腿傷害指標

        Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中,規(guī)定駕駛員THOR 假人小腿評價指標包括脛骨指數(Tibia Index,TI)和脛骨壓縮力(Tibia Compression,TC),如表1所示。

        表1 Euro NCAP MPDB碰撞測試項目駕駛員小腿傷害評價指標

        THOR 假人小腿脛骨壓縮力通過小腿力傳感器直接采集;脛骨指數由小腿力傳感器采集到的力載荷和力矩載荷計算得到。指標主要反映垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上、下部位的彎曲力矩導致小腿骨、腳踝等受到傷害的情況[8-9]。作用在小腿上的力與力矩如圖2所示。

        2.3 假人傷害結果統(tǒng)計

        隨機抽取20款進行了Euro NCAP MPDB碰撞測試的車型,駕駛員小腿傷害評價得分情況如圖3所示。

        圖3 駕駛員腿部傷害評價得分

        在Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中,駕駛員小腿得分最高為4 分。20 款車型中,有19 款車型駕駛員THOR 假人小腿/腳部被扣分,假人腿部傷害統(tǒng)計結果如表2、表3所示。

        表2 假人左、右腿部傷害統(tǒng)計結果

        表3 假人腿部罰分情況統(tǒng)計結果

        在Euro NCAP MPDB 碰撞測試項目中,駕駛員假人腿部被罰分情況較為突出,且腿部被罰分的主要原因是小腿脛骨指數超標。

        3 脛骨指數分析

        3.1 脛骨指數

        小腿脛骨指數為:

        其中:

        式中,MR為Mx和My的合成力矩;Mx、My分別為繞x軸、y軸的彎曲力矩;(MC)R為臨界彎矩;Fz為z向的軸向壓縮力;(FC)z為z向臨界壓縮力。

        3.2 假人脛骨指數分析

        由于駕駛員假人右小腿脛骨指數丟分情況最為嚴重,本文重點針對駕駛員THOR 假人右小腿脛骨指數進行分析。由式(1)可知,脛骨指數主要受到脛骨壓縮力、作用在脛骨上繞x軸和繞y軸的彎曲力矩的影響。

        20款車型駕駛員右小腿脛骨指數如表4所示,小腿脛骨指數越大,假人受到的傷害越大,其得分越低。

        表4 右小腿脛骨指數統(tǒng)計結果

        由表4 可知,MR/(MC)R所占脛骨指數平均比例為91.75%,F(xiàn)z/(FC)z所占脛骨指數平均比例僅為8.25%,如圖4所示。

        圖4 右小腿脛骨指數組成占比統(tǒng)計

        由式(2)可知,Mx或My過大都有可能導致合成力矩MR過大。由統(tǒng)計結果可知,My占MR的平均比例為91.05%,Mx占MR的平均比例僅為8.95%,如圖5所示。

        圖5 右小腿MR組成占比統(tǒng)計

        統(tǒng)計結果表明,MPDB 碰撞測試項目駕駛員小腿脛骨指數超標主要受小腿合成力矩MR影響,其中彎曲力矩My過大是主要原因。

        4 小腿受力分析

        Euro NCAP MPDB 碰撞工況為正面碰撞,碰撞過程中假人的軀干、腿部的主要運動方向為車輛縱向[10]。腿部、腳部受載荷方向、運動方向以及關節(jié)結構等因素的影響,小腿主要沿車輛縱向運動。

        4.1 小腿受力分析

        碰撞過程中,腳部向前運動受到限制,而臀部和膝蓋的整體前移迫使小腿繞踝關節(jié)和膝關節(jié)轉動,導致小腿產生彎曲力矩My。在此過程中,容易出現(xiàn)加速踏板向后移動的情況,這會增加腳部受到的載荷,迫使腳部向后運動,小腿受到的彎曲力矩My隨之加劇,如圖6所示。

        圖6 右小腿受力分析

        某車型MPDB 碰撞試驗腿部力曲線如圖7 所示。從時間來看,小腿彎曲力矩My在第53 ms 左右達到峰值-120.14 N·m,而大腿壓縮力在第58 ms 左右開始由正向轉為負向增大,在第64 ms 左右達到峰值-1.75 kN。這說明大腿在第58 ms 以后接觸儀表板,小腿彎曲力矩My在此之前已經達到最大值,可以排除大腿撞擊儀表板對小腿彎曲力矩My的影響。從受力方向來看,小腿彎曲力矩My從碰撞開始后即向負向增大,說明小腿繞膝蓋向后轉動,其原因是加速踏板對腳踝施加向后的載荷。

        4.2 加速踏板位移分析

        碰撞過程中假人右側小腿彎曲力矩My與假人腳部受到的載荷直接相關,加速踏板的位移對小腿傷害產生重要影響。20 款車型中假人小腿傷害和加速踏板的位移情況如表5所示。

        表5 右小腿傷害和加速踏板位移統(tǒng)計

        按加速踏板x向位移由小到大進行排序,得到加速踏板x向位移與駕駛員右小腿彎曲力矩My、脛骨指數的關系如圖8、圖9所示。

        圖8 小腿力矩My與加速踏板位移的關系

        圖9 小腿脛骨指數與加速踏板位移的關系

        在MPDB 碰撞測試項目中,隨著加速踏板向后位移的增大,小腿受到的彎曲力矩My有明顯增大的趨勢,且小腿脛骨指數隨彎曲力矩My的增大同步增大。

        5 結束語

        在Euro NCAP MPDB 碰撞工況中,駕駛員右側小腿部位受傷風險較高,主要由脛骨指數超標導致,其主要原因是脛骨受到的彎曲力矩過大。造成小腿脛骨彎曲力矩過大的原因是加速踏板位移對腳部的沖擊,碰撞過程中加速踏板位移越大,小腿脛骨指數越大,得分越低。

        為降低小腿傷害,可以考慮通過加強車身結構或調整踏板強度,緩解腳部受到的由加速踏板施加的載荷沖擊。

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