40%重叠可变形壁障碰撞与100%正面刚性壁碰撞探究

杨晨曦,马钧

(同济大学汽车学院，上海 201804)

0 引言

我国机动车保有量已超过3亿辆，随之而来的是较高的道路交通事故发生率，已然成为现代社会面临的严峻问题。影响交通事故的因素很多,如汽车本身的缺陷、道路及附属设施不够完善、自身的驾乘习惯错误等。人们可以通过改善这些因素来降低事故的发生率,但是不可能从根本上杜绝道路交通事故。通过车辆制造技术的改进与革新,在事故发生后尽可能减少对驾乘人员的伤害,这是汽车技术的一个重要发展方向。调查和分析交通事故的特点,制定行之有效的有针对性的试验方法；作为汽车制造商，通过试验发现问题,进而通过技术和工艺的改进可以提高汽车本身质量;作为政府部门，可以通过强制性试验法规控制市场准入的门槛;保险机构根据试验评价制定保险价率。

汽车交通安全事故中，因碰撞导致的事故是造成人身伤害的最主要形式，占比超过70%。道路交通事故从形态上可以分为：正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞和翻车等。图1是20世纪末美国所发生碰撞类道路事故的数据统计，可见在碰撞事故中正面碰撞占比排首位，高达41%。英国、日本同类统计数据中，正面碰撞事故占有的比例更高，分别为52%和42%。所以很多国家对于碰撞试验的研究都是从正面碰撞开始，从而帮助降低道路碰撞后带来的人员伤亡[1]。

图1 美国碰撞事故类型统计

我国最早开展的汽车碰撞是50 km/h下的100%重叠正面刚性壁碰撞。正面刚性壁碰撞虽说可以一定程度上衡量汽车碰撞中吸能特性和对成员的保护能力，但是实际的汽车碰撞事故中这种和刚性壁的正面碰撞发生的概率很低。正面碰撞中更多情况下是车对车的碰撞，这种情况下被撞的对象是同样具有变形吸能作用的汽车；绝大多数情况下两车不会100%的正对碰撞，而是错开一定比例[2]。根据对事故发生概率统计和分析，欧洲正面碰撞法规ECE R94中规定了一种正面40%重叠可变形壁障碰撞试验。我国参照ECE R94于2007年4月30日发布了GB/T 20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》。为了更加准确地验证和评价汽车安全性能，文中将针对正面40%重叠可变形壁障碰撞法规和试验方法进行研究，并将其与正面刚性壁碰撞(GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》)做比较性分析。

1 碰撞试验用壁障

在正面40%重叠可变形壁障碰撞实验当中，可变形壁障(Deformable Barrier)是蜂窝结构铝制可压缩的块状物表面，在实验过程中安装在刚性块上；车宽(Vehicle Width)指与车辆纵向中心平面相平行的，同时与车辆两端侧面接触但不包括后视镜、侧转向灯、示宽灯、胎压计、柔性挡泥板和紧靠轮胎与地面接触部分的侧壁变形处的两个平面间距；重叠(Overlap)指车辆正面与壁障表面所接触的部分占车宽的百分比，具体到这里即是40%；正面即指汽车运动的方向与汽车中轴线一致且与可变形壁障垂直。

如图2，可变形壁障右侧表面与车辆中心线并非重合，而是存在一定的偏移量，这里为车辆宽度的10%，即重叠部分为40%。重叠的一侧为驾驶员所在侧。

图2 正面40%重叠可变形壁障碰撞试验

如图3所示，可变形壁障宽度为1 000 mm,由压溃强度分别为0.342和1.711 MPa的两种不同结构的蜂窝铝构成其主副两部分，厚度分别为450 mm和90 mm，高度分别为650 mm和330 mm,两部分下边缘平齐且与地面相距200 mm。蜂窝铝主块的前后面黏于覆板和背板上，副块前侧黏有保险杠面板。各部分尺寸和材料以及黏合剂的成分都有严格规定[3]。

同时需要有质量不少于7×104kg的刚性固定壁或与之连接的刚性结构来安装可变形壁障。在碰撞过程中，应保持测试车辆不与从可变形壁障的上表面到75 mm处的连接结构之间的部分发生接触。可变形壁障安装表面与跑道轴线的垂直偏差不超过±1°，竖直偏差不超过±1°，同时要满足平坦光滑的条件。在整个碰撞试验过程中，连接部分表面的位移不应大于10 mm。固定壁上或连接的刚性结构边缘，也应按汽车碰撞侧与可变形壁障的边缘对齐。

图3 正面偏置碰撞用的可变形壁障

壁障上下侧各伸出75 mm的安装边缘，上下各有5个均布摆列的安装孔，便于可变形壁障用螺栓安装在固定壁上或连接于固定壁上的刚性结构上，螺栓直径最少8 mm。上下两边缘采用钢带夹紧，钢带至少60 mm高、1 000 mm宽、3 mm厚。钢带的边缘应倒圆，以免在碰撞过程中可变形壁障从钢带上撕落。钢带的边高于可变形壁障上安装边5 mm，低于下安装边5 mm。在钢带上对应可变形壁障的安装边钻5个直径9.5 mm的孔(见图4)。钢带和可变形壁障安装边上的孔的直径可以从9.5 mm扩大到25 mm，以适应不同的背板布置和/或测力墙的孔的配置。安装装置不应在碰撞中失效。

图5中的钢架结构是为连接变形壁与固定壁而设计制作的设施，该设施左右对称，可适用于驾驶员在左侧或右侧不同情况车辆的试验需要。该设施最外侧为20 mm厚胶合木板，其后是45 mm厚度的钢板，高800 mm、宽1 830 mm,钢板和钢架焊接为一体，钢架与钢板等宽等高，厚度为1 165 mm，四角装有滚轮和丝杆，便于移动与调节。试验前将钢架移动到需要的位置，调节丝杆使之达到要求的高度。

图4 壁障安装孔的位置

图5 壁障的安装

在变形壁安装有带状开关，开关连接闪光灯，在碰撞发生的瞬间，闪光灯发光被摄影机拍到，可以记录下碰撞零时刻点。

依照GB 11551-2014的正面刚性壁障碰撞，碰撞壁宽度不小于3 m,高度不小于1.5 m,质量不少于7×104kg，碰撞壁是刚性的，只要求加装20 mm厚胶合板。

2 试验过程

40%重叠可变形壁障碰撞与正面刚性壁障碰撞试验在车辆准备过程及乘员舱的调整方法上完全一致，在此不做描述。

2.1 车辆变形量的测量

移动式三坐标仪可用来测量车辆在碰撞过程中的变形量。三坐标仪的坐标系与车身坐标系相同，同时需要建立在一个特定平面上。车辆变形的测量参考原点选取为车辆后端结构。

要测量的车内点一般包括转向柱端点、加速踏板、制动踏板、离合器踏板和驻车踏板(如果有)，车身外侧一般包括车梁前端点、保险杠、A柱、B柱和车门。

2.2 电测量

在两个假人身上安装以下传感器：三轴向加速度传感器、颈部力与力矩综合传感器、胸部位移传感器、大腿力传感器及膝盖滑移位移传感器、小腿力传感器；还可以在车身需要关注的部位加装加速度传感器。

2.3 光测量

一般在试验车辆的左右两侧、正前偏上方架设高速摄影机(如图6所示)；在左右可以各用两台高速摄影机，一台专拍假人运动影像，一台拍摄车身运动影像；在车前左(右舵为前右)方向可以斜向架设一台高速摄影机，可以较好地拍摄车身转动时假人的运动姿态；如果有条件还可以在屋顶、地坑中架设高速摄影机。

图6 高速摄影架设位置

2.4 燃油泄漏测量

用大面积托盘接收泄漏的燃油，至碰撞后5 min止，如有泄漏则进行称量。

2.5 重叠偏移量测量

为避免变形对测量的影响，预先在车与变形壁一侧帖上白色布胶带，一侧涂上红泥，碰撞后用钢板尺测量胶带展开后目标点与红泥印之距即为重叠偏移量。

40%重叠可变形壁障碰撞与正面刚性壁障碰撞试验在测试方法和所用仪器设备上基本一致，只是40%重叠可变形壁障碰撞要测量的参数稍多。

3 试验形式和标准要求的比较

表1 试验条件及性能指标对比[4-5]

4 测试数据比较与分析

4.1 碰撞后车辆外观比较

图7、8分别是同一个车型40%重叠可变形壁障碰撞和正面刚性壁障碰撞试验后照片，从图片中看：试验车辆前挡风玻璃都有裂纹但没有脱落，图7中汽车前脸、保险杠、引擎盖、护轮板变形较大，左侧 A柱及车门明显变形；图8中保险杠、引擎盖、护轮板变形，而与驾驶舱相关的A柱、车门未见明显变形。

图7 40%重叠可变形壁障碰撞

从碰撞后的外观来看，如果只比较碰撞点的破坏程度，40%重叠可变形壁障碰撞所造成的破坏更加严重。那么是否可以认为40%重叠可变形壁障碰撞(56 km/h)真的要比100%正面刚性壁障碰撞(50 km/h)的强度要高呢？

4.2 电测曲线分析

图9—12是同一车型两种不同试验中的数据曲线对照。

图9 车身B 柱(左)加速度曲线

图10 头部(驾驶员)合成加速度曲线

图11 胸部位移(驾驶员)曲线

图12 大腿载荷(驾驶员右腿)曲线

图9是安装在车身B柱上的传感器获得的加速度曲线，方向为车身纵向。可以看出：由于100%正面刚性壁障碰撞当中碰撞物体为刚性，车身加速度形成一个较陡的尖波，可知车身受到瞬间高强度惯性冲击；而40%重叠可变形壁障碰撞波峰明显低于前者，且波形较宽，虽然碰撞速度较前者要高，在可变形壁障的缓冲吸能作用之下，车身所受冲击相对平缓。

图10是驾驶员头部三轴向加速度合成曲线，可见：40%重叠可变形壁障碰撞曲线在上升沿与100%正面刚性壁障碰撞曲线相比具有较好的相似性，而在时间轴上明显后移，波峰略低。

图11是驾驶员胸部位移曲线，可见：40%重叠可变形壁障碰撞曲线的时间轴相对于100%正面刚性壁障碰撞曲线后移，40%重叠可变形壁障碰撞曲线波峰明显低于100%正面刚性壁障碰撞曲线。

图12是驾驶员右侧大腿载荷曲线，对照比较可以发现：40%重叠可变形壁障碰撞中大腿载荷峰值绝对值高于100%正面刚性壁障碰撞，这个结果与车身加速度、头部加速度、胸部位移等指标对比结果相反。

以上4个参数中最能体现撞击强度的是车身加速度，40%重叠可变形壁障碰撞车身加速度小于100%正面刚性壁障碰撞车身加速度。这说明虽然可变形壁障碰撞速度大于刚性壁障碰撞，但是由于可变形壁障对碰撞车的缓冲作用，吸收掉一部分能量，作用于车身的总体撞击强度要小于刚性壁障碰撞。头部加速度和胸部位移两个参数与车身加速度密切相关，所以有一致的比较结果。驾驶员大腿载荷则与车身变形关系较大，车身变形的相关对比在下文中会具体描述。

4.3 车身变形量对比

再看另一组数据，表2是两种试验中车身不同位置的变形量对比。

表2 车身变形位移量

分析表2可知：40%重叠可变形壁障碰撞对车身驾驶舱的绝对侵入量要大于100%正面刚性壁障碰撞，该结果与图7、图8中所见结果吻合。由于40%重叠可变形壁障碰撞力量更多地作用于车身的一侧，靠一侧车身变形来吸收能量，其破坏也集中于一侧。这样非碰撞的一侧基本不变形，而会对处于碰撞侧的左侧车身局部造成较大破坏和冲击，如果这种破坏和冲击严重影响驾驶员侧生存空间，虽然驾驶员遭受惯性冲击不大亦可能造成致命伤害。而且车门变形也不利事故后逃生。100%正面刚性壁障碰撞则是车身整体压缩变形，受力面比较大，车身左右两侧都参与变形吸能，这样将碰撞产生的冲击分散均担，车身部左右两部分都产生变形，虽然整体惯性冲击力较大但是相比40%重叠可变形壁障碰撞作用于一侧对驾驶舱的破坏要小。40%重叠可变形壁障碰撞驾驶员侧车身破坏较大，可能对腿部构成挤压，这可以解释图12中大腿载荷较大的结果。

4.4 碰撞后运动形式比较

观察对比两种试验的高速摄影资料(图13、图14)，可以发现两种试验中碰撞后车身运动的形式存在较大差异。

图13 正面刚性壁障碰撞高速摄影

图14 40%重叠可变形壁障碰撞高速摄影图像

由高速摄影图像资料可见：正面刚性壁障碰撞中，车身除了向前的压缩和向后反弹的运动外，整体在垂直方向上有一个头部下沉、尾部翘起的旋转运动；而40%重叠可变形壁障碰撞除存在上述运动外，在水平方向同时存在一旋转甩尾的运动。正面刚性壁障碰撞中碰撞接触点低于车身重心点，但是接触点和重心点同处于汽车中性纵面上，在水平方向不存在偏差，所以在惯性力的作用下，车身只受到一个竖直向上力矩，产生竖直方向上旋转运动。而在40%重叠可变形壁障碰撞中，接触点明显偏于一侧车身，在惯性力的作用下存在着一个水平方向的力矩，使车身同时产生水平方向上的转动。两种情况下车身所受力矩示意图如图15所示。

图15 车身所受力矩示意图

5 结论

GB/T 20913-2007中40%重叠可变形壁障碰撞与GB 11551-2014中正面刚性壁障碰撞都是0角度正面碰撞试验，在车辆准备、乘员舱调整、测试方法上存在很多相似和相同之处。但是由于试验条件不一样，试验结果存在很大差异：

由假人头部、胸部伤害指标比较可知，正面刚性壁障碰撞中乘员更容易受到冲击惯性力伤害，而40%重叠可变形壁障碰撞中乘员所受此种伤害相对要低。避免冲击惯性力伤害主要靠乘员约束保护系统和车身前部吸能，可见正面刚性壁障碰撞在检验乘员约束保护系统方面要求更严格。

由车身变形量比较可知，40%重叠可变形壁障碰撞车身变形较大，对驾驶室侵入较多，可能造成因生存空间过小造成的伤害。而要减少这种伤害，乘员舱必须在碰撞中尽量保持完好，单侧车身在碰撞中要能承受冲击而乘员舱不变形或少变形，这对车身结构的优化设计提出了更高的要求。

40%重叠可变形壁障碰撞中车身存在幅度较大横向甩尾动作，这有可能使乘员因此造成侧向撞击和扭转的伤害，特别是造成乘员颈部扭伤。

40%重叠可变形壁障碰撞从形式上更接近于真实的道路交通事故，但是调查研究表明道路交通事故中因乘员约束保护系统存在问题而构成的伤害占有更大比例。总之，两种试验方法各自具有不同偏重点，不可相互替代，应互为补充。

参考文献:

[1]刘晓君.实车正面碰撞法规试验的发展趋势[J].世界汽车,1999(3):3-5.

LIU X J.The Development Trend of Real Vehicle Frontal Collision Tests for the Purpose of Regulation[J].World Auto,1999(3):3-5.

[2]亓立成,乌秀春,王超,等.轿车偏置碰撞耐撞性仿真分析[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2006 ,26(4):252-254.

QI L C,WU X C,WANG C,et al.Simulating Crashworthiness of Car in Offset Impact[J].Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition),2006,26(4):252-254.

[3]杨华.汽车碰撞试验缓冲吸能装置的计算机仿真与试验研究[D].长沙:湖南大学,2002.

[4]全国汽车标准化技术委员会.乘用车正面偏置碰撞的乘员保护:GB/T 20913-2007[S].北京:中国标准出版社,2007.

[5]全国汽车标准化技术委员会.乘用车正面碰撞成员保护:GB 11551-2014[S].北京:中国标准出版社,2015.