正面小区域碰撞讨论

李灿民，陈永光，陈东乐

（重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

正面小区域碰撞讨论

李灿民，陈永光，陈东乐

（重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

伴随着汽车技术的不断发展，人们对于汽车的安全性能也日益关注。在碰撞安全法规上，目前最严苛的当属美国公路安全保险协会IIHS提出的正面小区域碰撞。本文先介绍该碰撞测试的缘由、背景及测试工况，而后通过现有的实车测试报告及仿真试验数据对正面小区域碰撞过程中的碰撞力传递、能量传递、左侧B柱加速及车辆入侵量进行说明与分析，并总结出为什么在市多款车型在该碰撞测试下成绩不优秀及对车辆结构的改进提出方案。

正面碰撞；被动安全；小区域碰撞；车辆入侵；能量传递；碰撞力传力

CLC NO.:U467.3 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-102-03

前言

近几年随着中国汽车工业的高速发展，中国已超越美国成为世界第一大汽车产销国，2013年中国汽车产销分别为2212万辆和2200万辆，汽车产销双双超过2200万辆，蝉联全球第一。巨大的汽车保有量也带来了严峻的交通安全问题。幸运的是，如今汽车在科研机构及厂商的调试下，各方面性能都有了很大的提高，就拿汽车被动安全中的碰撞安全来说，现在市场上的90%汽车都能通过新车评价规程NCAP（New Car Assessment Program）的100% 正面刚性壁碰、40%正面偏置可变形壁碰、侧面可变形移动壁碰、侧面柱撞以及行人保护和后面碰撞测试考验。这些在碰撞测试中表现优秀的车辆为何在现实的交通事故中还造成那么大的人员伤亡。[1]

1、正面小重叠碰撞测试

1.1 事故类型

根据IIHS对事故的统计，正面40%重叠率碰撞占到24%，这个有相应的40%正面偏置可变形壁碰测试来模拟，在低强度正面碰撞事故中，虽然它也达到了19%，但是其事故的伤亡率低，因此对于其讨论就少。值得注意的是，在小区域重叠率碰撞中，其所占的比例达到24%，与正面40%重叠率壁碰并列第一，如图1所示[2]。事故分析说明，小区域碰撞更能模拟真实的汽车碰撞情况，且暂无出台相应的碰撞法规，因此，IIHS即开展了小重叠率碰撞测试。

图1 正面交通事故中同类型事故所占比例

1.2 测试工况介绍

车辆以（64.4±1)Km/h的速度撞击刚性壁障(壁障高度为1524mm，倒角半径为150 mm)，车辆与壁障的重叠率为25%，驾驶员位置放置一个HybridⅢ50%男性假人用以测量假人伤害。[3]如图2所示：

图2 小区域碰撞测试工况

2、碰撞过程分析

本文是根据汽车实车碰撞及计算机仿真软件得到的数据进一步分析概括和总结，得出汽车在小区域碰撞条件的汽车的结构变化量及相关参数在碰撞过程中的变化。

图3 碰撞力传递图

2.1 车身传递力路径分析端开始传递，传递到前挡板，经过轮胎到悬架系统后传递到发动机防火层，最后传递到车身上。上纵梁几乎不参与碰撞过程中传力过程，下纵梁只起到部分的作用[4]。如图3所示。

2.2 碰撞过程中能量分析

在碰撞过程中，能量吸收分布如图4所示。缓冲吸能区是零部件压溃后变形区域，该吸能区为主要吸能区。

通过传递力的路径的分析，相比于其他的两种碰撞来说，小区域碰撞区域集中在汽车车角的一侧，几乎绕开了保险杠、防撞梁、吸能盒、纵梁等主要的吸能部件[5]，碰撞的能量不能够被合理的吸收，且前挡板、轮胎及悬架系统吸收的能量相对有限，很大一部分能量直接传递到车身上，乘员舱直接将这些能量吸收，因此会发生较大的载荷冲击而产生较大的变形量，因此小区域碰撞对乘员舱的破坏程度比其他两种碰撞测试破坏车程度相对来说要更大些，对人体的损伤也更大。

汽车碰撞过程中，碰撞力的传递主要是通过保险杠、防撞梁、吸能盒、纵梁、发动机舱、副车架、上纵梁传递到整个乘员舱。相对于正面40%重叠率可变形壁碰及100%刚性壁碰来讲，小区域碰撞具有碰撞力传递不规律的特点。小区域碰撞的传递力就比较的特别，碰撞力经过保险杠横梁的一

图4 吸能分区

2.3 左侧B柱加速度分析

我们通过对陈可明的“国内某车型小偏置正面碰撞的全面评估中”的左侧B柱加速分析可以得出小区域碰撞的加速度峰值要比正面40%重叠率可变性壁碰的峰值来得大，这将会对乘员舱的乘客产生极大的伤害。造成小区域碰撞加速度峰值高的主要原因是因为碰撞过程中，缓冲吸能区及过渡吸能区的主要部件没有参与吸能工作，或者说是参与吸收碰撞能量的部件吸收率不足，导致较大的能量直接传递到安全区中，因此会产生一个较大的加速度峰值。[6]

值得注意的是，由于小区域碰撞不具有对称性，冲击作用力不会通过汽车的型心，因此将产生一个力矩，使得车辆绕着垂直轴发生转动，因此对于乘客上身的伤害将是头部与方向盘或者车门框左侧区域甚至是A柱发生碰撞，此时安全气囊无法提供必要的保护，对乘员的头部将产生极大的损伤。

2.4 车身入侵量分析

在小区域重叠率碰撞过程中，车身门框前缘向后的位移量大，这会导致车内的仪表盘横梁及方向盘向后移动，且转向盘管柱也将向后移动，对驾驶员的胸部头部产生极大的伤害。再者，由于轮胎和悬架系统因变形而向后位移，进而影响刹车踏板、离合器踏板和油门踏板的向后移动，因此对乘员下肢产生极大的入侵伤害。[7]在严重的乘员舱变形情况下，不利于驾驶员的逃生，为后续救援造成了不便。如图5所示：

图5 车辆入侵实图

3、小区域重叠率碰撞结果探讨

通过对在已经测试车型报告及仿真试验数据观察分析，在小区重叠率碰撞测试中，测试成绩不理想，多款在100%正面刚性壁碰和正面40%重叠率偏置壁碰表现出色的车辆在该测试中表现成绩不佳。出现该问题的原因主要由以下几个方面：

3.1 车辆结构不够完整

安全笼式(safety cages)的出现，极大的保证了车身在正面碰撞或者中度偏置碰撞过程中不会产生较大的变形量，甚至说车身不变形[8]。小区域碰撞发生时，碰撞接触点就发生了改变，撞击主要集中在车头边角的1/4面积的区域，碰撞力直接冲击轮胎、悬架系统后传递到防火墙，使得轮胎侵入乘员舱，对驾驶员的下肢产生伤害。此外，门框的较大变形量将导致仪表盘后移，对乘员的上半身也将产生伤害。

3.2 安全保护系统不能正常发挥作用

当车辆发生小区域碰撞过程中，由于碰撞作用不对称，往往会发生偏移，乘客伴随了车辆的偏移而撞击到车的内部结构上。由于转向柱及驾驶员座安全气囊发生偏移，乘客可能会错过气囊保护，头部和胸部直接撞击撞击方向盘左侧及车门框。再者侧气囊和头部保护气帘和胸部保护气囊有可能没有爆开，或者爆开的太晚以及气囊的保护面积不够而起不到保护作用。

3.3 二次碰撞损伤

由于小区域重叠率碰撞会产生一个巨大的转矩，车辆在碰撞后可能会在该转矩下改变运动方向而造成二次碰撞。二次碰撞时，由于车辆的结构已经不完整，提供不了完整的安全保障，因此会对乘员产生二次伤害。

4、总结

小区域重叠率碰撞更加的接近实际事故中的情景，且其对乘员的伤害是很严重的，因此对于汽车制造商来说是一个重大的挑战。通过对小区域重叠碰撞的分析，我们可以从以下几个方面来提高车辆的安全性能。1.考虑到纵梁在小区域重叠率碰撞过程中不参加作用，我们考虑将纵梁前端添加个分支，做成类似Y性结构，增加碰撞过程中接触面积，进而达到分解力和吸能的作用。2.加强车门框的强度，使其在碰撞过程中变形量小，以减少后移量。3.对转向管及刹车踏板的优化，减少其后移对乘员的损伤。4.优化安全保护系统，充分考虑安全气囊是否能及时展看，且能否覆盖方向盘左侧位置。

[1] Hallman J J,Yoganandan N, Pintar F A, et al. Injurydifference between small and large overlap frontal crashes[C]// 55th Annals of Advances in Automotive Medicine.

[2] Sherwood C P, Nolan J M, Zuby D S. Characteristics ofsmall overlap crashes [C]// Proc the 21th Int’l Tech Confon the Enhanced Safety of Vehicles, Germany, 2009, PaperNo. 09-0423.

[3] Insurance Institute for Highway Safety (IIHS). SmallOverlap Frontal Crashworthiness Evaluation Crash TestProtocol (Version I), IIHS secretary [S]. Oct, 2012.

[4] 刘珍海,乔磊磊,正面小重叠碰撞工况模拟研究与实车优化分析,汽车安全与节能学报[J]，2012年,第3卷第4期.

[5] 郭正辉等,汽车安全新挑战—小偏置正面碰撞,汽车与配件[J], 2013-13-(No.4).

[6] 陈可明,胡丽君,胡晏殊,国内某车型小偏置正面碰撞的全面评估,汽车安全与节能学报[J],2013年,第4卷第1期.

[7] 王占强,再出狠招独家揭秘IIHS小区域重叠偏置碰撞试验.世界汽车.[J],2013(02).

[8] 贾江伟,SUV多数不过关中级车逆袭25%偏置碰撞大考析.产品可靠性报告.[J],2013(08).

Small-area frontal-impact discuss for a vehicle

Li Canmin, Chen Yongguang, Chen Dongle
（Institute of transportation, Chongqing jiaotong university, Chongqing 400074）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.035

With the continuous development of automobile technology, there are growing concerns for car safety performance is also.On the collision safety regulations, at present the most severe is the insurance institute for highway safety IIHS collision on the front of the small area is put forward.First introduced in this paper that the cause of the crash test, background and test conditions, and then through the existing real vehicle test report and in the process of simulation test data for small area positive collision collision force transfer, energy transfer, acceleration and the vehicle on the left side of the B column invasion by description and analysis, and why is summarized in the city, many models under the collision test result is not good, and the improvement of vehicle structure scheme is put forward.

frontal-impact; Small-area impact; Vehicle invasion; energy pass; Collision force transfer

U467.3

B

1671-7988(2016)01-102-03

李灿民，就读于重庆交通大学交通运输学院。