人车碰撞事故中人体伤害特征及行人保护技术

成 洁

（武警后勤学院军交运输系，天津 300309）

人车碰撞事故中人体伤害特征及行人保护技术

成 洁

（武警后勤学院军交运输系，天津 300309）

文章通过对事故中人车碰撞过程的描述分析出人车碰撞中人体受伤害特征，结合实例介绍了五类保护行人的汽车安全新技术，提出我国发展行人安全保护技术的紧迫性和必要性。

保护行人；碰撞事故；新技术

Abstract:In this paper human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision was analysed by describing vehicle collision process, introduce 5 new car safety technologies for pedestrian protection, propose the urgency and necessity of developing pedestrian safety protection technique in our country.

Keywords: pedestrian protection; collision accident; new technology

CLC NO.: U491.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-245-03

前言

随着各项安全法规的实施以及各种主动安全性和被动安全性技术的革新，驾乘人员的乘车安全性得到了极大提高，在交通事故中的伤害率呈现出逐年下降的趋势。然而，汽车安全性不仅旨在保护车内乘员安全，更要兼顾行人安全。我国是世界上典型的以混合交通为主的国家，汽车对行人造成的交通伤害远远大于其他国家，因此，考虑碰撞事故中的行人安全，开发具有我国特色的行人安全保护系统，应该成为我国汽车设计、研发的重要任务。

1 人车碰撞过程分析

大部分的行人碰撞事故为汽车从侧面撞击行人，此时行人处于静止或水平运动状态，行人行走速度一般为 1.15—1.6m/s，奔跑速度一般为 4.5—5.5m/s[1]。行人和行驶汽车发生碰撞时，首先保险杠撞击行人的膝盖和小腿，通常容易发生骨折；然后引擎盖前边缘、翼子板撞击行人的骨盆和大腿，碰撞的精确位置取决于行人与保险杠或引擎盖前边缘的相对高度；若车速较高，行人头部会与引擎盖和汽车前柱碰撞，然后绕头或肩翻转，腿部撞击汽车棚顶，从而以与车速相当的速度飞出，如图1所示。在此过程中，身体各个部位均会受到不同程度的伤害。

图1 行驶车辆碰撞行人过程示意图

2 人车碰撞中人体受伤害特征

行人身体主要有三处部位最易受到行驶车辆的伤害：头部、骨盆和大腿以及膝盖和小腿，这些伤害都与汽车的某些特定部位有直接关系。人车碰撞过程中每个部位的碰撞特点都不相同，行人头部多与前挡风玻璃、窗框和A柱以及引擎盖相撞，而下肢则最先与车身保险杠接触。因此头部和下肢的受伤频率最高。其中，下肢膝盖伤害通常被认为是最严重的伤害，因为它可能导致人员长期残疾，而头部伤害则是造成行人死亡的主要原因。

对行人身体各部位伤害特点的研究表明，头部伤害程度取决于引擎盖顶部和风挡边框的硬度，当冲击强度超出头部承受极限时，会发生头骨破裂，头骨和大脑发生相对移动，大脑受到剪切作用力伤害。行人头部撞击特点包括头部撞击速度、头部碰撞位置和头部碰撞角度。当行人与不同外形结构的汽车发生碰撞时，行人头部在引擎罩或前风窗等相关区域的碰撞位置、碰撞角度和速度受汽车前部结构影响最大。成人胸部主要与引擎盖顶部相碰撞，儿童胸部则主要与引擎盖前边缘和车身最前端接触，撞击力对胸部的压缩可导致肋骨或胸骨骨折。行人盆骨和大腿会与引擎盖边缘或引擎盖上部碰撞，造成挤压伤害。行人与车辆在侧向碰撞过程中下肢受到侧向作用力和轴向扭转载荷的综合作用，会导致长骨骨折、膝盖骨破碎、膝关节损伤及踝关节脱臼和骨折等伤害[2]。

碰撞事故中行人运动状态的不确定性为研究碰撞事故中行人身体各部位的损伤机理带来一定难度。行人运动状态可大致分为以下几类：滞留车体、撞击地面、抛向空中、推向一侧及翻过车体。滞留或翻过车体时，行人头部会与车体发生碰撞，碰撞速度及所受冲击力取决于车速，碰撞位置和角度则受行人身高及汽车前部具体结构形状的影响。其他情况下行人头部可能会与其他物体或地面发生碰撞，碰撞速度及所受冲击力取决于车速和其他物体的结构及材质，碰撞位置和角度由与汽车的碰撞位置和速度决定。

人车碰撞事故中有26%发生在车速小于15km/h，29%发生在车速在 15—30km/h，16%发生在车速在 30—45km/h，11%发生在车速超过45km/h。由此可看出，中低碰撞车速占主要比例。此特性说明碰撞事故发生前，驾驶员大多采取了紧急刹车措施。然而事故的严重程度与行车速度紧密相关，速度越高，事故发生过程中速度的变化率越大，行人伤亡的可能性也越大。Bowie和Walt研究发现碰撞事故中速度的变化率（△V）小于 16km/h时，行人严重伤亡的可能性小于5%，当△V超过48km/h时，严重伤亡的可能性超过50%[3]。运动车辆的能量是其质量与速度平方的乘积，碰撞中消散的能量越多，行人所受伤害就越大。研究表明车速超过96km/h时事故严重度随速度增加而快速增加，车速超过112km/h后行人致命伤亡的可能性迅速增加。

3 保护行人的汽车安全技术现状及应用

基于对人车碰撞事故机理及行人受伤害特征的研究，目前保护行人安全的车辆主被动防护装置大致可分为5类。

1）引擎罩机械系统

引擎罩提升技术利用引擎与电池间有宽裕空间，引擎罩在碰撞过程中能开启并能产生适量变形以吸收冲击能量来减少行人伤害的原理，借助安装在引擎盖下面的火药，在撞击行人时爆炸，将引擎盖在0.03s的瞬间抬升50～65mm，从而大幅降低对行人头部的伤害。

引擎罩的材质和结构也是影响行人头部伤害的关键因素。铝合金密度仅为钢铁的 1/3，且具有良好的吸收冲击性能，以铝合金代替普通钢材制造引擎罩，可降低碰撞时行人头部遭受撞击的伤害程度。新型引擎罩由挠性铰链支持，前翼子板通过特殊的紧固元件与上纵梁连接。当与行人发生碰撞时，具有精确计算刚度的前翼子板和铰链可按照设计产生弯曲变形，发动机罩及其底部构成的变形空间可以通过两种方式增大：1）外部轮廓的前部比前身车型高 22mm；2）发动机、减振器拱形座、储存罐和控制设备的安装位置降低了13 mm，从而有效吸收冲击能。图2为可发生弯折变形的汽车部件。

图2 可变形翼子板和铰链

2）新型保险杠结构

保险杠是人车碰撞过程中造成腿部骨折的主要部件,保险杠硬度降低1/3时可减缓对膝部造成的损伤。为减少行人伤害，前保险杠设计成与车身曲线相吻合，同时采用柔性材料或配备行人保护缓冲装置和新型结构，如利用高性能的玻纤毡增强热塑性塑料（GMT）模压成型的行人保护横梁和防止行人卷入车下而采用的脚绊构造等，用来减小对行人膝、腿部的冲击力。同样，重新设计的前灯室及周边区域能够按照受控模式吸收对腿部的撞击力量，避免玻璃破碎割伤行人腿部。

3）行人安全气囊系统

安全气囊分为两种，一是引擎罩气囊，一是前围安全气囊，两者配合使用可减少最常见的行人伤亡事故。引擎罩气囊在前照灯之间展开，由保险杠顶面向上伸展到引擎罩表面以上。气囊的折叠模式和断面设计能保证气囊展开时与汽车前端的轮廓相合，可减小50%的行人碰撞伤害。前围安全气囊系统包括两个气囊，各由汽车中心线向一侧的A立柱延伸，气囊在行人与保险杠发生初始碰撞后触发，在行人翻到引擎罩上滚向风窗这段时间内完成充气。两个气囊沿风窗底部将左右A立柱之间的整个汽车宽度完全覆盖，不仅能盖住风窗玻璃底部，还可盖住刮水器摆轴与引擎罩支座等致命的“硬点”，并且不会完全封住驾驶员视线。

4）辅助制动装置

辅助制动装置属于主动防护系统，它能够根据驾驶员踩动踏板的力度及变化梯度判断是否正在实施紧急制动。一旦符合紧急制动条件，辅助制动装置则迅速增加制动管路压力，在不足1秒内将制动力增至最大，短时间内大幅度降低碰撞速度，减轻对行人的碰撞伤害。梅赛德斯-奔驰公司最早研制了辅助制动系统，从1997年这一系统成为梅赛德斯-奔驰轿车的标准配置。联邦统计局统计结果显示：该系统使梅赛德斯-奔驰轿车发生撞击行人事故的比例降低了 13%。沃尔沃XC与S60前风挡玻璃上的红外探测器则能捕捉到车辆前方高于车头的行人和物体，当汽车与前方物体小于安全距离时会发出警报。若驾驶员未能及时反应，系统会自动全力制动。当车速小于 35km/h时，可避免汽车与行人相撞，当车速高于35km/h时，可降低碰撞速度，减轻伤害程度。

5）车辆智能安全保障系统

车辆智能安全保障系统能为驾驶员提供丰富的车辆周围环境信息，并在事故发生前及时通知驾驶员采取措施，避免车祸发生或将事故伤害降至最小。

车辆智能安全保障系统是先进的车辆控制系统的一部分，在超车、倒车、变换车道、雨天、大雾等容易发生事故的情况下，向驾驶员提供车辆周围及车辆本身的必要信息，并可自动地进行车辆控制，同时，利用车身传感器分别探测车辆四周路况，为驾驶员及时提供回避操作指令，提醒驾驶员保持安全车距，可有效防止事故发生。

沃尔沃卡车于 2012年研发的智能安全系统包括自适应巡航控制(ACC)系统和驾驶员提醒支持系统。前者利用雷达装置进行探测，一旦有碰撞风险，警告灯会投射到挡风玻璃上面，提醒驾驶员注意安全。该系统不受光照、烟雾或黑夜的影响，可最大限度排除气候原因的干扰。当驾驶员注意力不集中时，驾驶员提醒支持系统能快速探查到驾驶员的非安全行车状态并提醒驾驶员进行休息。沃尔沃卡车于2017年推出的新款FM Extreme车型上配备有全新智能导航系统和智能化近光灯与雨刷装置，使得汽车主动安全性能取得又一重大突破。

4 结语

我国每年因交通事故死亡的行人数以万计，因此研究行人交通安全刻不容缓。基于人车碰撞过程和行人受伤害机理，利用现代先进的电子技术开发行人防护装置，是研究基于行人保护的汽车安全技术的有效途径。由于多种原因，目前我国对行人安全保护的研究还相对滞后，相信在我国学者和世界各国汽车设计者的不懈努力下，行人安全保护技术必将进入崭新的阶段，为道路弱势使用者提供确切、有效的安全保证。

[1] 张金换,杜汇良,马春生.汽车碰撞安全型设计[M].北京;清华大学出版社,2010.

[2] 郭烈,葛平淑,张明恒.汽车安全辅助驾驶技术[M].北京;北京大学出版社,2014.

[3] 张锁,李杰,李连升.道路交通事故车速分析的探讨[J].交通标准化,2006(8):148-151.

Human injury characteristics in pedestrian-vehicle collision and pedestrian protection technology

Cheng Jie
( Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309 )

U491.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-245-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.086

成洁，就职于武警后勤学院军交运输系。