正面碰撞中的假人伤害分析及车身安全性改进研究

1假人伤害分析

1.1头部伤害

在碰撞前期,颈部在胸部的带动下向前做减速运动并下扑,颈部对头部产生一个向后的力、向下的力以及向前的弯矩。在向前继续运动的过程中,头部会受到一个接触外力,主要是由于胸部受安全带拉力对头部产生作用力的结果。头部伤害主要包括了头骨骨折、弥散性脑损伤等。目前使用较为频繁的头部伤害程度评价指标是头部伤害指数HIC。

1.2颈部伤害

颈椎骨从上到下共有7块,能够对头部起到有效的支撑作用,并构成较为完整的运动链,确保头部可进行旋转点头运动。在交通事故过程中,颈部与头部会产生惯性运动导致不同的伤害,主要表现在以下两个方面:(1)拉伸-弯曲损伤:(2)压缩-伸展损伤。此外,在NCAP(新车碰撞测试)中主要是根据积累曲线对颈部剪切力与张力进行有效评价。

1.3胸部伤害

人体胸部是较为重要的部位,胸部损伤不存在长期伤残,一般情况下受伤者会在一段时间内很快死亡或者痊愈。在车辆碰撞过程中,人体胸部会受到较多的压力,且受力过程相对比较复杂,不但受到安全带拉力,还会受到头部与下躯干的约束力、方向盘以及安全气囊所施加的压力。

1.4下肢伤害

在车辆碰撞实验过程中,引起下肢损伤的机理相对较多,其中主要有下肢被夹在仪表板与底板之间,夹在刹车踏板下面,与刹车踏板接触以及脚从刹车踏板上滑落并与底板接触等。下肢损伤指标主要有TI、FFC以及TCFC等,其中FFC用以评估股骨损伤,TI以及TCFC均为胫骨的损伤指标。FFC以及TCFC指标均是在长骨所承受轴向载荷的基础上计算得出。

2正面碰撞中的假人伤害影响因素

2.1正面碰撞中的假人运动过程

假人在正面碰撞的运动过程中,车辆与墙壁发生碰撞,在碰撞瞬间,乘员与约束系统存在间隙,随着车辆在向前运动中突然减速,乘员向前位移,与车辆出现了速度差以及位移,随后受到约束系统的减速作用而做减速运动,并降至为零,经过反弹,最后处于静止。

2.2车身安全结构

在设计过程中车身结构具有一定的抗撞性,主要是指汽车在碰撞期间确保乘员与行人在碰撞后有安全逃逸与救援的能力。在碰撞过程中,车身结构会接受较大的动能,以此为车辆内部提供一定的刚性。其中车身结构的抗撞性主要体现在车身结构承受碰撞的能力,碰撞能量的吸收以及产生碰撞波形等能力。车身安全结构如图1所示。

图1车身安全结构

2.3车身加速度

在正面碰撞过程中,车身加速度与乘员伤害指标紧密相连。车身加速度值是车辆耐撞性能中较为重要的参数,乘员躯干是人体受运动影响的物理量,运动状态为胸部受到水平方向加速度影响,其他方向的冲击相对较小。

2.4安全带

在正面碰撞过程中,安全带会束缚乘员的运动轨迹,在最大程度上降低乘员在此过程中的二次碰撞,在此基础上还能够有效避免车辆在翻滚过程中乘员脱离座椅的危险。由此可以看出,安全带起到了较好的缓冲作用,但是会对乘员头部以及颈部产生不同程度的影响。为了提高车辆安全性,需要安装预警器与限力器装置,以有效避免对一些部位的伤害。安全带预紧及限力动作如图2所示[2]。

图2安全带预紧及限力动作示意图

2.5安全气囊

安全气囊能够有效避免乘员与汽车内部结构产生直接碰撞,以此达到降低伤害的目的。此外,安全气囊在防护过程中,是一个瞬态动力学过程,要求在一定空间内以某个强度展开,这在一定程度上表明了也会对乘员造成一定的损伤。因此,只有在安全带与气囊参数良好匹配的情况下才能起到降低损伤的作用,安全气囊参数包括气袋形状、起爆时间等。

3改进分析及实验验证

3.1第一次碰撞实验

以自主研发的车型进行实车碰撞实验,其中样车没有安装安全气囊,结果表明,驾驶员以及乘员头部指标出现不同程度的超标,并且颈部伸张弯矩也超出了一定要求。此外,在实验中因没有安全气囊,驾驶员与方向盘产生了二次碰撞,头部有较大的损伤。

3.2第二次碰撞实验

在第二次碰撞实验过程中,车辆安装了安全气囊,但是没有限力装置。由此可以看出,安装气囊后假人碰撞损伤程度降低明显,在NCAP中能够达到满分,但是头部加速度依然相对较大。颈部NIC与压缩弯矩处于高分限值之内,胸部加速度指标得到了有效改善,但是依然略高于分限值,胸部压缩量增加,主要是与安全带约束作用有较大关系,腿部压缩力也明显改善。在车身结构没有改变的情况下,安全气囊能够对乘员头部进行全面的保护。

3.3滑车实验

滑车实验是一种较为重要的实验方法,以便对零部件进行改进以及安全性匹配。较多汽车安全匹配厂家均采用滑车方式进行实验,以此对车辆碰撞波形进行有效模拟,再现车辆碰撞的全过程,在较大程度上能够减少开发时间与成本。

4结语

车辆耐撞性能主导着假人在碰撞中的响应特性,并且在约束系统基础上有效降低假人伤害程度:安全带及气囊等约束系统能够对碰撞能量进行有效分配;配备安全带时,假人胸部的压缩量最小,在配备气囊的情况下,胸部压缩量出现微量增加,减小胸部加速度,这就需要对约束系统特性进行改进,使加速度与胸部压缩量保持一定的平衡,在碰撞过程中将乘员伤害程度降至最低。