正面碰撞中的假人傷害分析及車(chē)身安全性改進(jìn)研究

1假人傷害分析

1.1頭部傷害

在碰撞前期,頸部在胸部的帶動(dòng)下向前做減速運(yùn)動(dòng)并下?lián)?頸部對(duì)頭部產(chǎn)生一個(gè)向后的力、向下的力以及向前的彎矩。在向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,頭部會(huì)受到一個(gè)接觸外力,主要是由于胸部受安全帶拉力對(duì)頭部產(chǎn)生作用力的結(jié)果。頭部傷害主要包括了頭骨骨折、彌散性腦損傷等。目前使用較為頻繁的頭部傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)是頭部傷害指數(shù)HIC。

1.2頸部傷害

頸椎骨從上到下共有7塊,能夠?qū)︻^部起到有效的支撐作用,并構(gòu)成較為完整的運(yùn)動(dòng)鏈,確保頭部可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)。在交通事故過(guò)程中,頸部與頭部會(huì)產(chǎn)生慣性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致不同的傷害,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)拉伸-彎曲損傷:(2)壓縮-伸展損傷。此外,在NCAP(新車(chē)碰撞測(cè)試)中主要是根據(jù)積累曲線對(duì)頸部剪切力與張力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

1.3胸部傷害

人體胸部是較為重要的部位,胸部損傷不存在長(zhǎng)期傷殘,一般情況下受傷者會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)很快死亡或者痊愈。在車(chē)輛碰撞過(guò)程中,人體胸部會(huì)受到較多的壓力,且受力過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜,不但受到安全帶拉力,還會(huì)受到頭部與下軀干的約束力、方向盤(pán)以及安全氣囊所施加的壓力。

1.4下肢傷害

在車(chē)輛碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,引起下肢損傷的機(jī)理相對(duì)較多,其中主要有下肢被夾在儀表板與底板之間,夾在剎車(chē)踏板下面,與剎車(chē)踏板接觸以及腳從剎車(chē)踏板上滑落并與底板接觸等。下肢損傷指標(biāo)主要有TI、FFC以及TCFC等,其中FFC用以評(píng)估股骨損傷,TI以及TCFC均為脛骨的損傷指標(biāo)。FFC以及TCFC指標(biāo)均是在長(zhǎng)骨所承受軸向載荷的基礎(chǔ)上計(jì)算得出。

2正面碰撞中的假人傷害影響因素

2.1正面碰撞中的假人運(yùn)動(dòng)過(guò)程

假人在正面碰撞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,車(chē)輛與墻壁發(fā)生碰撞,在碰撞瞬間,乘員與約束系統(tǒng)存在間隙,隨著車(chē)輛在向前運(yùn)動(dòng)中突然減速,乘員向前位移,與車(chē)輛出現(xiàn)了速度差以及位移,隨后受到約束系統(tǒng)的減速作用而做減速運(yùn)動(dòng),并降至為零,經(jīng)過(guò)反彈,最后處于靜止。

2.2車(chē)身安全結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中車(chē)身結(jié)構(gòu)具有一定的抗撞性,主要是指汽車(chē)在碰撞期間確保乘員與行人在碰撞后有安全逃逸與救援的能力。在碰撞過(guò)程中,車(chē)身結(jié)構(gòu)會(huì)接受較大的動(dòng)能,以此為車(chē)輛內(nèi)部提供一定的剛性。其中車(chē)身結(jié)構(gòu)的抗撞性主要體現(xiàn)在車(chē)身結(jié)構(gòu)承受碰撞的能力,碰撞能量的吸收以及產(chǎn)生碰撞波形等能力。車(chē)身安全結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1車(chē)身安全結(jié)構(gòu)

2.3車(chē)身加速度

在正面碰撞過(guò)程中,車(chē)身加速度與乘員傷害指標(biāo)緊密相連。車(chē)身加速度值是車(chē)輛耐撞性能中較為重要的參數(shù),乘員軀干是人體受運(yùn)動(dòng)影響的物理量,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為胸部受到水平方向加速度影響,其他方向的沖擊相對(duì)較小。

2.4安全帶

在正面碰撞過(guò)程中,安全帶會(huì)束縛乘員的運(yùn)動(dòng)軌跡,在最大程度上降低乘員在此過(guò)程中的二次碰撞,在此基礎(chǔ)上還能夠有效避免車(chē)輛在翻滾過(guò)程中乘員脫離座椅的危險(xiǎn)。由此可以看出,安全帶起到了較好的緩沖作用,但是會(huì)對(duì)乘員頭部以及頸部產(chǎn)生不同程度的影響。為了提高車(chē)輛安全性,需要安裝預(yù)警器與限力器裝置,以有效避免對(duì)一些部位的傷害。安全帶預(yù)緊及限力動(dòng)作如圖2所示[2]。

圖2安全帶預(yù)緊及限力動(dòng)作示意圖

2.5安全氣囊

安全氣囊能夠有效避免乘員與汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接碰撞,以此達(dá)到降低傷害的目的。此外,安全氣囊在防護(hù)過(guò)程中,是一個(gè)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,要求在一定空間內(nèi)以某個(gè)強(qiáng)度展開(kāi),這在一定程度上表明了也會(huì)對(duì)乘員造成一定的損傷。因此,只有在安全帶與氣囊參數(shù)良好匹配的情況下才能起到降低損傷的作用,安全氣囊參數(shù)包括氣袋形狀、起爆時(shí)間等。

3改進(jìn)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1第一次碰撞實(shí)驗(yàn)

以自主研發(fā)的車(chē)型進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn),其中樣車(chē)沒(méi)有安裝安全氣囊,結(jié)果表明,駕駛員以及乘員頭部指標(biāo)出現(xiàn)不同程度的超標(biāo),并且頸部伸張彎矩也超出了一定要求。此外,在實(shí)驗(yàn)中因沒(méi)有安全氣囊,駕駛員與方向盤(pán)產(chǎn)生了二次碰撞,頭部有較大的損傷。

3.2第二次碰撞實(shí)驗(yàn)

在第二次碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,車(chē)輛安裝了安全氣囊,但是沒(méi)有限力裝置。由此可以看出,安裝氣囊后假人碰撞損傷程度降低明顯,在NCAP中能夠達(dá)到滿分,但是頭部加速度依然相對(duì)較大。頸部NIC與壓縮彎矩處于高分限值之內(nèi),胸部加速度指標(biāo)得到了有效改善,但是依然略高于分限值,胸部壓縮量增加,主要是與安全帶約束作用有較大關(guān)系,腿部壓縮力也明顯改善。在車(chē)身結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變的情況下,安全氣囊能夠?qū)Τ藛T頭部進(jìn)行全面的保護(hù)。

3.3滑車(chē)實(shí)驗(yàn)

滑車(chē)實(shí)驗(yàn)是一種較為重要的實(shí)驗(yàn)方法,以便對(duì)零部件進(jìn)行改進(jìn)以及安全性匹配。較多汽車(chē)安全匹配廠家均采用滑車(chē)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以此對(duì)車(chē)輛碰撞波形進(jìn)行有效模擬,再現(xiàn)車(chē)輛碰撞的全過(guò)程,在較大程度上能夠減少開(kāi)發(fā)時(shí)間與成本。

4結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛耐撞性能主導(dǎo)著假人在碰撞中的響應(yīng)特性,并且在約束系統(tǒng)基礎(chǔ)上有效降低假人傷害程度:安全帶及氣囊等約束系統(tǒng)能夠?qū)ε鲎材芰窟M(jìn)行有效分配;配備安全帶時(shí),假人胸部的壓縮量最小,在配備氣囊的情況下,胸部壓縮量出現(xiàn)微量增加,減小胸部加速度,這就需要對(duì)約束系統(tǒng)特性進(jìn)行改進(jìn),使加速度與胸部壓縮量保持一定的平衡,在碰撞過(guò)程中將乘員傷害程度降至最低。