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行人保護(hù)試驗(yàn)的沖擊器簡介

2021-10-25 16:26:44·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
01、行人保護(hù)開發(fā)的背景和意義汽車作為日常出行的交通工具已經(jīng)越來越普及了，而汽車和行人之間的碰撞安全問題也日益突出，其中行人作為弱勢的道路使用者，在汽車
01、行人保護(hù)開發(fā)的背景和意義

汽車作為日常出行的交通工具已經(jīng)越來越普及了，而汽車和行人之間的碰撞安全問題也日益突出，其中行人作為弱勢的道路使用者，在汽車交通事故中往往受到的傷害最嚴(yán)重?；谏鲜鲈颍訌?qiáng)車輛的安全設(shè)計(jì)以保護(hù)行人安全已經(jīng)逐漸成為全球各大汽車市場對制造商的基本要求。國內(nèi)對車輛的行人保護(hù)性能也日益重視，C-NCAP從2018版規(guī)程開始已經(jīng)新增了車輛的行人保護(hù)性能評價，而國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《GB24550-XXXX汽車對行人的碰撞保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》也處在征求意見階段，預(yù)計(jì)2024年7月1日起將開始正式實(shí)施。

02、行人保護(hù)試驗(yàn)沖擊器的概述

行人穿越道路時，側(cè)面受到汽車碰撞的情況較多。因此一般都將步行姿態(tài)的側(cè)面碰撞形態(tài)作為研究行人保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)。圖1描述了175cm身高的行人與行駛速度為40Km/h的車輛發(fā)生碰撞時的情況：首先行人繞車身前部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而倒在發(fā)動機(jī)罩上，然后下肢與保險(xiǎn)杠碰撞，大腿及腰部與發(fā)動機(jī)罩前沿碰撞，胸部與發(fā)動機(jī)罩頂端碰撞，頭部與發(fā)動機(jī)罩頂端或風(fēng)窗玻璃碰撞。

圖1：行人與車輛發(fā)生碰撞時的運(yùn)動軌跡

相應(yīng)的，研究人員開發(fā)出了各種頭型沖擊器和腿型沖擊器，用它們來測量和判定行人在與車輛碰撞時頭部和腿部的損傷程度。作為一個典型的案例，圖2中包含了現(xiàn)行版本Euro-NCAP中的各種行人保護(hù)沖擊器，以及沖擊角度和速度等信息。

圖2：現(xiàn)行版本Euro-NCAP中的行人保護(hù)沖擊器簡圖

03、頭型沖擊器

頭型沖擊器一般是鋁制的均質(zhì)球形結(jié)構(gòu)，直徑為165mm，球體被14mm厚的合成皮膚覆蓋，覆蓋面積至少為球體的一半。在球體內(nèi)凹處裝有一個三軸或三個單軸的加速度傳感器，用于測量頭型在沖擊被測車輛時X/Y/Z三個方向的加速度，從而可以計(jì)算出HIC損傷值。圖3是在各個法規(guī)中普遍采用的兒童頭型和成人頭型沖擊器，二者之間主要的區(qū)別在于質(zhì)量：兒童頭型為3.5kg，成人頭型為4.5kg。

圖3：兒童頭型和成人頭型沖擊器

04、腿型沖擊器

常用的腿型沖擊器有上腿型和幾種版本的下腿型。在相關(guān)的法規(guī)中（Euro-NCAP、GTR9、ECE R127、GBT24550、CIASI 2020等），一般規(guī)定保險(xiǎn)杠下部基準(zhǔn)線高度高于500mm 時，使用上腿型進(jìn)行試驗(yàn)；低于425mm 時，使用下腿型進(jìn)行試驗(yàn)；在425mm 到500mm之間時，車輛生產(chǎn)企業(yè)可自由選擇使用下腿型或上腿型。另外，在某些法規(guī)中（Euro-NCAP、CIASI-2020）會有WAD775沖擊試驗(yàn)，也是采用上腿型沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)。
4.1上腿型沖擊器
上腿型沖擊器是由英國TRL（Transport Research Laboratory）開發(fā)的，用來測量碰撞過程中車輛對人體大腿產(chǎn)生的力和彎矩，其構(gòu)造如下圖4所示。上腿型沖擊器采用剛性圓柱體模擬骨骼，在撞擊側(cè)裝有兩張25mm 厚的泡沫肌肉，最外面的“皮膚”是1.5mm 厚的纖維加強(qiáng)橡膠層，總質(zhì)量為9.5kg，高度為350 mm。沖擊器內(nèi)部裝有3個應(yīng)變測量器分別測量上部、中部、下部的彎矩，另外還有2個載荷傳感器分別測量沖擊器兩端的受力。


圖4：TRL上腿型沖擊器

4.2下腿型沖擊器

下腿型沖擊器的發(fā)展則經(jīng)歷了三個階段：TRL剛性腿階段、Flex-PLI柔性腿階段、a-PLI腿型階段。下圖5是這三種腿型沖擊器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5：TRL剛性腿、Flex-PLI柔性腿、a-PLI腿型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
4.2.1、TRL剛性腿階段

TRL剛性腿型也是由英國TRL（Transport Research Laboratory）開發(fā)的，該沖擊器采用剛性材料模擬脛骨和股骨，膝部韌帶采用鋼板連接（見圖6）。在傷害指標(biāo)上有三個指標(biāo)，主要集中在膝蓋部分，分別是脛骨上端加速度、膝部彎曲角度和膝部剪切位移。2003年，歐洲率先使用TRL剛性腿作為下腿型沖擊器，用來評價車輛對行人的保護(hù)性能。

圖6：TRL剛性腿的實(shí)物圖

隨著對行人安全研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)TRL剛性腿僅在膝蓋區(qū)域可以較好的反映出腿部傷害情況，沒有考慮到碰撞中脛骨彎曲變形對傷害值的影響。
4.2.2、Flex-PLI柔性腿階段

日本首先提出了柔性腿型的研究，并研發(fā)了新的腿型沖擊器Flex-PLI柔性腿（見圖7）。該模型腿骨由股骨骨節(jié)、脛骨月牙板、彈簧和張緊的鋼絲繩4部分組成，彈簧和鋼絲繩用于模擬韌帶，具有良好的柔韌性，在撞擊過程中Flex-PLI可以根據(jù)各階段的受力情況反映股骨和脛骨的變形情況，可以更加真實(shí)的模擬出腿部的傷害程度。

圖7：Flex-PLI柔性腿的實(shí)物圖

Flex-PLI柔性腿的主要評價指標(biāo)是4個小腿彎矩（即上部彎矩、中上部、中下部、下部彎矩），3個膝部韌帶位移量（內(nèi)側(cè)側(cè)副韌帶MCL，前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL）。2014年E-NCAP行人保護(hù)試驗(yàn)規(guī)程中開始采用Flex-PLI柔性腿代替TRL剛性腿，2018版的C-NCAP也采用了Flex-PLI柔性腿型沖擊器。
人體與車輛碰撞時，軀干的運(yùn)動會影響腿部的運(yùn)動和損傷值。雖然Flex-PLI相比于TRL剛性腿已經(jīng)有了很大改進(jìn)，它仍然不能很好地反映出人體軀干對腿碰損傷的影響。
4.2.3、a-PLI腿型階段

為了解決Flex-PLI柔性腿的上述問題，a-PLI腿型應(yīng)運(yùn)而生。研究人員在柔性腿型中加入了一個可旋轉(zhuǎn)的上部質(zhì)量模塊（11.3Kg），以此來提高生物仿真度。和Flex-PLI腿型相比，a-PLI模型的外形與人體更為接近，還優(yōu)化了腿型中肌肉和長骨的質(zhì)量分布，調(diào)整了大腿的彎曲剛度和交叉韌帶的排布，在腿型下部還增加了一個自由度較大的關(guān)節(jié)用來模擬腳踝的運(yùn)動。圖8是a-PLI腿型的實(shí)物圖。

圖8：a-PLI腿型的實(shí)物圖

a-PLI腿型主要有四個小腿彎矩傳感器，三個大腿彎矩傳感器，膝部裝有5個傳感器，其中3個分別測量MCL、ACL 和PCL 的伸長量，另外還有一些不參與安全性能評價的傳感器。通過與完整人體假人的傷害值對比，a-PLI較Flex-PLI的生物仿真度有明顯提高，尤其對于大腿和MCL的改進(jìn)尤其顯著。
由于a-PLI上部增加了質(zhì)量塊，腿型上部動能大幅提高。該新腿型在與不同類型、不同結(jié)構(gòu)的車輛發(fā)生碰撞時運(yùn)動姿態(tài)各不相同，必須采用不同的剛度匹配策略來降低損傷值，這就對造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面帶來了全新挑戰(zhàn)。目前， 2021版C-NCAP規(guī)程以及最新的Euro-NCAP VRU試驗(yàn)規(guī)程 V9.0版(預(yù)計(jì)2023年開始實(shí)施)中已將a-PLI腿型作為其腿碰工況的沖擊器。
技術(shù)的發(fā)展是永無止境的，目前的a-PLI腿型（SBL-A）仍然有待研究和改進(jìn)。SBL-A與完整有限元假人相比，在運(yùn)動狀態(tài)上其彎曲和回彈程度更大。研究人員在SBL-A的上部質(zhì)量模塊中加入了兩個左右對稱的緩沖器（見圖9），用來吸收碰撞過程中大腿彎曲變形的能量，以減少大腿的彎曲和回彈程度。我們把這種改進(jìn)的腿型稱為第二代a-PLI腿型（SBL-B）。目前，SBL-B還處在研發(fā)測試過程中。

圖9：第二代a-PLI腿型上部質(zhì)量模塊中新增的緩沖器

4.3 PDI-2腿型沖擊器

目前，主動彈起式機(jī)罩在汽車行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，PDI-2腿型（見圖10）可以用來評估主動彈起式機(jī)罩系統(tǒng)的感知性能。由于PDI-2撞擊車輛前部時產(chǎn)生的侵入量、沖擊力、能量都比6歲兒童假人或5th女性假人更低，故其產(chǎn)生的壓力或加速度信號更難被車輛的傳感器準(zhǔn)確地探測和識別，因此Euro-NCAP、C-NCAP和C-IASI都選擇PDI-2作為其默認(rèn)的最難探知行人假人沖擊器(Hardest To Detect)。若車輛的主動彈起式機(jī)罩能夠在PDI-2的低門檻速度測試中正常感知到碰撞事件并按照預(yù)期將機(jī)罩彈起，那么在一定程度上能夠證明其主動彈起式機(jī)罩在多數(shù)應(yīng)用場景中能夠正常工作。
圖10：PDI-2腿型的實(shí)物圖和示意圖

05、結(jié)語

上汽乘用車智能安全試驗(yàn)室是國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進(jìn)的汽車安全試驗(yàn)室，擁有行人保護(hù)及零部件沖擊試驗(yàn)區(qū)、臺車模擬試驗(yàn)區(qū)、國內(nèi)唯一的主被動安全一體化試驗(yàn)區(qū)，總占地面積約20000平方米，總投資約2.3億元。行人保護(hù)及零部件沖擊試驗(yàn)區(qū)是智能安全試驗(yàn)室的重要組成部分，我們擁有Concept公司先進(jìn)的通用型行人保護(hù)試驗(yàn)臺架，同時配備了上述所有的行人保護(hù)頭型與腿型沖擊器，可以全面覆蓋國內(nèi)、歐洲、東南亞、拉美、日韓等主要市場地區(qū)（美國尚未實(shí)施行人保護(hù)法規(guī)）的行人保護(hù)研發(fā)和試驗(yàn)需求，為上汽自主品牌立足本土和走向世界保駕護(hù)航！
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