我国轿车侧面碰撞安全性的试验研究及其改进措施的分析

闲庭信步

中国汽车技术研究中心第9届学术交流会论文

我国轿车侧面碰撞安全性的试验研究及其改进措施的分析

汽车试验研究所  朱西产  李向荣

The Experiment Study on the Side Impact Safety in China

and Analysis of the Improving Measure

Automotive Test and Research Institute   Xi Chan ZHU   Xiang Rong LI

摘要：在我国道路交通环境中，道路路口以平面交叉为主。交通事故统计数据表明，侧面碰撞事故发生次数约占34.4%，位居第一。开展汽车侧面碰撞安全性研究工作对改善我国道路交通安全具有积极的意义。本文介绍了我国侧面碰撞试验能力的开发及三种国产轿车型的侧面碰撞试验结果，分析了这三种车型侧面碰撞安全性能存在的问题，并对改进措施进行了分析。

闲庭信步

　　我国汽车产品型式认证中将汽车的安全、排放、节能、防盗列为政府强制性检验项目。1999年10月颁布了CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》，2000年将汽车正面碰撞列入了40项强制性检验项目，要求新生产的M1类乘人客车2000年4月1日后满足正面碰撞乘员保护要求，在生产的M1类乘人客车到2002年7月1日前满足CMVDR294的要求。

　　在欧洲、美国、日本等汽车工业发达国家，已将正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞等常见的事故形态都列入了安全法规体系中。我国全国汽车标准化委员会也已将侧面碰撞标准的起草列入了2002年的工作计划中，参考ECER95.01版本起草我国的侧面碰撞乘员保护标准。汽车碰撞安全性技术涉及安全车身和乘员约束系统两大关键技术，目前国内对车身抗侧面碰撞安全性研究和侧面碰撞安全气囊技术都是空白，而技术准备需要相当长的周期，尤其是车身抗碰撞能力改进工作要改车身结构，技术难度很大。

　　我国汽车侧面碰撞法规的制订及汽车企业对轿车车型侧面碰撞安全性的改进都需要有能够满足法规要求的侧面碰撞试验能力的支持和侧面碰撞安全性改进措施的技术指导。为此，我们于2002年开始开发ECE R95法规的侧面碰撞试验能力，并通过一些在生产的国产轿车车型的侧面碰撞试验了解我国轿车车型的侧面碰撞安全性能，并针对试验中暴露出来的问题分析了改进措施。

1、侧面碰撞法规

　　目前国际上侧面碰撞法规还没有统一，主要有美国FMVSS 214和欧洲ECE R95两种侧面碰撞方式。美国是最早执行汽车侧面碰撞保护法规的国家，1990年10月FMVSS214在美国颁布执行；之后，在1995年10月，欧洲也制定了相应的汽车侧面碰撞法规ECER95，到1998年10月1日侧面碰撞的欧洲指令96/27/EC强制执行；日本的侧面碰撞法规采用了与欧洲相同的碰撞方式，1998年将侧面碰撞法规正式纳入日本保安基准。目前美国、欧洲现有的侧面碰撞试验方法存在较多的不同之处：①碰撞形态不同； ②移动壁障的台车质量、尺寸以及吸能块尺寸、形状、性能不同； ③试验用侧碰假人不同；④碰撞速度不同；⑤碰撞基准点的位置不同；⑥乘员伤害指标不同。侧面碰撞法规的国际协调化活动是目前IHRA的主要工作之一。

　　图1所示是FMVSS 214法规的侧面碰撞试验示意图，移动变形壁障（MDB）重1367kg，在驾驶员和驾驶员后排座位各安放一个SID假人，图2所示为SID假人。图3所示是ECE R95法规的侧面碰撞试验示意图，移动变形壁障（MDB）重950kg，在驾驶员座位安放一个EuroSID-1假人，图4所示为EuroSID-1假人。表1所示是两个法规的评价指标。目前侧面碰撞法规统一的协调化工作的重点是先统一侧面碰撞假人和伤害评价指标。欧洲ECE R95提出的02号修定草案中建议采用EuroSID-1的改进型ES2假人，ES2假人已经在欧洲、日本的NCAP安全性评价中被采用。另外一个侧面碰撞假人WorldSID也已经通过评价，这是目前唯一一个侧面碰撞生物保真性能满足ISO标准要求的侧面碰撞假人。将来全世界统一的侧面碰撞假人应该是WorldSID。

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2、ECE R95侧面碰撞试验能力的开发

　　本文的侧面碰撞试验依据欧洲ECER95的试验方法。试验场地要求平直、干燥和干净，侧碰假人安放在驾驶员座位上，被撞车辆垂直于牵引导轨静止停放在规定位置，如图5所示。试验时，移动变形壁障以50±1km/h的车速撞击汽车驾驶员侧侧面，距离撞击位置前0.5m处设有测速装置，脱钩装置保证移动变形壁障在距离被撞车1m时处于自由运动状态，要求保证MDB的跑偏量小于25mm。

表1 FMVSS214与ECER95评价指标的比较

内容		FMVSS214	ECER95
伤害位置	假人	SID	EuroSID-1
	头部	/	HPC（头部性能指标）≤1000
	胸部	TTI（胸部伤害指数） ≤85g(四门车)/90g（两门车）	RDC（肋骨变形）≤42mm 粘性指数V*C≤1.0m/s
	腹部	/	APF≤2.5KN(内力) （等于4.5KN的外力）
	盆骨	最大加速度≤130g	PSPF（耻骨接合力）≤6KN

2.1、MDB的开发

　　在侧面碰撞试验中，移动变形壁障作为“平均车”撞击被试车辆，如图6所示，它由移动台车、变形吸能块、制动系统三部分组成。移动变形壁障的设计有严格的质量和重心位置要求，吸能块采用多层蜂窝铝结构。

　　吸能块通过通风装置与移动台车安装在一起，通风装置的结构如图7所示。在安装吸能块时，先将吸能块与通风装置用铁丝固定在一起，再用螺栓将通风装置与移动台车前固定板联结在一起。安装时，需要注意的是：台车停放的地面要水平，检查台车轮胎气压是否一致，保证吸能块下表面距离地面的间隙为300±5mm。

移动变形壁障在碰撞后要求制动以防止发生二次碰撞，所以在移动台车上还必须安装制动系统。整个制动系统由一个单片机集中控制：采用带状开关触发电磁阀，保证在碰撞发生后一段时间后启动制动系统。电磁阀控制储气罐中的高压气体推动液压制动总泵工作，使各车轮制动器起作用。为了保证制动时不跑偏，需要进行制动试验，对各制动器的间隙进行调整，尽可能地使各车轮制动力保持一致。

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2.2、碰撞位置的定位及MDB跑偏量的测量

　　碰撞试验时，移动变形壁障左右对称平面与车辆上通过碰撞侧前座椅H点的横断面间的距离必须保证在±25mm内。如图8所示，试验前，在被撞侧车门上标出H点位置，过H点铅垂方向画出撞击基准线。在试验汽车停放位置, 保证试验汽车与牵引轨道垂直，通过调整试验汽车与移动变形壁障的相互位置，使撞击基准线与移动变形壁障对称中心线对齐，从而确定试验汽车的位置。发车前在MDB的中线上用水彩划线，碰撞中MDB中线会印在试验车车身上，从而测量侧面碰撞试验中MDB的跑偏量。

3、三种国产轿车车型侧面碰撞试验结果的分析

　　A车型是量重为1100kg的国产中型轿车，B车型是重量为1400kg的大型轿车，C车型是重量为900kg的紧凑型轿车。碰撞初速度为50.5km/h。表2所示为试验结果。MDB上轴向冲击加速度波形如图9所示，车辆中央通道上测量获得的横向冲击加速度波形如图10所示。

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3.1、法规要求的符合性分析

　　从表2的试验结果可见，三个车型都存在不符合法规要求的情况。

　　 A车型：门锁系统在碰撞中被全部锁死，碰撞后所有车门无法开启，将手伸入车内，将中控锁打开后未遭受撞击的右侧车门才能够打开，不符合法规要求。

　　B车型：不符合法规要求的直接原因是安全带失效，碰撞后假人被严重侵入的车门从司机侧座椅上挤出来，安全带上固定点脱落，试验后假人落在了副司机座椅上。

　　C车型：车身、约束系统都没有问题，但是假人的胸部伤害指标超过了限值。

3.2、各车型侧面碰撞试验结果的特征分析

　　对MDB和试验车的冲击加速度波形进行积分，可计算出碰撞过程中试验车和MDB的速度变化曲线和侵入量变化曲线。如图11、12、13所示为A、B、C车型侧面碰撞速度变化曲线。图14所示为三个车型MDB侵入量曲线。

　　表3列出了A、B、C三个车型的重量、碰撞中试验车最大车速、MDB最大侵入量的关系。

表3、三个车型的最大速度、最大侵入量（碰撞速度50.5 km/h）

车型	A	B	C
车重	1100 kg	1400 kg	900 kg
最大车速	6.5 m/s	5.6 m/s	8.6 m/s
最大侵入量	533 mm	631 mm	481 mm

从上述计算结果可以总结出下述特征：

　　碰撞中试验车的速度与试验车的质量成反比，被代表“平均车”的MDB碰撞后，试验车质量越大，碰撞后的速度越小。重量较大的车辆侧面碰撞中遭受的冲击较小。

　　碰撞中MDB的侵入量主要取决于车身侧围刚度。A、B、C三个车型中，C车型碰撞中的侵入量最小，B车型在碰撞中侧面结构发生坍塌，侵入量最大。C车型是较新的紧凑型轿车，其质量虽然小，但由于侧围刚度大侵入量却是三个车型中最小的；B车型是三个车型中车身结构最老的车型，侧面梁系结构存在缺陷，在侧面碰撞时B柱位置的车身地板、顶梁发生屈曲，无法抵抗侧面碰撞。

　　假人头部伤害指标HIC值与接触速度直接相关，重量小的C车型HIC最大；重量大的A、B车型HIC较小。从三个试验看，ECE R95法规的侧面碰撞中，假人头部伤害HIC一般不会超标。

　　假人胸部伤害指标与车辆侧围与假人的接触速度相关，C车型虽然侵入量较小，但是B柱在车身腰线位置产生了塑性铰，车门内板在假人胸部位置的侵入速度最大，并且由于C车型质量小，碰撞中试验车速度较大，造成了胸部伤害值超标。A车型下部刚部较小，大量的侵入变形集中在假人腰部以下，所以胸部伤害较小。

　　假人腰部和骨盆位置的耻骨接合力指标在ECE R95法规的侧面碰撞中均没有超标。但是由A车型下部刚部较小，大量的侵入变形集中在假人腰部以下，骨盆位置的碰撞力很大，耻骨接合力已经接近法规限值。

4、三种车型侧面碰撞安全性缺陷的分析

4.1、车身结构缺陷

　　B车型存在的问题是车身结构存在严重缺陷，该车型是国外70年代的老车型，在车身梁结构设计中完全没有考虑侧面碰撞安全性要求，车身上没有完整的侧面梁系结构，遭受侧面碰撞时B柱下方的车身地板、顶梁位置发生压溃变形，MBD侵入到乘员舱内，挤压司机座椅。表4所示为B车型碰撞前后司机座椅的变形量，碰撞中座椅侧面被挤压，坐垫位置的变形量达到260mm，碰撞后司机座椅宽度仅280mm，无法安全地容纳司机。根据人体尺寸，碰撞后座椅宽度不应小于400mm，才能够安全地容纳车内乘员免受挤压伤害。

表4、B车型侧面碰撞中驾驶员座椅的变形量

位置	碰撞前	碰撞后	变形量
坐垫中部宽度	540 mm	280 mm	260 mm
坐垫后部（臀部）宽度	470 mm	230 mm	240 mm
座椅靠背（腰部）宽度	540 mm	285 mm	255 mm

4.2、车门锁结构缺陷

　　A车型存在的问题是中控锁结构的联动，被撞击侧侧门的变形量很大，而车门锁的联动机构就在车门内板中，对车锁联动机构进行分析，必须确保在侧面碰撞中不能发生车门的联动锁止。

4.3、假人的胸部伤害

　　C车型存在的问题是假人胸部伤害指标超标。其主要原因如下：

　　质量较小的车型在侧面碰撞中试验车冲击后速度较大；

　　侧围刚度分布不合理，B柱在腰线位置产生了塑性铰，造成车门内板在假人胸部位置的侵入速度最大；

　　车门内板没有很好地软化，如果车门与假人接触的部位充分软化，吸收部分碰撞能量，也能减缓假人胸部的伤害。

5、改进措施的分析

　　从B车型的碰撞试验结果分析，70年代的老车型必须进行车身结构的改进才能达到ECE R95法规的侧面碰撞要求。这种车型在我国还普遍存在，有些甚至是目前市场上销售量相当大的主力车型。如果我国颁布实施侧面碰撞安全法规，这类车型面临淘汰。这类车型通过结构的小改动难以满足侧面碰撞法规要求。

　　从A车型的碰撞试验结果分析，国外80年代后期的大中型轿车只须进行较小的结构改进就能满足ECE R95法规的侧面碰撞要求。并且由于大中型轿车车辆重量较大，碰撞中由MDB传递给试验车的动能较小，试验车速度较小，一般假人伤害值不会超标。该类车型的侧面碰撞安全性改进从法规角度出发对侧面安全气囊没有需求，匹配安全气囊是为了满足市场需求。

C车型是比较典型的侧面碰撞安全性缺陷，对于小型轿车，由于其车辆重量较小，碰撞中由MDB传递给试验车的动能较大，试验车速度较大，一般存在假人伤害值超标的可能性。该类缺陷的改进有下述两条途径：

　　改进车身结构：消除B柱车身腰线部位的塑性铰，使车门侧向侵入变形下移，降低车门内板与假人胸部接触的速度，从而达到降低胸部伤害的目的。图15所示是该改进方案的原理图。

　　匹配侧面安全气囊：由于车身改进的工作量很大，而安全气囊已经被市场普遍接受，对于侧面碰撞的该类超标完全可以不做车身改进，匹配侧面安全气囊，通过胸部的侧面安全气囊，吸收车门内板与假人接触时的碰撞能量，缓和冲击，达到降低胸部伤害的目的。图16所示是目前普遍采用的侧面安全气囊，安装在座椅靠背上，胸部气囊用于保护胸部，使之达到ECE R95法规的侧面碰撞要求，头部气囊对ECE R95法规作用不大，主要用于侧面柱碰撞事故形态的头部保护。

参考文献：

[1]陈晓东。轿车侧面碰撞试验方法与计算机仿真技术研究。江苏大学博士学位论文，2003年3月。

[2]Tomohiko Ariyoshi. A CAE Application to Body Structure Development for Motor-vehicle Lateral Collision. TOYOTA Technical Review, Apr. 1997.

[3]Hisaaki Kato. Side Airbag System. TOYOTA Technical Review, Apr. 1997.

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疯疯无敌

楼主能不能弄个word文档，看起来方便

闲庭信步

疯疯无敌 发表于 2013-3-12 23:08
楼主能不能弄个word文档，看起来方便

这个帖子内容很散，有表格有图片，如果想保存到电脑你可以采用将网页保存为图片的方式。