行人碰撞法规1.pdf

1 行人头部保护和试验方法 行人头部保护和试验方法 朱海涛 李源 （中国汽车技术研究中心 天津 300162） 1 引言 1 引言 世界各汽车大国基本上都有汽车安全法规，如 美国是最早进行机动车安全性研究的国家，至今已 经拥有一整套详尽的安全法规。国情不同，汽车安 全性研究的侧重点也不同。 美国的道路设施比较好， 车、人混杂的路面少，车速比较高，发生事故时车 内乘员受到伤害的比例高，因此就比较注重乘员保 护方面。而欧洲由于汽车撞击行人的事故较多，则 比较注重行人保护， 例如欧共体指令 74/483/EEC 就 规定了检验汽车前部的行人安全性能的试验方法， 是目前较为系统的行人保护法规。 我国改革开放前， 交通事故的伤害主要在行人，改革开放后，道路设 施不断完善，高速公路不断伸延，乘员伤害的比例 不断上升。虽然行人伤害的比例有所下降，但行人 伤害的绝对人数却在迅速增加。在最近几年，安全 问题的重点逐步转移到路上弱势群体的保护上来， 而行人头部又是最容易受伤的部位之一，本文就行 人头部保护和试验方法进行介绍。 表 2 行人身体伤害区域分布表（AIS 2-6） 2 行人头部保护概述 2.1 2 行人头部保护概述 2.1 试验数据的分析试验数据的分析 在过去 40 年当中各国都进行了行人事故的分 析， 行人伤害的严重程度按照国际标准进行 AIS 分 级， 等级分类如表 1 所示 ， AIS 与假人头部伤害指 标关系见图 1。 AIS 损伤程度 0 无损伤 1 轻微损伤 2 中等损伤 3 较为严重的损伤（无生命危险） 4 严重损伤（有生命危险，但可活） 5 危险损伤（能否生存，不确定） 表 1 碰撞损伤程度分类 表 2 是行人身体伤害区域分布表， 从表中可以 看出，在行人伤害部位中，头部和下肢最容易受到 伤害，各占总行人伤害数量的 1/3，创伤呈“离心 性”分布：即四肢和颅面部创伤较多，而胸腹部创 伤相对较少，这可能与四肢及头颅位于身体外围， 易受到碰撞，而且其活动范围大，保护性动作较多 等因素有关。下肢的伤害多数引起行人的伤残，它 不会直接导致死亡，而头部导致行人死亡的概率比 较高，可见对行人头部的研究有很重要的意义。 图 1 AIS 与 HIC 关系曲线 2.22.2 碰撞形态分析碰撞形态分析 行人与车辆的碰撞是一个复杂的过程。汽车 碰撞行人时，碰撞力FC大于人体对地面的静摩擦力 Fj，由此使行人鞋底相对地面的突然运动产生的相 对滑动即： m p. dt dv =FC (2.1) f .m p.g=Fj (2.2) FCF j (2.3) 国家 身体区域 中国 （%） 欧洲 （%） 日本 （%） 美国 （%） 澳大利亚 （%） 头部 30.729.8 28.9 32.7 39.3 脸部 4.25.3 2.2 3.7 3.7 颈部 0.51.8 4.7 0.0 3.0 胸部 7.711.6 8.6 9.4 10.4 腹部 2.53.8 4.8 7.7 4.9 臀部 5.97.9 4.4 5.3 4.9 上肢 9.58.1 9.2 7.9 8.0 下肢 30.031.3 37.2 33.3 25.8 未知的 9.00.4 0.0 0.0 0.0 总计 100. 0 100. 0 100. 0 100. 0 100.0 2 式中：m p 行人的质量，f滚动阻力系数 此时下肢产生一个瞬时的前向加速度，腿部或 膝关节最先与保险杠接触，接着是大腿与发动机盖 的边缘相接触，然后是头部和上身躯干沿着人体纵 轴加速旋转 90o ， 直到臀部和胸部压到发动机盖上， 最后行人跌倒在地。整个过程持续 (100150) ms。 试验发现，大约 80%的碰撞面发生在头的侧面和后 面，极个别的在头的顶部，其它在头的正面。碰撞 过程中尽管人体上身进行了旋转，但头部的合成加 速度主要是线形加速度而非角加速度。 相对于车内乘客固定的位置，行人受撞击的部 位不同会造成完全不同的后果。碰撞中行人撞到车 上的速度和位置取决于一些参数，例如车的碰撞速 度、 形状、 车身高度和行人的身高和站立的位置等。 通过计算机的模拟和实验研究表明头部撞击到发动 机盖（或挡风玻璃）的速度和车辆碰撞速度之间有 如下关系： V HF =kv+b (2.4) 式(2.4)中v为车辆碰撞速度，V HF 为行人的碰撞速度，k,b 为常量。对于儿童，V HF 为v的 0.72 倍0.78 倍；对于成 人而言，V HF 为v的 0.7 倍1.4 倍。 由于车身变形时产生的 能量被头部吸收，所以头部的碰撞速度太高会导致行人的伤 亡。 上身的接触位置区域通过包络车身前结构的参 考线（WAD）来评估，保险杠和发动机盖前边缘相 对于行人的位置做如下定义： b= p b h h 或 e= p e h h (2.5) 其中(2.5)式中的b是保险杠的相对位置，hb 是保险杠 高度，hp行人高度，e是发动机盖边缘的相对位置，he是边 缘高度。 2.3 行人头部的生物力学分析 2.3 行人头部的生物力学分析 致命的头部伤害是由头发动机盖和头挡 风玻璃框架的碰撞引起的。目前汽车的发动机盖后 部、散热器格栅、发动机室内的刚性附件等都比较 硬。一般撞伤的形式表现为头骨骨折和脑伤害，包 括破裂、挫伤、脑震荡和血肿等。车辆前部撞击行 人头部时，产生三方面的受伤机制：集中的压力、 头骨的粘性载荷、头部的惯性载荷。当碰撞力超过 承受能力时，行人就会受到伤害。受伤的程度主要 与头部碰撞的位置和接触的面积有关。在角速度场 内，当头部受到惯性载荷时，头盖骨和脑部之间发 生相对运动，在头盖基内将产生一个很大的剪切力 导致脑伤害。头部的接触位置直接影响到碰撞力和 角加速度，从合成的碰撞响应中行人受到复杂的头 盖骨/脑部的伤害。表 3 为头盖骨/脑的承载能力。 表 3 头/脑承受的碰撞负载和响应 身体各部分 压力 （KN） 角加速度（=rad/s 2 ） 角速度(=rad/s) 参 考 头盖骨： 额骨 颧骨 颞下颌 顶骨 枕骨 上颌骨 下颚骨 3.69.0 0.52.9 5.12.5 6.4 2.04.2 0.83.4 Hodgson, 1971 Nahum et al. 1968 Allsop, 1991; SAE Nyquist et al. 1986 Schneider et al. 1972 1800 60-70 Ommaya et al. 1967 4500 50-70 Lwehiem, 1974 AIS2：1700 AIS3：3000 AIS4：3900 AIS5：4500 30 Ommaya, 1984 2000-3000 Advani et al. 1982 1700 32 Ewing, 1975 脑 16000 13600 25 48 APR, 1988 3 3 3 行人头部的试验方法行人头部的试验方法 目前， 世界不同国家和组织都有自己的对行人 头部保护评价的试验方法，其中影响较大的是欧洲 试验车委员会（EEVC） ，国际标准化组织（ISO） 和国际协调研究机构（IHRA） 。其差距主要体现在 头型尺寸、区域划分、撞击速度等的选择上（见表 4）, 但各个试验方法大体相同，这里仅以 IHRA 的 试验方法为例加以介绍。 表 4 EEVC,ISO,IHRA 头块试验条件的比对 EEVC/WG17（1998） ISO/TC22/SC10/WG2 IHRA/PS/WG 儿童头块 碰撞质量 2.5 kg 3.5 kg 3.5 kg 惯量力矩 0.00360.0003kgm 2 0.01 0.005 kg m 2 0.0151 kg m 2 碰撞速度 40 km/h 40 km/h 3050 km/h 碰撞角度 50o 54o 讨论中 包络距离（WAD） 10001500 10001500 9001400 过渡带 没有定义 1500 WAD 2100 1400 WAD 1700 成人头块 碰撞质量 4.8 kg 4.5 kg 4.5 kg 惯量力矩 0.01250.0010kgm 2 没有定义 0.0239 kgm 2 碰撞速度 40km/h 2100（不超出W/S 框架） 17002400（不超出W/S 框架） 过渡带 没有定义 1500 WAD 2100 1400 WAD 1700 成人头块：成人头块： 3.13.1 定义定义 3.1.13.1.1 标准行车状态 试验车以行车状态置于试验场地，轮胎气压 达到规定范围，前轮处于正直，维持车辆运行的 所有工作液体处于最大容积（按车辆制造商提供 的参数） ，将一个 50 百分位的成年假人或等质量 的载荷放置在驾驶员位置，同时在前排成员位置 上也放置同样的假人，车辆悬架处于正常行车状 态（尤其对主动式悬架或自动调平的车辆） 。 3.1.23.1.2 地面参考面 图 2 头部碰撞测试方法示意图 假设有一水平面， 它可能是现实的或想象的， 当车辆处于行车状态时，该平面通过车辆所有轮 胎的接触点，如果车辆静止在地面上，这时地平 面与参考面相重合，如果将车抬升使保险杠下有 较大的空间，这时参考面在地平面的上面。 3.1.33.1.3 前面结构 前面的外部结构包括发动机盖上表面和翼板 （外部挡泥板） ，天窗（通风顶蓬） ，A 柱和车身 顶部，它在前后参考线范围内，这些参考线在 3.1.4.1 和 3.1.4.2 中定义，侧面参考线在 3.1.5 和 3.1.6 中定义。 3.1.43.1.4 包络参考线 3.1.4.13.1.4.1 前参考线（FL） 当试验车处于行车状态时，用一把柔性卷尺 紧贴车身表面绕过车身的前面结构和保险杠，该 卷尺用来描述车身前面结构，它被放置在竖直的 纵向平面上，在操作过程中始终将卷尺的一端与 地平面接触，垂直于参考平面并紧贴保险杠的前 表面，另一端与车身前表面相接触，沿着卷尺几 何轨迹，在 1400mm处即为前参考线的位置。 3.1.4.2 3.1.4.2 后参考线（RL） 2400mm 位置处的包络参考线确定步骤与 FL 相似（见图 3A） 。对于小型车，外罩周围的任 何点到后挡风玻璃参考线 （在3.1.7.1中有所定义） 的距离都小于 2400mm，这时将挡风玻璃后参考 线将作为后参考线（见图 3B） 。对于车身较高的 4 车，到后参考线的包络距离超出了垂直限制参考 线，垂直限制参考线在 3.1.7.2 中定义，此时将垂 直限制参考线作为后参考线（见图 3C） 。 3.1.53.1.5 发动机盖后参考线（BRL） 用一个直径为 165mm 的球置于发动机顶盖 和挡风玻璃之间的区域，并保持与风挡和发动机 盖的接触横向滚过，球与发动机盖最后面接触点 的几何轨迹（见图 4A） 。 3.1.63.1.6 至 BRL的车身前部侧参考线（SL） 一条直尺与车身前结构侧面最高接触点 图 3A FL，RL，RWL的定义 的几何轨迹。首先该直尺与车辆的侧面垂直 面保持平行，在以 45倾角向内倾斜，横靠到车 身前侧面，保持与车身壳体相接触（见图 4B） 。 注：BRL 之外的侧参考线的定义与此相同（见图4C） 。 3.1.73.1.7 其它参考线 3.1.7.13.1.7.1 挡风玻璃后参考线（RWL） 挡风玻璃后参考线定义为用直尺与挡风玻璃 上沿框架接触点的几何轨迹，此直尺平行于车辆 的纵垂直面，向后倾斜 75，与玻璃上沿框架相 切（见图 3A） 。 3.1.7.23.1.7.2 垂直限制参考线（VLL） 垂直限制参考线为1900mm高度处的参考线 （见图 3C） 。 图 3B 小型车 FL，RWL的定义 图 3C 高车（车身较高）FL，RL，VLL的定 义 图 4A 发动机盖后参考线（BRL）定义 图 4B 车身前结构的侧参考线定义（在 BRL内） 图 4C 车身前结构的侧参考线定义（在 BRL外） 3.1.83.1.8 目标点 它是头块纵轴投影与车辆的交点。 3.1.93.1.9 碰撞点 头块与车辆的实际第一接触点的位置， 它与 目标点的接近度、 头块飞行角度和车身轮廓有关， 5 图 5 中的 B 点。 注： A目标点， B碰撞点 图 5 目标点和碰撞点 3.1.103.1.10 头部伤害指标 HIC 是通过加速度-时间历程合成而来，其 公式为： HIC=)( 1 12 5 . 2 12 2 1 ttadt tt t t 式中：a 为合成加速度，用重力加速度的g 的倍数表示； t1 和 t2 为两个时刻（以秒为单位） ，表示记录开始与记 录结束两个时刻之间的某一段时间间隔， 在该时间间隔内 HIC 为最大。 3.23.2 试验设备试验设备 3.2.13.2.1 试验场所 该场所要求平整，光滑，坚硬且坡度不超过 1。 3.2.23.2.2 头部冲击块 在第 3.3 节有所描述，如图6 中所示。 图 6 头部冲击块 3.2.3 3.2.3 试验车 乘用车 3.33.3 试验必需品试验必需品 3.3.13.3.1 头部冲击块 3.3.1.13.3.1.1 尺寸和质量 头部冲击块的接触面必须是球形的，其直径 为 165 mm(见图 6)，重量为 4.50.1 kg。通过重 心轴线且垂直于碰撞方向的惯性力矩的变化范围 在 0.0075 kgm2 0.0200 kgm2 之间。头部冲击块 （包括仪器）的重心位于球体的几何中心，其公 差为2 mm。 3.3.1.2 3.3.1.2 仪器 在球体内（凹进处）装一个三向或三个单向 的加速度传感器。从球心在测量轴方向上的位置 公差不超过10 mm, 在测量轴垂直方向上的位 置公差不超过1 mm。 仪器的通道频率等级CFC 响应值为 1000， 它在 ISO6487： 1987 中有所定义。 通道幅值等级 CAC 的响应值为 500 g 与 ISO6487：1987 中一致。 3.3.1.33.3.1.3 最初固有自然频率 头部冲击块的最初固有自然频率超过 5000Hz。 3.3.23.3.2 头部冲击块的驱动（驱动装置见图 7） 碰撞瞬间头部冲击块将会以需要的碰撞速度 （见 3.5.2）和碰撞角度（见 3.5.3 和 3.5.4）在离 试验车一定的距离处自由飞行，该位置确保在碰 撞反弹期间，头部冲击块与驱动系统接触不影响 测试结果。头块的驱动方法由测试机构决定。 图 7 头部冲击块驱动装置 3.3.3 3.3.3 头部冲击块的标定 在附件A 中规定了头部冲击块的标定程序， 在以下情况出现时， 必须重新标定： 头部冲击块 已完成 20 次冲击， 距离上次标定时间超过一年或 传感器的输出量在任一次碰撞中超出通道幅值等 级 CAC 量程。 3.3.43.3.4 温度和湿度条件 在碰撞时头部冲击块的恒定温度应保持在 20C4C。 在试验前最少放置 4 h， 使其相对 湿度在 1070之间。 （待续） 6 3.3.5 3.3.5 头部冲击块的后表面 头部冲击块的外部平面垂直于其运动方向并 与其中的一个加速传感器轴线垂直，这个表面也 通常是平滑的金属板，作为拆装传感器的通道， 并作为和驱动系统的连接。 3.4 3.4 试验车辆的准备试验车辆的准备 3.4.1 3.4.1 无论是整车还是车身，调整到下面的状 态下进行试验。所有与行人头部碰撞有关的车身 的结构和零部件都必须如实安装。 3.4.23.4.2 应使用驻车制动装置或将车身牢固固 定。 3.4.33.4.3 试验前预留充足的时间使车辆所有的零 件温度稳定。 3.53.5 测试条件测试条件 3.5.13.5.1 气压条件 试验时应该测试相对温度和湿度，在测试报 告中应有所记录。 3.5.23.5.2 碰撞速度 碰撞时头块的速度由选定的试验车的碰撞速 度（30，40 或 50km/h） 、试验车的外形类别和选 择的测试点来决定（见图 8 和表 5） 。 图 8 车辆前部轮廓分类 3.5.3 碰撞方向 碰撞方向在被测车辆纵向竖直面内，公差为 2，与车辆前部结构的碰撞方向为后下方。 3.5.43.5.4 碰撞角度 碰撞时，头部冲击块速度矢量与水平面所成 的角度、选择的碰撞速度（30，40 或 50km/h） 、 车辆的外形和测试点位置的选择有关。（表 5 和表 6） 3.5.53.5.5 碰撞点 3.5.5.13.5.5.1 测试在车身前结构分界线内进行(前面 结构在章节 3.1.3 中有所定义)，从前结构到发动 机盖后参考线范围内的测试中， 在最初接触时刻， 头部冲击块的中心在侧参考线内的最小值为 82.5 mm；在超出发动机盖后参考线的测试中，头部 冲击块的中心在碰撞推荐线内（见图 9）的最小 值为 0mm。 图 9 （IRL） 3.5.5.23.5.5.2 测试点的选择在报告中有所说明。 表 5 车辆前部外形定义 轿车+轻型车+运动车 Lower Middle Upper BL (mm) BCH (mm) LEH (mm) Bon.length (mm) Bon.angle (deg.) Win.angle (deg.) 127.00 435.00 565.00 1200.00 11.00 29.00 127.00 475.50 702.00 917.50 14.50 34.50 127.00 516.00 839.00 635.00 18.00 40.00 Bottom depth(mm) Bottom hight(mm) 42.00 182.00 98.00 225.50 154.00 269.00 SUV Lower Middle Upper BL (mm) BCH (mm) LEH (mm) Bon.length (mm) Bon.angle (deg.) Win.angle (deg.) 195.00 544.00 832.00 1023.00 11.00 36.00 195.00 640.00 1000.00 933.50 9.75 39.50 195.00 736.00 1168.00 844.00 8.50 43.00 Bottom degth (mm) Bottom hight (mm) 48.00 248.00 123.00 348.00 198.00 448.00 厢式汽车 Lower Middle Upper BL (mm) BCH (mm) LEH (mm) Bon.length (m m) Bon.angle (deg.) Win.angle (deg.) 188.00 448.00 864.00 361.00 40.00 30.00 188.00 576.00 1004.00 259.00 40.00 38.00 188.00 704.00 1144.00 157.00 40.00 46.00 Bottom depth (mm) Bottom hight (mm) 63.00 214.00 95.00 292.50 127.00 371.00 注： BL-the measuring points for the bumper lead ， 7 BCH-bumper center height ， LEH-leading edge height, Bon.length-bonnet length，Bon.angle-bonnet angle. 3.6 3.6 测试结果的记录测试结果的记录 应按照 ISO6487 的要求获得数据。 3.6.13.6.1 头部冲击块的数据 在碰撞前自由飞行阶段，为了与 ISO3784 中 所列的方法保持一致，头部冲击块在某些点的速 度需要测量，其精确度为0.01m/s。考虑到在测 量点和碰撞点之间所有影响冲击块在碰撞时产生 碰撞速度的因素、测量的速度应该有所调整，在 碰撞时应该计算和测量出速度的矢量角。 3.6.1.13.6.1.1 应该记录加速度-时间历程和计算 HIC 的值。 3.6.23.6.2 限值 测量成人头块与车身前结构数据时，头部伤 害指标HIC从头部加速度-时间历程的合成得出， 其值不应该超过 1000，与 3.1.10 保持一致。 儿童头块：儿童头块： 儿童头块的试验方法与成人头块的试验方法 大致相同,它们的主要差别如下: ? 儿童头块重 3.50.07kg，而成人头块重 4.50.1kg。 ? 儿童头块的碰撞区域范围与成人头块的碰 撞区域范围有所不同,差别见表 4。 ? 儿童头块与成人头块碰撞速度和碰撞角度 的区别见表 6 和表 7，示意图 10 和 11。 表 6 成人头块试验条件（碰撞速度和碰撞角度） 车辆碰撞速度30 km/h 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 车辆类型 发动机盖 挡风玻璃 格栅 发动机盖 挡风玻璃 格栅 轿车+ SUV 厢式车 23.76.0 26.43.6 nc 27.35.4 nc 20.43.6 nc nc nc 78.35.6 73.821.5 nc 48.89.9 nc 55.110.4 nc nc nc 车辆碰撞速度40 km/h 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 车辆 类型 发动机盖 挡风玻璃 格栅 发动机盖 挡风玻璃 格栅 轿车+ SUV 厢式车 30.47.2 30.88.8 nc 35.26.8 nc 29.63.2 nc nc nc 66.014.0 76.722.2 nc 38.410.9 nc 47.39.6 nc nc nc 车辆碰撞速度 50km/h 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 车辆 类型 发动机盖 挡风玻璃 格栅 发动机盖 挡风玻璃 格栅 轿车+ SUV 厢式车 37.59.5 39.511.0 nc 46.511.0 nc 43.06.0 nc nc nc 56.811.5 73.525.2 nc 33.511.3 nc 38.412.3 nc nc nc 注：nc 表示没有接触 表 7 儿童头块试验条件（碰撞速度和碰撞角度） 车辆碰撞速度30km/h 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 车辆 类型 发动机盖 挡风玻璃 格栅 发动机盖 挡风玻璃 格栅 轿车+ SUV 厢式车 21.63.0 21.31.2 20.10.6 nc nc nc nc 21.36.0 21.95.1 65.10.8 55.65.5 47.52.8 nc nc nc nc 26.07.5 20.38.0 车辆碰撞速度40km/h 车身 类型 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 8 发动机盖 挡风玻璃 格栅 发动机盖 挡风玻璃 格栅 轿车+ SUV 厢式车 30.04.0 27.21.6 27.61.8 nc nc nc nc nc nc 66.06.3 59.22.6 49.81.8 nc nc nc nc 22.54.2 17.46.1 车辆碰撞速度50km/h 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（deg.) 车身 类型