汽车正面碰撞中乘员的胸部伤害分析.docx

乘员的胸部伤害分析朱海涛 ， 孙振东 ，白鹏，吕恒绪（中国汽车技术研究中心， 天津300162）摘 要 ： 胸 部是交通事故中常见的损伤部位 。 通过对影响胸部伤害的因素进行全面的分析 ， 可总结出减少胸部伤害的措 施 ， 并 加 以 改 进 。 该改进方法已被实例证实 ， 具有一定的可行性 。关 键 词 ： 胸 部 伤 害 ； 前 端 碰 撞 结 构 ； 安 全 带 改 进中 图 分 类 号 ： U491.3文 献 标 识 码 ： A文 章 编 号 ： 1002-4786（2009）06-0023-06DOI： 10.3869j.1002-4786.2009.06.053PassengerChestInjuryAnalysisin Vehicle Frontal ImpactZHU Hai-tao， SUN Zhen-dong， BAI Peng， LU咬 Heng-xu（China Automotive Technology and Research Center， Tianjin 300162， China）Abstract： Chest is the common trauma part in traffic accident. The influence factors ofjury are analyzed in all-round way， and the relating measures to reduce the chest damagechest in-aresum-marized to improve these. TheKey words： chest injury；validated improved methods prove a certain offeasibility.front impact configuration；belt optimization引言胸部损伤是交通事故中比较常见的一种受伤类1小腿59.5%头部87.80%大腿85%型。 碰撞产生的挤压力会造成胸部与方向盘、安全带和空气囊之间的钝性冲击力，这是造成胸部伤害颈部95.50%胸部49.80%的主要原因。 目前还没有完善的装置来保护胸部。图1100%RB试验中各部位得分比20062007 年的C-NCAP 测试中，各类汽车在此项小腿79.34%头部97.11%目上的得分比情况为： 100%刚性壁障（RB）碰撞试验中胸部得分比为49.85%（参见图1）； 40%偏置变 形壁障（ODB）试验中胸部得分比为71.07%（参见图2）。在图1、 图2所示两种类型的正面碰撞试验中， 胸部的得分比均是人体各部位得分中最低的， 也就 是说， 胸部是最容易失分的部位。 目前， 星级评价大腿91.41%胸部71.07%图240%ODB试验中各部位得分比车型在此项目上也很难获得满分， 可见车辆在对乘 员胸部的保护上自身还存在严重的不足 。 究其原低的车型很多在此项上获得零分，而星级评价高的因， 主要是随着汽车安全气囊 、安全带的普及使TRANSPORT STANDARDIZATION 1 HALF OF JUN.，2009（No.198）23汽车正面碰撞中交 通 标 准 化交TRAFFIC AND SAFETY用， 乘员的头部、颈部都已经可以得到很好的保害之间的关系（见文献1 ）。 在曲线的中段，粘性护， 而对于胸部的保护还没有引起汽车厂家的足够指标与损伤具有很好的线性关系， 但曲线头端和尾重 视 ，这与我国目前的正面碰撞法规GB 11551 -端的损伤分数分别趋近于1分和5分，伤分数间的相关性明显变差。 此时，粘性标准与损如果假设它们2003中对胸部的要求过低有关。此法规对胸部的要求为：胸部的压缩位移量小于75mm。从目前通过间仍有线性相关关系，那么当损伤分数为1 分时，法规认证的车型看， 只要乘员约束（主要指安全带）按线性相关关系即可计算出一个相应的粘性标准的系统正常工作，几乎所有的车型都能通过胸部的考数值。 但当撞击速度逐渐减小时，变形速度也逐渐核，因而一些低成本的国产车主要将改进头部的伤减小， 为保持粘性标准值不变，压缩响应就需逐渐害指标作为车辆被动安全性能的改进目标。 现行法规对胸部安全的要求过低不利于乘员胸部的保护， 因此制定更高要求的标准势在必行， CNCAP的产 生即填补了这一空缺。 某些车型即使能够在此项上 很好地满足法规要求， 但在CNCAP的评价中也有 可能得零分， 可见推行C-NCAP评价体系对车辆安 全性能的改进具有积极的意义。增大甚至超过100%， 这显然与事实不符。其原因可能与损伤形式的变化有关，可见运用粘性伤害指数对正面碰撞胸部伤害的评估具有一定的局限性。6543210胸部损伤机理和评价方法胸部损伤机理22.10123456粘性标准（m/s）图3胸部粘性标准与AIS伤害之间的关系在低速碰撞时，胸部获得碰撞能量并发生变形运动， 这种胸部的变形过程表现出粘弹性特点， 随着胸部变形速度的增加， 阻尼结构产生的阻力明显 增大， 也就是说， 外力所做功的较大比例将消耗在 阻尼结构的压缩变形上， 这时胸部主要受到的是一 种“挤压型”损伤； 而在高速碰撞时胸部的这种变形 运动不仅会导致自身的损伤， 还可将能量以应力波 的形式向体内传播， 引起胸内脏器的损伤， 这时胸 部伤害主要是因受到较大的加速度而引起的“冲击在US-NCAP 新车星级评定程序中 ，通过使用头部与胸部的组合损伤概率来评定胸部伤害， 其评定公式为：PCOMB=PHEAD+PCHEST-PHEADPCHEST（2）= 1 其中PHEAD1+exp（5.02-0.00351HIC36）1PCHEST=1+exp（5.55-0.0693CHEST G）从式（2）能够看出， PCOMB与胸部的合成加速度型”损伤。胸部基体的结构特性和生物学上的结构累积3ms损伤值有关，部3MSG值来评定的。即胸部的伤害概率是通过胸特性影响到这两种损伤之间的相关性。胸部伤害的评价方法在正面碰撞过程中胸部主要受到以上两种形式 的伤害， 因此在EURO-NCAP正面碰撞试验中对胸2.2在C-NCAP正面碰撞试验中，对胸部的评价运用如下两个指标 ： 压缩变形量和连续3ms 加 速 度值。 表1为胸部在C-NCAP评分标准中的具体要求， 其 中3ms 加速度值不是简单地建立在最 大 值 基 础 上， 而是建立在可承受的线性加速度水平上。 通过部伤害程度的评价主要有两个指标，变形量和胸部的粘性伤害指数。即胸部的压缩粘性伤害指数就是变形量相对于时间的变 化率， 它是由瞬时变形速度和压缩响应的乘积而得的 时间函数， 其表达式如下：大量的试验数据分析和比较后发现，这两个指标能够很好地、全面地对现有国内交通状况条件下车辆发生碰撞时， 对乘客胸部伤害特点进行评价。表1C-NCAP胸 部 评 分 表! dtSZdD（t）D（t）VC=max（1）在正面式中，D（t）为变形量； SZ为规定尺寸，碰撞中为胸部的初始厚度。粘性指标在评价胸部受到冲击损伤时具有一定的局限性，图3通过试验得出胸部粘性标准与AIS伤AIS（分）TRANSPORT STANDARDIZATION 1 HALF OF JUN.，2009（No.198）测量部位评价指标高性能限值低性能限值胸部压缩变形量22mm50mm3ms合成加速度38g60g24通 与 安 全 2009 年 6 月上半月刊（总第 198 期）交 通 标 准 化交TRAFFIC AND SAFETY基 于C-NCAP试验中影响胸部伤害指标的因素 3时间（ms）原车型改进车型60及相应的改进措施研究0-5 0-10-15-20-25-30-35-40-452040801003.1车辆碰撞结构的影响及改进方法分析车辆碰撞结构的设计是否科学直接影响到整个车辆安全性能的好坏， 如果吸能结构不合理， 能量就不能通过有效的传导途径进行分布， 碰撞发生时就会有相当的碰撞能量被车内乘员吸收。又由于胸图5改进前后车辆碰撞结构的加速度对比部是人体接触面的最大区域之一 ，多， 相应的伤害指标也就会越大。在C-NCAP胸部的评价指标中，吸收的能量越由图5可以看出，改进后的加速度波形符合典受这种机械结型的双阶加速度的设想要求。 图6是在不改变乘员约束系统和试验假人以及相应试验设计的前提下测 得的乘员胸部加速度， 可见改变结构后乘员的胸部3msG值有较为明显的改善。构设计影响最大的还是胸部的3msG加速度值，而如何降低加速度值首先还要从车辆的前端碰撞结构来分析。对于正面100RB碰撞，整个的变形吸能区域主要分为三个部分：车辆的保险杠与发动机前改进前胸部3msG值改进后胸部3msG值端的吸能区（a1区）、发动机与防火墙之间的吸能区454035302520151050（a2区）以及防火墙与地板之间的吸能区（a2+区）；而在40ODB试验中， 左前轮胎及A柱周围相应区域也能够吸收部分碰撞能量。这种碰撞结构的好坏主要是通过车身的碰撞加速度值来衡量， 较为理想的碰撞加速度波形是前端高抬， 中间有所回落， 而尾 端有限制性升高并呈平坦特性。 文献24中提出020406080时间（ms）100120140图6改进前后乘员胸部3msG值一种双阶加速度波形，其中第一阶的加速度从碰撞由此可见， 基于这种“双阶加速度法”来指导车辆前端碰撞结构设计是可行的， 尤其是显著抬高第 一阶的加速度峰值， 也就是使车辆的保险杠与发动开始到发动机前部空间被完全压溃， 第二阶加速度为发动机开始碰撞直至碰撞结束。 图4是这种等效 双梯形波与实车碰撞波形间的相互关系图。Time（ms）机的前端吸收尽可能多的能量，降低发动机与防火墙构件之间的碰撞峰值， 如果车辆的乘员仓空间允许， 可以很好地利用防火墙与地板之间的吸能区来 吸 收 能 量 ， 这将有助于胸部指标 的 进 一 步 改 善 ，O t1t2t3t4t5t6t7fFAaV1V3cV2HCBa1G特别是使加速度值有所降低。但在增加防火墙侵入bDa2E量来吸能时， 可能会增加下肢的伤害风险， 因此在利用此区域吸能时要根据实际车型的具体情况而 定。ed发动机碰撞导致第二台阶 图4等效双梯形波与实车碰撞波形间的相互关系图4 中， t1、t2、t3、t4、t5、t6 为双梯形波上特征点A、乘员约束系统匹 配影响及相应的改进方法分 3.2析B、C、D、E、F 所对应的时间点 ，它们与实车碰撞减 速度波形上a、b、c、d、e、f 相对应。将这种加速度的乘员约束系统主要包括安全带、安全气囊及乘时间历程设为指导整车概念设计的目标量值：在保员座椅等。 安全带对胸部指标的影响最大，它对胸证相同约束空间的前提下，抬高起始a1的加速度水部总的保护原则是： 在碰撞发生时尽早约束乘客，平和降低第二阶加速度a2水平，伤害指标。有利于降低乘员的同时减轻对乘客胸部的压力。 调查显示，安全带与胸部间由于衣物作用在夏季大约有40mm90mm 的基于上述理论，进行了分析和改进。曲线见图5。笔者对某车型的前端碰撞结构改进前后的车身加速度-时间间隙，在冬季大约有40mm120mm的间隙。碰撞发生时乘员胸部的加速度值与安全带的松弛量呈线性增长， 如果能够减少胸部与织带之间的松弛量就能Acceleration（g）加速度（g）胸部3ms加速度（g）TRANSPORT STANDARDIZATION 1 HALF OF JUN.，2009（No.198）25 2009 年 6 月上半月刊（总第 198 期）通 与 安 全交 通 标 准 化交TRAFFIC AND SAFETY有效减小胸部的加速度值，而减小安全带松弛量最应的3ms加速度值见图8。好的方法就是预张紧器的使用， 它能够在碰撞初始908070605040302010078%76%阶段有效地消除这种间隙而约束乘客，与普通卷收器相比对胸部3ms加速度值有明显的改进；要减少胸部压缩量就必须减轻胸部压力， 最直接、 最有效的方法是安全带限力器的使用， 通过它来改善安全带的吸能特性， 对乘员施加比较均匀的约束力，但无预张紧卷收预张紧锁扣预张紧 卷收器锁扣预张紧图7四种预紧器模型RDE对比图这会增加胸部向前的移动量，两种矛盾之间必然会4.0存在一个最佳的均衡点。 以下进行具体分析。3.5普通三点式安全带对胸部指标的影响普通的三点式安全带对腰部的约束很强，3.2.13.0一般2.5情况下腰带的张力要大于肩带的张力， 这样会使乘员的腰部位移很小， 这对人体下部保护是有利的，但是由于安全带肩带与乘员胸部间的间隙不可避免2.05.56.57.58.5Ride-dowm能效比（%）RDE与胸部加速度关系RDE与胸部加速度之间成反向趋图8由图8可见，的存在，胸部在惯性力作用下会产生剧烈的旋转运动， 乘员的大部分动能分布在上躯干， 增加了对胸部的伤害。势， 即RDE越大， 胸部的加速度值就会越小。通过以上分析可知， 如果单纯从改善胸部加速具有不同预紧形式的安全带对胸部伤害指度角度而言， 锁扣预紧器是最为理想的，它的优点3.2.2标的影响安全带最为常见的预紧方式有卷收器预紧和锁是可以在预紧阶段同时收紧腰带和肩带。 但在实际应用过程中， 却发现在其限力阶段， 预紧后的锁扣 会被拉出一点， 导致腰带不稳， 特别是在40%碰撞扣预紧。不同形式的预紧器对于减少胸部的伤害程度会有很大的差异，析： 在碰撞过程中，这可以从能量的角度加以分乘员的动能量密度e可分解成时不能良好地限制假人向车门一侧移动的趋势，因此锁扣一般不单独使用， 而是结合卷收器预张紧共同作用。Ride-down 能量密度erd和约束系统能量密度ers， 且：e= 乙x咬 0dx0= 乙x咬 0d（xv+xo /v）= 乙x咬 0dxv+ 乙x咬 0dxo /v=erd+ers具有不同限力级别的安全带对胸部伤害指3.2.3标的影响限力器在减小胸部压缩量的同时增加了胸部的erd= 乙x咬 0dxv，ers= 乙x咬 0dxo /v（3）x0为乘前向位移量，如何最大限度地利用有限的前向空间式中， xv为车辆在惯性坐标中的位移；成为选用限力器的核心问题，下面从运动学的角度员在惯性坐标中的位移； xo/v 是乘员与车辆之间的相对位移； x咬 0为乘员的胸部加速度。加以分析。意图。图9为碰撞发生时，乘员胸部的运动示乘员的Ride-down效率（RDE）（见文献6、9）为：（RDE）=erdmax /0.5V02（4）式中， V0为车辆的碰撞初速度。乘员的RDE高，表明约束系统与车身变形特性（crash pulse）的匹配较好，使约束系统变形所吸收图9乘员胸部运动示意图的能量减小， 降低了约束系统作用在胸部上的载荷。 图7是四种具有不同预紧器模型的安全带在C假定车辆在碰撞过程中，其变形状况不受假人NCAP为40ODB 试验中对应的RDE 对比情况。由的影响（也就是车辆的质量远远大于假人的质量），同时不考虑车辆内部空间的侵入量， 则胸部可以利 用的前向空间可以表示为：该图可知，锁扣预紧器的RDE最高，而没有预紧器的普通安全带效果最差， 四种形式的预紧器RDE对百分比（%）3ms加速度G值TRANSPORT STANDARDIZATION 1 HALF OF JUN.，2009（No.198）2674%59%通 与 安 全 2009 年 6 月上半月刊（总第 198 期）交 通 标 准 化交TRAFFIC AND SAFETY此针对此车型选择了4kN的限力器来改善安全带的吸能特性。 另外， 由于锁扣预紧器在国内使用较SavailableSinterior total+Sv（thorax rebound） -Sthorax（tstart）（5）式（5）中，Sinterior total 为胸部到转向管柱中心的最大距离；Sv（thorax rebound）为车辆从碰撞开始到胸部回弹少， 相对于卷收器预紧器成本较高，故本文基于成期间的绝对位移；Sthorax（tstart）为安全带限力延缓阶段本考虑， 只在卷收器上加装预紧功能，消除了卷收胸部加速度值达到瞬时恒定值时胸部的前向位移量（见图10）。器在锁紧过程中织带的拉出量， 以此来改善乘员的约束情况。试验结果如图12图18所示。 图12是改进前后 车辆实际加速度曲线图， 由此可知加速度的峰值与 走势大致一致， 因此试验结果具有较高的可靠性。车 辆 位 移转 向 车 辆 位 移转 向图13和图14是安全带负载曲线图，改进后的安全带由于预紧功能的负载时刻有所提前，同时吸能特性变 得 更 加 均 匀 平 缓 ，而且肩带的峰值限定在4kN时间瞬时恒定值时胸部的前向位移量左右， 与设定的结果基本一致。 从图15和图16可以图10根据图10， 乘员胸部的动能E（tstart）为：看出， 预紧器有效地降低了胸部加 速 度 ，而 限 力器对于减少胸部压缩量（见图17 和图18） 也发挥 了重 要 的 作 用 ， 且 改 进 后 的 胸 部 得 分 由原先的1.48分提高到3.56分（见表2）， 改进的效果比较理想。100-10-20-30-40-50-602=mE（tstart）=1/2mthoraxvthoraxthorax const reqa s（6）式中， sreq 为整个碰撞过程中乘员胸部实际所需的前向空间； aconst为限力延缓阶段胸部的瞬时恒 定加速度。根据式（6）有：sreqvthoraxconst2 2a（7）能够充分比较式（5）和式（7），当Savailablesreq时，利用胸部前向空间时又最大限度地降低安全带限力级别；当Savailablesreq时，说明还可通过牺牲前向空间来降低图12安全带限力级别， 故限力器的功能没有最大限度的543210-1利用。 可见，确保S是设计和选择安全带savailablereq限力参数的最优方案。60504030201000.00由 于 胸 部 撞 到 转 向 管柱 上 而 引 起 的 加 速 度Time（ms）安全带负载（肩带）图1330.0060.0090.00时间（ms）120.00150.001086420-2当Savailablesreq时， 胸部加速度指标变化曲线图11RB试验结果分析根据上述分析， 在不改变车辆碰撞结构的基础3.2.4上， 本文对原型车的安全带进行了改进。原车型使用的是普通三点式安全带， 本文在原有安全带系统基础上加装限力器， 通过试验分析和理论计算发Time（ms）安全带负载（腰带）现：当级别为4kN时，刚好能够满足Savailablesreq，因图14胸部3ms加速度G值（g）位移量Force（kN）Acc.（g）Force（kN）020406080100120140160180200220240260280300320340020406080100120140160180200220240260280300320340020406080100120140160180200220240260280300320340TRANSPORT STANDARDIZATION 1 HALF OF JUN.，2009（No.198）3kN限力4kN限力27 未 使 用 的 位 移 空 间 2009 年 6 月上半月刊（总第 198 期）通 与 安 全交 通 标 准 化交TRAFFIC AND SAFETY100-10-20-30-40-50-60100-10-20-30-40-50-60-70Time（ms）驾驶员位置胸部加速度Time（ms）乘员位置胸部加速度图15图1650403020100-10302520151050-5Time（ms）驾驶员位置胸部压缩量Time（ms）乘员位置胸部压缩量图17图18表2C-NCAP中 胸 部 得 分 表结论在车辆碰撞过程中，设计中最为关键和重要的环节，如果设计不合理会44.1胸部主要受到两种类型增加乘员胸部和其他部位的伤害指标，同时会影响的伤