汽车碰撞试验及Hybrid Ⅲ（假人）应用分析

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 本文通过对汽车正面碰撞试验标准的介绍和分析，提出试验的重要工具——假人（Hybrid Ⅲ）不符合中国人体型的问题。此问题将导致试验结果评价的偏离。提请有关方面在制定相应标准时，对试验用假人的采用，做到在与国际标准接轨的同时，充分考虑中国的国情。 汽车以其方便、快捷、舒适的优越性，迅速进入了人类社会的各个领域，它在为世界经济的发展做出了巨大贡献的同时也带来了日益增多的交通事故。汽车行驶安全性已成为汽车设计及试验研究中的最重要课题。 汽车碰撞试验属被动安全性研究范畴，相对滞后于主动安全性研究，除美国较早涉足并取得一定的成果外（于1986颁布并强制执行了美国机动车安全标准FMVSS208），欧洲经济委员会（Economic Commission of Europe）1998年8月才开始实施欧洲正面碰撞乘员保护法规ECE R94。其他国家对被动安全性研究的时间也不长，主要是参考美国标准。目前，欧美等国家的政府都将被动安全性能研究的重点放在碰撞试验法规的制定上。 在我国，随着汽车保有量的不断增加以及高速公路的发展，对汽车碰撞时乘员的安全保护也提出了更高的要求，并于1999年10月颁发了《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》，即China motor Vehicle design Rule 294（以下简称CMVD R294），将汽车实车碰撞试验内容列入强制检验项目中。 1、 汽车碰撞试验法规介绍 1.1 汽车碰撞事故情况及人员伤害 被动安全性能研究的最终目的是在汽车发生事故时，最大限度地减少对人员（乘员和行人）的伤害。汽车碰撞事故发生的情况主要有：正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和车辆滚翻等。因此，碰撞中人员主要受到以下伤害： （1）碰撞时汽车结构变形直接对乘员造成伤害； （2）碰撞时乘员与车内结构发生二次碰撞造成的伤害； （3）碰撞时以及碰撞后乘员身体部分超出车外，受到伤害； （4）碰撞后燃油起火，引起对乘员的伤害； （5）发生行人碰撞时，保险杠对行人腿部造成的伤害； （6）发动机盖对行人头部造成的伤害； （7）碰撞中车体冲击加速度峰值对乘员的伤害（特别是脑部和内脏）。 汽车被动安全性法规就是针对以上这几种情况的汽车碰撞制订的。 1.2 欧、美、中汽车被动安全性法规 国际上汽车被动安全性法规有2大体系：美国联邦机动车安全标准（FMVSS）和欧洲经济委员会标准（ECE）。上述2个机构都制订了相应的碰撞试验方法和评价标准。 在美国，由于采用残缺产品招回制度，FMVSS法规包括了在被动安全性领域内方方面面的26项法规（见表1）。 表1 美国 FMVSS中关于被动安全性的部分法规 法规编号 内容 法规编号 内容 FMVSS201 乘员与车体内饰件的碰撞FMVSS216 顶部挤压、滚翻特性 FMVSS202 头部约束 FMVSS217 BUS紧急出口，车窗定位及开启 FMVSS203 转向机构对驾驶员的伤害FMVSS218 摩托车头盔 FMVSS204 转向机构后移量FMVSS219 挡风玻璃的侵入 FMVSS205 窗玻璃材料 FMVSS220 校车滚翻保护 FMVSS206 门锁及约束部件 FMVSS221 校车车身连接点保护 FMVSS207 座椅系统 FMVSS222 校车乘员座椅和碰撞保护 FMVSS208 乘员碰撞保护 FMVSS223 追尾碰撞保护装置 FMVSS209 安全带部件 FMVSS224 追尾碰撞保护 FMVSS210 安全带固定点 FMVSS301 燃油系统完整性 FMVSS212 挡风玻璃安装 FMVSS302 内饰材料易燃性 FMVSS213 儿童约束系统 FMVSS303 压缩天然气汽车的燃料系统完整性 FMVSS214 侧撞保护 FMVSS304 压缩天然气燃料容器完整性 在欧洲，被动安全性法规除侧面碰撞法规与美国有较大不同外，其他法规大多参照了美国的FMVSS。ECE与FMVSS法规相比，除了在碰撞试验速度、角度等方面的一些细节上有少许出入外，并没有本质上的区别。ECE主要被动安全性法规见表2。 表2 欧洲经济委员会（ECE）中关于被动安全性的部分法规 法规编号 内容法规编号 内容 ECE R12 防止转向机构对驾驶员的伤害ECE R33 正面碰撞中被撞车辆结构性能 ECE R29 商用车辆驾驶员乘员保护 ECE R94 正面碰撞乘员保护 ECE R32 追尾碰撞中被撞车辆结构性能ECE R95 侧面碰撞乘员保护 ECE R34 燃油系统完好规定 这2种法规都规定：为验证车辆安全措施的有效性，对新开发的汽车都必须进行样车的碰撞试验和乘员保护装置的冲击试验。并且，上述2个机构都制订了相应的试验方法和评价标准。由于我国是采用产品认证制度，在标准体系上主要向欧洲标准靠拢，CMVD R294也不例外，与ECE R94 法规对应。下面将欧、美、中相应的主要法规的内容及编号列举，见表3。 表3 欧、美、中3方主要法规的内容及编号 美国 欧洲 中国 正面碰撞 FMVSS208 ECE R94 CMVD R294 侧面碰撞 FMVSS214 ECE R95 暂无 追尾碰撞 FMVSS301 ECE R32/R34 暂无 动态滚翻 FMVSS208 暂无 暂无 燃油泄漏 FMVSS301 ECE R34 暂无 从表3可以看出，中国在汽车碰撞试验的立法上比较落后，仅有正面碰撞CMVD R294一个法规。 CMVD R294法规于2000年4月1日对新生产的M1类车（总质量小于或者等于2500kg的车辆）实施，于2002年7月1日对所有M1类车实施。其主要内容、试验方法如图1、表4所示。在汽车前排外侧座椅上安放1个符合HybridⅢ技术要求的假人（见图2），HybridⅢ是美国第50百分位成年男子主要尺寸（经调整后）的混合Ⅲ型假人。汽车在外力的作用下，以500-2 km/h 的速度朝固定壁障撞击，通过安放在假人身上的各种力、位移和加速度传感器及数据采集仪将假人感受到的各种信号送交计算机处理，并根据以下几点，判定车辆是否合格： （1）通过采集假人头部重心处的加速度值，按公式（1）计算HPC值： （1）要求头部性能指标HPC≤1000。 （2）通过采集胸部变形绝对值，确定胸部性能指标（ThPC），要求胸部性能指标ThPC≤75mm。 （3）通过采集假人大腿轴向压力值，确定大腿性能指标（FPC），要求大腿性能指标FPC≤10kN。 （4）试验中车门不得开启；试验后，不使用工具至少能打开一个车门；同时，燃油供给系统的泄漏速率应≥30g/min。 表4 CMVD R294的试验方法 碰撞速度 50km/h 假人尺寸 50%成人男子混合三型（Hybrid III） 假人位置 驾驶员侧和前排乘员侧 试验车质量 空载质量+假人 座椅位置 保证H点调整正常驾驶位置 座椅靠背位置 设计标准位置 转向盘位置中间位置 安全带可佩带 可调节安全带 设计标准位置 固定点位置 门窗状态 门窗关闭 2、 Hybrid Ⅲ与中国人体型符合性问题的讨论 从上面的介绍我们知道，在汽车碰撞试验中，我们要用到一个重要的试验工具——假人（dummy）。通过它在试验中模拟真人，感受汽车碰撞时各种物理量（力、加速度、位移）对人体的作用，并将这种物理量由数据采集系统转换为数字信号交给计算机处理，得出HPC、 ThPC、FPC 3项指标值，并由此评价车辆对乘员的保护能力。所以说，假人与真人的人体生物特性的吻合程度直接影响3项指标值的准确性，也影响正确评价车辆对乘员的保护能力。 CMVD R294颁布执行后，随着试验的开展和研究的深入，笔者认为有一个问题值得注意，即：CMVD R294试验用假人为HybridⅢ，而HybridⅢ只是一个符合美国第50百分位成年男子主要尺寸的混合Ⅲ型假人，它的体重及主要尺寸相当于我国第 95百分位人体，与我国第50百分位成年男子有着较大差别，与美国人相比，在身高与体重方面中国人属于 “小个子”，相差很大，而且体型相差也很大。因此，以HybridⅢ来充当CMVD R294试验中的“中国乘员”，不能反映标准制定者的本意（Dummy应代表尽可能广泛的人群），用它作为“中国乘员”，评价符合中国人体尺寸的国产汽车，有以偏概全之嫌。 从人机工程学可知，人的身高、体重与人体各部分的重心位置、转动惯量、旋转半径等直接关联。形体尺寸的太多差距，会造成试验数据偏离相应百分位人群“中国乘员”的正确感应值，在以下几方面也就难以准确代表中国相应百分位人群碰撞发生时的受伤害程度： （1）头部重心位置不同，产生HPC偏差； （2）躯干重心位置不同，造成胸部位移传感器布置偏差，影响ThPC值准确性； （3）约束系统与HybridⅢ不配套，产生ThPC值偏差。 这种偏差和影响的严重程度，由于我国该项试验开展的时间不长，数据积累不多，相应研究尚处在初级阶段，还难下结论。但是，将HybridⅢ用在CMVD R294试验中，难以正确反映相应百分位“中国乘员”受伤害程度，用其测得的数据评价车辆是否符合标准限值也不正确是可以肯定的。定性的讲，对保护中国乘员是不利的。 由上面的讨论，笔者认为：我们的CMVD R294法规采用HybridⅢ假人来评价车辆，无论对中国乘员还是中国厂商来说都是不公正的。其一，更多乘员的利益不能受到保护；其二，它可能使中国厂商面临更严厉的要求。在与国外厂商竞争中处于不利地位。 3、 解决问题的思路 对于上节讨论的问题，国内也有人提出在汽车碰撞试验中采用符合大多数中国人形体特征的“假人”来解决。但“假人”是集人体工程学、统计学、工程力学、材料力学、生物学为一体的高科技综合产物，它的制造需要做大量的鲜尸试验，采集数据，取得第一手资料，这是一个很复杂的系统工程问题，要耗费大量的人力、物力、财力和时间。目前，全球能够系统制造假人并获标准认可的仅有FTSS公司(First technology safety systems) 和Robert A Denton INC等少数几家公司。美国FMVSS208 和欧洲ECE R94标准中所要求的试验假人Hybrid Ⅲ大多是由它们生产的，我国要在短期内研制出试验用“中国人”，难度相当大。 虽然以我国目前的技术实力和组织管理体系，我们还无力研制符合中国国情的假人，可这并不能成为不提高试验水平的理由。笔者认为，我们可以通过和国外有经验的公司合作来解决这一问题。 据悉，FTSS公司即将推出的用于侧面碰撞的“小个子假人”—— “Worldsid”的体型和“中国第50百分位人体”相接近。建议我们国家有关机构在进行大量试验的基础上，通过和假人制造商的协调，在 Worldsid的基础上作些改进设计，调整组合出符合中国人体特征的试验用假人，以使我们的汽车碰撞法规能真正起到保护乘员的作用。这种设想如能实现，将大大缩短我国假人开发的时间，起到事半功倍的作用。 4、 结束语 我们在积极采用先进的国际标准与国际接轨的同时，不能忽视中国的国情。就中国汽车碰撞法规而言，它要保护的消费者是中国人。如果盲目套用外国技术法规，简单地用外国的人体模型代替中国的人体模型，广大消费者和厂商的利益都难以得到保护。同类情况，即使发达国家间也是毫不相让互不迁就的，这也是汽车碰撞试验用假人至今没有统一的国际标准的原因之一。希望这一点能得到有关方面的重视，在即将制定的“汽车侧面碰撞”标准时予以考虑。(end)

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