1 设计研究 行人保护要求的汽车前端系统设计 肖雪飞 　赵苏阳 　李 　立 　(上海汽车集团股份有限公司技术中心 ) 【摘要 】　行人保护是汽车安全研究领域的重要问题之一 。文章旨在研究不同的前端系统设计参数对行 人保护要求的影响 ,来确定前端系统的结构形式和材料选择要求 ,并大量使用了 CAE方法 ,确定了针对前端系 统功能 、安全以及其它要素可能的解决方法和相应的限制 ,提出了减少行人安全风险的前端系统的结构形式和 设计要求 。 【主题词 】　汽车安全 　行人 　前端设计 0　引言 1　N CA P行人保护试验程序 随着经济的发展和人们生活水平的提高 ,我国 汽车保有量和道路交通运输量也在不断持续增长。 与此同时 ,交通事故的发生率也在不断攀升。2006 年 ,全国交通事故死亡率达到了 8. 9万人 ,其中发生 的行人与机动车相撞造成死亡达到 27% ,占了相当 大部分。在欧洲 ,这个比率为 16% ,但在美国某些 城市 ,这个比率高达 50% ～70%。因此 ,如何降低 交通事故中行人的死亡率和受重伤的比例这一问 题受到了各国汽车研究机构的广泛关注。 据运输研究工作实验室 ( TRL )保守估计 ,通 过改变汽车的设计 ,至少可以减少交通事故中 8% 的死亡人数和 21%的重伤人数 。如果这样的话 , 通过改进汽车设计 ,可以至少降低 1% ～2%的交 通事故死亡率 。 TRL 还指出 ,改进设计的成本与 发生交通事故所造成的损失相比 ,改进设计的成 本不到医疗保险等付出的 1 /7。新车碰撞试 验 (NCAP)很早就开始这方面的研究 ,并且在研究成 果的基础上 ,开发出了全尺寸的试验假人模型 ,得 到了很多汽车公司的采用 。 本文运用数学动态模型软件 (MADYMO )来研 究前端系统的设计参数对行人保护要求的影响 , 并通过分析研究结果 ,提出前端系统的设计方向 。 收稿日期 : 2008 - 03 - 24 ·81· 通过多年的研究 , NCAP根据欧洲车辆安全委 员会 ( EEVC)第十工作组 (W G10 )开发的试验程 序和对行人保护的试验要求 (如图 1所示 ) ,做了 3 个方面的试验 :头 、大腿和整个腿部 。并且要求所 有评估必须以这 3 个试验为基础 ,而不是以其中 的某一个 。因为仅仅考虑其中一个要求而设计的 汽车 ,很可能导致其它方面安全性的严重下降 。 另外 ,行人的动力学特征非常复杂 ,很难用单个的 试验来模拟所有特性 。NCAP对 W G10 提出的要 求都作为最基本的要求 ,做最低分处理 。同时 ,给 图 1　EEVC对行人保护试验的阐述 上海汽车 　2008 6　　 

1 各个要求一个最高分 。对于试验的解释和试验场 所的要求按照 W G10的要求来执行 。 腿部试验 :该试验主要研究人的膝盖和主要 腿部骨骼在碰撞中的响应 。该试验中 ,汽车从膝 盖旋转平面的侧面撞向假人腿部 ,膝关节相对于 膝盖平面的法向的角速度和角加速度通过传感器 记录下来 ,同时被记录的还有胫骨的加速度和膝 盖的切向位移 。NCAP规定 ,胫骨加速度的上限为 230 G,膝盖的切向位移为 7. 5 mm或弯曲角度为 30°,这些都是人类身体能够承受的极限 。 大腿试验 :试验模型用一片带有填充物的铝 管来模拟人的大腿骨 。以指定的角度和速度撞向 引擎盖的前边缘 ,该速度和角度与试验汽车的几 何特征有关 。该试验对汽车的几何特征规定了一 些最基本的要求 ,当试验汽车不满足这些要求时 , 试验就失去了意义 。例如 ,当引擎盖前边缘高度 小于 650 mm ,保险杠最前端高度小于 100 mm时试 验即无必要 。 试验时 ,大腿骨的弯曲力矩和所受的合力被 记录下来 , NCAP根据 W G10 的建议 ,规定作用在 大腿骨上的弯曲力矩不超过 400 Nm ,作用在大腿 骨上的合力不超过 7 kN。 头部试验 : 头部试验与大腿试验方法相似 。 也是用规定的角度和速度把头部模型撞向引擎盖 的特定区域 。头部模型分 2 种 : 成人和儿童 。对 于引擎盖的前半部分 ,使用儿童的头部模型 ;而对 于引擎盖的后半部分 ,使用成人模型 。而对应引 擎盖上的特定撞击区域 ,试验者可以自行决定 。 设计研究 　　头部模型中的加速度传感器测出撞击时的加 速度 ,并以此来算出头部伤害判断标准 ( H IC ) 。 H IC的计算方法如公式 ( 1 ) 。这些地方对行人的 伤害都很大 ,如图 2所示 。 t2 αd t ∫ t1 H IC = ( t2 - t1 ) (1) 1 2. 5 t2 - t1 式中 :α为头部中心的加速度 ,用重力 g的倍 数表示 ; t2、t1 为碰撞过程中所选的 2 个时刻 ,应使上 式的计算结果最小 。 2　前端系统针对行人保护要求影响 参数确定 保险杠的形状 、位置等参数对行人保护要求 的敏感性是进行研究的必要条件 ,保险杠主要位 于人的腿部 ,并且与人的腿部呈一定的角度 α,主 要参数如图 3 所示 。在该分析中 ,保险杠的刚度 使用常数 。仿真分析的结果如表 1所示 。 表 1 　不同保险杠结构变量下的仿真结果 保险杠与人腿 0 0 0 100 100 100 部的夹角 保险杠自 身的宽度 保险杠最 前端的高度 330 - 1. 18 - 0. 35 - 1. 05 - 0. 45 0. 6 knee Tknee - 1 0 aknee 230 530 0 11 - 11 400 300 300 430 330 330 - 1 - 0. 95 - 1. 05 - 1. 35 - 2. 2 - 1. 15 - 0. 35 - 1. 8 0. 68 - 0. 65 - 1. 3 保险杠 结构变量 MADYMO 仿真结果 图 2　NCAP对行人保护方面的阐述 　上海汽车 　2008 6 ·91· 

1 使它的刚度水平达到我们想要的水平 。一般有以 下的几个方法 。 一是通过在保险杠中间设计加强筋来局部加 强保险杠 ,或者在保险杠的边缘增加一圈加强筋 并辅以泡沫填充物 。另外 ,还可以采用选择合适 的泡沫填充物的方式来达到设计要求 。从图 5可 以看出 , STRAND 泡沫的刚度特性明显优于其它 泡沫 。 图 5　3种泡沫材料刚度特性 3　行人动力学特性对行人保护的影 响 以上的测试都是针对单一项目而进行的 ,没 有考虑人作为一个整体来进行碰撞研究 ,因此对 这些测试项目之间的相互影响考虑得比较少 。但 是 ,现 在 它 们 之 间 的 相 互 关 联 影 响 越 来 越 多 。 MADYMO也提供了对人大腿加速度响应和头部 碰撞响应的假人模型 ,综合研究行人大腿和头部 在碰撞过程中的响应 。研究显示 ,很多针对提高 行人大腿保护而进行的保险杠设计的更改对人的 头部保护起到了反作用 ,进一步加大了行人头部 的损失 。比如 ,当降低保险杠的高度以提高对行 人大腿的保护时 ,由于保险杠的降低 ,当汽车撞到 行人时 ,头部相对于人重心的角加速度就会增加 , 当头部与引擎盖接触时 ,如果引擎盖的刚度不变 的话 ,头部撞击时的加速度也会增加 ,加大了头部 的风险 。因此 ,在设计时 ,一定要综合考虑相关因 素 ,使设计结果达到最优 。 设计研究 图 3　影响行人保护要求的主要保险杠参数 　　可以看出 ,当保险杠的参数变化时 ,行人保护 腿部要求的相关参数也相应起了变化 ,从变化的 趋势可以看出 ,当保险杠的安装高度提高时 ,膝盖 的切向位移从正到负 ,并且膝盖的弯曲变化也很 大 。因此可以看出 ,在保证造型要求的前提下 ,是 可以通过改变保险杠的设计参数 ,找到合适的设 计 ,使保险杠的结构对行人安全的影响降到最低 。 同时满足造型和行人保护两方面的要求 。 同时需要确定保险杠的结构和材料刚度对行 人保护要求的影响 。保险杠的结构主要是注塑制 造的保险杠蒙皮 ,内加一些吸能泡沫材料 ,同时铸 上一些其它功能结构 。传统的保险杠刚度并不是 固定的 ,如图 4所示 。可以看出 ,中间有一个稳定 期 。在稳定期过程中 ,保险杠变形量增加的同时 , 力是不变的 。因此可以合理设计保险杠的结构 , 图 4　传统保险杠碰撞时力响应曲线 ·02· 上海汽车 　2008 6　　 

1 汽车前端系统是一个比较复杂的系统 ,虽然 可以通过改进设计来达到一定的行人保护要求 , 但是对于某些部位 ,比如车灯等硬点 ,还是没有很 好的办法来消除 。 4　结语 通过以上分析 ,在 MADYMO 的帮助下 ,找到 了汽车前端对行人保护方面的敏感要素和影响趋 势 ,下一步就是应该如何运用以上所得到的结论 , 对汽车前端系统的结构设计做出指导 。总结起 来 ,有以下几点 。 (1) 引擎盖与引擎尽量不要有接触 ,并且保 留出足够的用于变形的空隙 。通常对于成人是 80 ～90 mm。如果局部区域没有间隙 ,则尽量选择在 那些发动机上较软的区域 。 (2) 引擎盖的铰链要求尽量设计在发生碰撞 机率较少的地方 ,或改变引擎盖铰链的设计方式 , 使它不会对行人安全产生大的影响 。 (3) 引擎盖锁装置和水箱上横梁应该设计在 引擎盖前端线的后方 ,或采用尽量软的材料来设计。 (4) 保险杠的设计一定要选择适当的泡沫材 设计研究 料 ,并且保险杠的形状和保险杠最前端的高度对 行人保护有很大的影响 ,要着重考虑 。 参考文献 1　杨济匡. 汽车与行人碰撞中的损失生物力学和防护系统 [ J ]. 湖南大学学报 , 2001. 3. 2　路平 ,等. 中国道路交通事故特点分析 [ J ]. 湖南大学学 报 , 2001. 6. Abstract Pedestrian safety is one of the important p rob lem s in the field of car safety. In order to determ ine the structure and material selection of front - end sys tem , the effects of different parameters of front - end system to the pedestrian safety are researched. CAE technique is used extensively in the article. L im ita tions and possible solutions are determ ined w ith re gard to the function, safety and other factors related to the front - end system. Finally the structure format and design requirement is p resented to m inim ize the hazard of pedestrian safety. 《上海汽车 》欢迎订阅 、投稿和刊登广告 《上海汽车 》(月刊 )是由上海汽车集团股份有限公司技术中心出版的经济 、管理和科技综合性汽 车刊物 。《上海汽车 》反映全球汽车科技趋势 ,聚集汽车产业动态 ,报道汽车新技术和新成果 ,研讨汽 车产业重点 、热点问题 ,以宽视野 、多角度扫描国内外先进技术和经验 ,既有一定学术价值 ,又有较强 现实意义 。 本刊已入编“国务院发展研究中心信息网 ”、“中国期刊全文数据库 ”、“中国学术期刊综合评价数 据库 ”、“万方数据 —数字化期刊群 ”、“中文科技期刊数据库 (全文版 ) ”。作者著作权使用费与本刊 稿酬一次性给付 ,如不愿将文章入编 ,请来稿时声明 。 《上海汽车 》真诚欢迎广大读者 、作者和企业订阅 、赐稿和刊登广告 。 《上海汽车 》定价 4. 00元 ,全年 48元 。邮发代号 4—539,也可向编辑部直接订阅 。 《上海汽车 》刊号 : ISSN 1007—4554 CN 31—1684 /U 　　编辑部地址 :上海市嘉定区安研路 201号 (201804) 电话 : 021 - 61388537　　E - mail: shqc@ saicmotor. com 　　传真 : 021 - 61388888 - 8537# 　上海汽车 　2008 6 ·12·