第六章 汽车碰撞试验和相似模型原理

第六章 汽车碰撞试验和相似模型原理 第六章 汽车碰撞试验和相似模型原理 第一节 汽车碰撞试验 一、 汽车碰撞 目前，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出强制性要求，并建立了各自的法规。法规中比较有代表性的是美国的联邦机动车安全法规 (FMVSS) 和欧洲法规 (ECE 和 EEC) ，其他如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上都是参考美国和欧洲的法规制定的。中国对汽车实行了 38 项强制性安全法规，其中包含了对座椅、安全带固定点、安全带总成等的要求。在 1989 年中国对整车碰撞安全性也制定了国家 (GB/T11551 汽车乘员碰撞保护、 GB/T11557-89 防止汽车转向机构对驾驶员伤害等 ) 。中国已于 2000 年 1 月 1 日实施了“关于正面碰撞乘员保护的规则 (CMVDR 294) 。其他汽车碰撞安全法规也将陆续颁布实施。 1.美国法规与欧洲法规 美国是最早开始机动车被动安全性研究的国家。迄今为止，在联邦机动车安全法规 (FMVSS) 中，有关被动安全性的法规有 26 项，已经形成了完整的体系，见表 6-1 。其内容包括了被动安全性的各个方面。 表 6-1 美国 FMVSS 中有关被动安全性的法规 法规编号 内 容 201 乘员撞车体内饰件 (occupant protection in interior impact) 202 头部约束 (head restraints) 203 司机撞转向机构 (impact protection for the driver from the steering control system) 204 转向机构后移量 (steering control rearward displacement) 205 窗玻璃材料 (glazing material) 206 门锁及约束部件 (door locks and door retention components) 207 座椅系统 (seating systems) 208 乘员碰撞保护 (occupant crash protection) 209 安全带部件 (seat belt assemblies) 210 安全带固定点 (seat belt assembly anchorages) 211 保留 (reserved) 212 风挡玻璃安装 (windshield mounting) 213 儿童约束系统 (child restraint systems) 214 侧撞保护 (side impact protection) 215 保留 (reserved) 216 顶部碰撞保护 (roof crash resistance) 公共汽车紧急出口和车窗定位及开启 (bus emergency exits and window retention and 217 release) 218 摩托车头盔 (motorcycle helmets) 219 风挡玻璃区域的侵入 (windshield zone intrusion) 220 校车翻滚保护 (school bus rollover protection) 221 校车车身连接点强度 (school bus body joint strength) 222 校车乘员座椅和碰撞保护 (school bus passenger seating and crash protection) 223 追尾碰撞防护装置 (rear impact guards) 224 追尾碰撞保护 (rear impact protection) 301 燃油系统完整性 (fuel system integrity) 302 内饰材料易燃性 (flammability of interior materials) 303 压缩天然气汽车的燃料系统完整性 (fuel system integrity of compressed natural gas Vehicles) 304 压缩天然气燃料容器完整性 (compressed natural gas fuel container integrity) 欧洲从 20 世纪 60 年代后期开始制定被动安全性法规，参照美国法规并根据自身特点加以修正，经过多年的研究、实施，如今也形成了比较完善的被动安全性法规体系。此体系除了侧撞安全法规以外，其他各项与美国的法规无本质区别。表 6-2 列出了欧洲法规对整车碰撞安全性的各项规定和发布年份。 表 6-2 ECE 法规对整车碰撞安全性的各项规定和发布年份 法规编号 内 容 发布年份 12 防止转向机构对驾驶员伤害的认证规定 1969 年 29 商用车辆驾驶室乘员防护认证规定 1974 年 32 追尾碰撞中被撞机动车辆结构特性认证规定 1975 年 正面碰撞中被撞机动车辆结构性能认证 ( 不包括转 33 1975 年 向轮中心在全车长 1/4 内的汽车 ) 94 前撞乘员防护认证规定 1995 年 95 侧撞乘员防护认证规定 1995 年 34 燃油系统完好规定 1979 年 由于欧洲采用产品认证制度，因此 ECE 和 EEC 法规对各项安全指标均制定有便于理解和操作的详细试验方法，要求进行的试验次数相对也较少。而美国采用残缺产品召回制度， FMVSS 法规主要针对最终指标，且其技术发达，实施时间长，所以法规先进、成熟、要求严格。 FMVSS 在实施细则中还详细规定了各项试验方法，试验内容较多，要求较高，例如在 1997 年颁布的 208 法规对气囊做出有关规定，而欧洲法规尚没有引入相应规定。 欧洲法规对整车碰撞安全性的各项规定与美国相应法规主要内容对比见表 6-3 ,表 6-9 。 表 6-3 防止转向机构向驾驶员伤害的认证规定 欧洲 ECE R12 美国 FMVSS 203 ， 204 1.无假人， 48.3km/h 正面碰撞障碍壁。碰撞试验时，转向盘1.人体模块试验，速度 15mph(24.1km/h) 力向后移动不能超过 12.7cm ，也不能向上超过 12.7 cm 。 不超过 2500pb. (1l 123 N) 。 2.在人体模块碰撞试验中 (24.1 km/h ) ，冲击力不能超过 11 2. 48.3km/h 撞障碍壁，转向盘水平后移量不110 N 超过 5 in 。 3.在头形冲击锤试验中 (24.1 km/h ) ，冲击锤的加速度不能3.结构设计要求:„„。 超过 80g-3ms.峰值不 能超过 120g 。 4.结构设计要求:„„。 表 6-4 商用车辆驾驶室乘员防护认证规定 欧洲 ECE R29 美 国 要求: 1.可选择其附录三的全部试验或试验 A 和试验 B 。 2.在摆锤试验中，驾驶室逃逸空间应符合要求。假人空间符合要求。 无应对的单独条 款，包含在 3.试验中驾驶室不能脱离固定位置。车门不能撞开，试验后应能不用工具而打开;„„ FMVSS208 中 试验: 1.摆锤 1 500 ? 250kg ，碰撞面为平整的长方形。宽 2 500mm ，高 800mm 。摆臂长 3 500mm 。 2.摆锤质心低于 R 点 150mm ，但不高于地面 1400mm 。与最前端接触。 3.冲击能量:对 7 000kg 以下的车辆为 3 000kgfm ;否则为 4 500kgfm(1 kgfm?9.81J) 。 4.顶棚强度和后墙强度。 表 6-5 追尾碰撞中被撞机动车辆结构特性认证规定 欧洲 ECE R32 美 国 要求: 1.不能有可能会造成乘员伤害风险的变形。 2.最后排座椅 R 点在地板上的投影相对于汽车不变形区域的后移量不大于 75mm 。 无相应标准 3.碰撞时车门不能被撞开。碰撞后，车门应能不使用工具而打开。无刚性顶棚的车除外。 试验: 1.使用移动壁或摆锤。碰撞速度为 35 , 38 km/h 。移动壁或摆锤总质量为 1 100 ? 20kg 。需有防止 2 次碰撞的装置 2.车况:加燃油 90% ，其他液体如制动液、冷却液等可放空。可挂档，施加制动。 表 6-6 正面碰撞中被撞机动车辆结构性能认证(不包括转向轮中心在全车长 1/4 内的汽车) 欧洲 ECER33 美 国 要求: 无相应标准(部分内容包含在 208 中。 1.碰撞速度 48.3km/h.障碍壁前碰撞，无假人。 2.碰撞后通过座椅 R 点的横向平面和通过仪表板最后边投影线的横向平面间的间距不小于 450mm 。确定平面位置时不考虑按钮、开关等影响。在通过座椅中心线的纵向平面每边的 150mm 范围内确定。 3.碰撞后通过座椅 R 点的横向平面与通过制动踏板中心的横向平面间的距离不小于 650mm 。 4.放脚位置空间的左右隔板的间距不小于 250mm 。 5.汽车地板与顶棚的距离减少量不超过 10% 。 6.碰撞时汽车的侧门不能被撞开。 7.碰撞后，侧门应能不使用工具而打开。无刚性顶棚的车除外。 表 6-7 前撞乘员防护认证规定 欧洲 ECE R94 美国 FMVSS 208 要求: 要求: 1. HPC ? 1 000 。 1. HIC ? 1 000 。 2. THPC ? 75mm 。 2.胸部加速度? 60g( 气囊试验可为 80g) 。 3. FPC ? 10kN 。 3.胸骨压缩量? 75mm 。 4.碰撞过程中车门不能被撞开，也不能由于碰撞而4.大腿力? 10kN 。 卡死上:撞后不用工具应能将车门打开。 5.假人保持在车内。 5.释放约束系统的力? 60N 。假人能顺利移出。 6. 1996 年 9 月 1 日后生产的汽车必须安装气囊。 2001 6.燃油泄漏量? 30g/min 。 年前生产的低功率气囊试验中假人颈部伤害指标: (a) 弯曲扭矩: 190Nm SAE Class 600 (b) 外翻扭矩: 57Nm SAE Class 600 (c) 轴向拉力: 3300N 峰值， SAE Class l000 (d) 轴向压力; 4000N 峰值， SAE Class1000 (e) 轴向剪力: 3100N 峰值。 SAE Class l000 试验内容: 试验内容: 障碍壁前碰撞试验， 60 ? 夹角。在汽车中心线1.障碍壁前碰撞试验，碰撞速度 30mph ( 1 mph , 与障碍壁的交点两侧各 350mm 处固定防滑装置，前1.609km/h) ， 90 ? +30 ? 内，满足要求 1 、 2 、 面板的角度应使汽车驾驶员侧先与障碍壁接触，碰3 、 4 、 5 。 撞速度为 48 , 50km 。 2. 20mph 侧撞试验， 90 ? 平板移动壁， 。 满足要求 1 和 2 。 3.滚翻试验， 30mph ，满足要求 6 。 4.有关低功率气囊试验(对不使用安全带的假人，可用滑 车试验。 表 6-8 侧撞乘员防护认证规定 欧洲 ECE R95 美国 FMVSS 214 要求: 要求: 1.在驾驶员侧试验，除非汽车两边的结构明显不同• 动态碰撞试验要求 会影响试验结果。 HIC 无要求 头部 HPC ? 1 000 。 胸部加速度 85g 胸部肋骨变形 RDC ? 42 毫米。 骨盆加速度 130g 软组织指标 VC ? 1.0 m/s 。 胸骨位移、燃油泄漏:无要求 C=max( ) ， D— 肋骨变形。 撞击一侧车门不能脱离:非撞击侧车门关闭。 腹部力不大于 2.5kN 内力 (4.5kN 外力 ) 2.静态压缩试验要求 2.碰撞过程车门不能被撞开。 无座椅时: 3.碰撞后，不用工具应能将车门打开足够的程度，初始阻力 2250 lb ，中间阻力 3500 lb ，峰值 供正常进出、释放假人、移出内部设备，不能有对7000 lb 。 人体有伤害风险的变形。 有座椅时: 4.燃油泄漏量不大于 30g/min 。若燃油与其它液体初始阻力 2 250 lb ，中间阻力 4 375 lb ，峰值 混合且不能区分，则全部在内。 12000 lb 。 试验: 试验: 1.欧洲侧撞假人，可变形的移动壁。有避免二次碰撞1.可变形移动壁碰撞试验，美国侧撞假人，速度 的装置，移动壁中心线与汽车的中心线垂直。 33.5 mph(53.9 km/h) 。碰撞方式 27 接近， 90 碰撞面接触。 2.碰撞点:移动壁的中心通过座椅的 R 点，偏差为 ? 25mm 。 变形移动壁左边缘距离轴距轴心点 37 in 。若车轴 距大于 114 in ，则为前轴后面 20in( 误差? 2 3.碰撞速度 50 ? 1km/h 。 in) 。 离地间隙 1lin(279mm) 。 注: 1in=2.54cm 2.侧面静压试验、 l lb=16 oz=0.454kg 表 6-9 燃油系统完好性规定 欧洲 ECE R34 美国 FMVSS 301 要求: 要求: 油箱静压试验: 碰撞开始至汽车停止不超过 1 oz ， 1 min 内不超 过 l oz ， 5 min 内不超过 5 oz ， 25min 内每0.3kgf/cm 2 (1kgf/cm 2 ? 9.81 10 -4 N/cm 2 ) 分钟的时间间隔不超过 1 oz 。回转台试验„„ 维持 1min 。 动态试验:前碰撞和被追尾碰撞试验，泄漏量不超过 30g/min 。 试验: 试验: 1.静压试验。 1.前障碍壁碰撞试验: 90 ? ? 30 ? ， 30mph 。 2.障碍壁前碰撞试验: 90 ? ，速度为 48.3 , 53.1km/h 。 2.后移动壁碰撞试验: 90 ? ， 30mph 。 3.后碰撞试验:速度 35 , 38km , h ，摆锤或移3.侧面移动壁碰撞试验: 90 ? ， 20mph 。 动壁， 90 ? 。 4.移动壁碰撞试验: 30mph ，移动壁碰撞面具有汽 车轮廓，任意角度，任意位置。 2.欧洲各安全法规间关系分析 被动安全性法规的最终目标是减少乘员的伤害风险。碰撞事故的形态主要有前碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、汽车滚翻。乘员伤害主要由以下 4 种原因造成: (1) 碰撞时汽车结构变形; (2) 乘员与车内结构二次碰撞，或肢体的运动过度 ( 如头部剧烈运动造成颈部伤害 ) ; (3) 由于碰撞后汽车结构破损而使人体的某些部分越出车外; (4) 碰撞后起火。因此，被动安全法规基本上围绕这些方面提出要求。 与汽车整车碰撞安全性有关的 7 项 ECE 法规可分为三个部分:第一部分，是由 R12 防止转向机构对驾驶员伤害的认证规定、 R32 追尾碰撞中被撞机动车辆结构特性认证规定、 R33 正面碰撞中被撞机动车辆结构性能认证 ( 不包括转向轮中心在全车长 1/4 内的汽车 ) 、 R34 燃油系统完好认证规定共 4 项组成。第二部分，是 R29 商用车辆驾驶室乘员防护认证规定。第三部分，是 R94 前碰撞乘员防护认证规定和 R95 侧撞乘员防护认证规定。 第一部分法规 (4 项 ) 和第二部分法规 (1 项 ) 制定于 20 世纪 70 年代。受当时试验设备和技术所限，法规试验中没有采用假人，没有关于假人伤害指标的要求，只对汽车结构进行了规定。第一部分法规的各项试验有一些是相互重叠的，即一次试验可以测得几项法规要求的指标，如表 6-10 所示。 表 6-10 第一部分法规试验内容 试 验 适用法规 人体模块试验 R12 头型冲击锤试验 R12 无假人 48.3km/h 障碍壁 90 ? 正面碰撞试验 R12 、 R33 、 R34 无假人 35 , 38km/h 移动壁或摆锤后碰撞试验 R32 ， R34 油箱静压试验 R34 从上述规定中可以看出，如果试验方法制定得当，难度最大、试验费用最高的前碰撞和后碰撞 2 项试验可以同时检验法规的 4 项有关要求。 第二部分的试验是独立的。 第三部分的 2 项法规制定于 1995 年，前碰撞试验中采用了 Hybrid ? 型假人，侧撞试验中采用欧洲侧撞假人。可以认为 R94 是 R33 的更新版， R94 可以取代 R33 ，即如果一辆车通过了 R94 的认证，它应当可以满足 R33 的要求。另外，在 R94 中增加了燃油泄漏的测量，可替代 R34 中正面碰撞的燃油泄漏要求。 R95 侧撞乘员保护是新增加的法规，其中也有燃油泄漏的规定。欧洲法规与美国法规指定不同的侧撞假人，此问题还有待解决。 由于欧洲非常重视行人的交通安全问题，因此制定了关于汽车碰撞行人的保护法规。欧共体指令 74/483/EEC 涉及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。该指令于 1998 年生效，适用于新车定型试验，并从 2001 年 10 月起适用于所有上路车辆。该指令要求检验所有参与车辆和行人之间相互作用的部件，其试验包括: 1) 小腿冲击锤撞击保险杠试验 保险杠试验要求小腿冲击锤以 40 km/h 的速度自由飞行至少 700 mm ，并垂直撞击车辆前部保险杠。要求进行的三次试验包括一次撞击保险杠中间的 1/3 区域，另两次分别撞击两侧的 1/3 区域。小腿冲击锤模拟 50 % 成年人的下肢，由两段分别代表大腿和小腿的刚性部分组成，中间用一个可变形的金属棒(代表膝关节)连接。 2) 大腿冲击锤撞击发动机盖前缘试验 发动机盖前缘试验，要求大腿冲击锤以特定的速度和撞击角度，撞击发动机盖前缘。冲击锤的质量、撞击的速度和角度由车体的发动机盖前缘高度、保险杠突出量和保险杠高度等外形参数确定。发动机盖前缘试验应在三个区域进行，一次在中间的 1/3 区域，另外两次分别在两侧的 1/3 区域。 3) 成人及儿童头部冲击锤撞击发动机盖上表面试验 发动机盖上表面试验要求使用分别代表儿童和成年人头部的冲击锤进行、尖部冲击锤以 40km/h 的速度，沿与水平线呈 65? (成年人)或 50 ? (儿童)的方向撞击发动机盖上表面确定的范围内。试验区是按前部展开距离确定的，并相应于不同的头部冲击锤分别为 1000 , 1500mm (儿童)和 1500 ~ 2100mm( 成人 ) 。 表 6-11 行人保护试验内容及指标 保险杠试验 发动机盖前缘试验 发动机盖上表面试验 锤击速度 锤击速度 =40 锤击速度 = = 40km/h 20~40 =2.5 试 = 13.4 kg =50 = 10~15 验 =1000~1500 参 =4.8 数 =65 WAD=1500~2100mm 评 膝部弯曲角 ? 15 ? 价 膝部剪切位移 ?6 碰撞冲击力 ? 4 <1000 指 小腿加速度 ? 150 碰撞弯矩 ?220 标 3.美国各法规关系分析 美国安全法规要求非常严格。由于美国执行缺陷产品召回制度，考虑到不同汽车结构布置形式的不同，其最危险的碰撞状态也各不相同。所以法规对各种情况都考虑在内，规定了很宽的试验条件范围。如在 301 指令的燃油系统完好检验中，规定的试验有正碰撞、侧碰撞、后碰撞、任意位置任意角度的碰撞。无沦油箱布置在汽车的何处，其最危险的事故形式都处于法规的控制之下。在 208 指令乘员保护中，侧撞和滚翻试验比较确定，而前碰撞试验则规定了 90 ??30? 的夹角，其最危险的碰撞角度由厂家根据不同的车确定。对于侧撞事故，专门制定了 214 侧撞法规。对于后碰撞事故，美国法规只是对座椅头枕的强度进行了规定。由于在美国较少发生汽车碰撞行人的交通事故。故没有汽车碰撞行人保护法规。 4.中国被动安全法规的现状 中国与欧洲相同，目前实施的是产品认证制度，因此中国的被动安全法规主要参考欧洲的被动安全法规来制定。中国强制实施的 38 项汽车法规基本上都是按照欧洲法规，并结合中国自身情况制定的，但欧洲的被动安全法规不如美国的完善，且中国与欧美的情况都不相同。因此，在 1998 年 9 月中国以欧洲法规为蓝本，参考美国法规并结合中国当时国情制定了中国汽车整车碰撞安全法规(参见表 6-12 表 6-13)。 1)法规项目 表 6-12 中国准备实施的法规将包含的项目 法规编号 内 容 R12 前碰撞转向机构及汽车结构特性的认证规定 R29 商用车辆驾驶室乘员防护认证 R94 前碰撞乘员防护认证规定 R95 侧碰撞乘员防护认证规定 R34 燃油系统完好认证规定 2)法规试验内容 表 6-13 法规、试验内容 编号 法 规 试验内容 R12 前碰撞转向机构及汽车结构特性的认1 人体模块转向盘冲击试验。 证规定 2 头形冲击锤冲击试验。 3. 48.3km/h 障碍壁前碰撞验: 90 ? ，检验汽车转向 盘后移量、上移量和汽车结构变形。 R29 商用车辆驾驶室乘员防护认证规定 摆锥冲击试验。 R94 前碰撞乘员防护认证规定 48.3km/h 障碍壁前碰撞试验: 90 ? ，测量假人损伤 指标、燃油泄漏等。 R95 侧碰撞乘员防护认证规定 1 侧门静压试验。 2 48.3 km/h 变形移动壁侧碰撞试验:测量假人损伤指标、 燃油泄漏等。 ( 待条件成熟后再实行 ) R34 燃油系统完好性认证规定 1 油箱静压试验。 2 速度 48.3km/h 障碍壁前碰撞试验: 90 或 60 。 3 速度 35 , 38km/h 刚性移动壁或摆锤后碰撞试验。 4 速度 48.3km/h 变形移动壁侧碰撞试验。 ( 如果实行 R95 侧面碰撞试验，则执行此项试验。如果不执行 R95 侧 面碰撞试验，可用 35 , 38km/h 刚性移动壁或摆锤侧碰 撞试验来代替 ) 。 说明: R12 、 R94 、 R34 的前碰撞试验中。汽车中心轴线与障碍壁的夹角全部采用 90? 。其中， R94 法规已作为中国机动车设计规则 CMVDR 294 “关于正面碰撞乘员保护的设计规则”实施。在 R95 侧碰撞乘员保护中，必须确定使用美国侧碰撞假人还是欧洲侧撞假人，还需确定中国汽车前部的平均刚度用于确定变形移动壁的变形特性。因此，侧撞法规将尚未实施。 3) 参考欧洲法规制定汽车碰撞行人的有关法规 目前，欧洲已通过有关在汽车碰撞行人事故中保护行人的法规并开始实施。中国汽车碰撞行人占事故中很大的比重，有关部门已经开始研究制定相应法规。 二、实车碰撞试验方法 图 6-1 欧洲碰撞试验基本类型 图 6-2 全宽碰撞和偏置碰撞 图 6-3 侧面碰撞 1 (固定壁碰撞试验 固定壁碰撞试验方法是把试验车辆加速到指定的碰撞速度，然后与固定壁进行碰撞。通常，汽车碰撞方向与固定壁垂直。由于固定壁的情况是不变的，可取固定试验特性，并可重复同样的撞车试验，因此可用固定壁碰撞试验评价汽车安全性。这是这种试验方法的优点。 根据碰撞范围的不同可分为全宽碰撞和偏置碰撞，参见图 6-1 。汽车碰撞方向也可与固定壁成一定角度。有时还可在固定壁前面附加各种形状的障碍物，以研究汽车在不同碰撞情况下的特征。 为了把试验车辆加速到碰撞速度，可采用各种不同的方法。表 6-14 列出了国内外进行撞车试验所普遍采用的几种加速方法及其特点。 表 6-14 确试验车的加速方法 型式 分类 特 点 牵 使用牵引车 需要大型牵引车，动力损失较大。需要较长的路段，撞车速度需要靠司机调整。需要 引 训练司机。试验容易，成本低。 式 使用绞盘 需要准备较长的行车距离，容易调节撞车速度，并且可精确地调整撞车速度。 汽车在较短的距离即可达到较高的速度。试验车直接牵引，不会发生钢索等产生的故 使用直线电机 障，适合于室内试验。试验成本较高。 重力式 如果提高动滑轮的速比，在较短行程中可达到较高的速度。在重锤、钢索、滑轮和试 重锤下落 验车的连接传动过程中产生较多的动力损失，速度精度不高。 为达到撞车速度，行驶距离要长，并且试验车的碰撞姿态不是水平的。速度调节比较 下坡行驶 困难。无需特殊加速装置。 发射式 橡皮绳弹射 可在较短的加速距离内产生较高的碰撞速度。速度控制较为困难。 自行式 遥控驾驶 需要在试验车上安装特殊的自动驾驶设备，成本较高，但速度控制容易。 1 )平面固定壁的正面全宽碰撞试验 通常情况下进行的碰撞试验是平面固定壁的正面全宽碰撞试验。 试验要求 SAE J850 和 FMVSS208 对固定壁碰撞试验进行了规定，主要项目参见表 6-15 。 表 6-15 固定壁碰撞试验要求 项目 要 求 测试场应该有足够的测试场地来放置固定壁、测试没备以及车辆加速没备。 所 碰撞前的场地应该是水平的，而且路面要经专门铺设。 碰撞壁前应该有地沟以对汽车底部进行摄像。 固定壁 固定壁宽度至少 3m ，高度至少 1.5m ，且必须能覆盖被试验车辆的前部。 固定壁表面应当垂直于车辆行进方向，而且要铺设 1.9cm 厚的木板。 碰撞时固定壁的运动不能大于车辆永久变形的 1% ( ECE 要求固定壁的质量不能小于 70t )。 试验要按照 FMVSS208 要求，试验车速为 30mph(1mile/h=1.609km/h) 。 求 为了防止加速或者减速过程对试验车以及人体姿态的影响，试验车在撞击固定壁之前应该是处于匀速运 动状态。 试验车的纵向中心平面应该垂直于固定壁表面，而且应该在固定壁中心线? 300mm 范围内。 测试设车体加速度测量、加速度传感器应该安装在汽车地板、框架或者车身部件上，不能安装在有变形或者振备 动的位置。 车速测量应该在固定壁之前进行。 摄影测量应该在车辆侧面、上面、底面进行，另外在车厢内部还应该安装一个耐冲击的摄像机以记录乘 员的运动。 试验评价标准 按照美国 FMVSS 中相应条款的要求，固定壁正面碰撞试验的评价标准见表 6-16 。 表 6-16 固定壁正面碰撞试验的评价标准 评价标准 评 价 指 标 车 转向盘后移量 FMVSS204 要求，碰撞后转向盘水平后移量不能大于 127mm 。 体 燃油泄漏性能 FMVSS301 规定，碰撞开始到汽车停止燃油泄漏量不能超过 1oz. ， l min 之内不 部 能超过 1oz. ， 5 min 之内不能超过 5oz. ， 25 min 之内每分钟的时间间隔的燃 油泄漏量不超过 1oz. 。 分 另外，还要求对碰撞后的车辆进行翻转试验，规定每转动 90 ? 的最初燃油泄漏量 5 min 内在 5 oz. 之内，剩下的每分钟在 1oz. 以下，翻转试验台试验见图 6-4 。 乘员部分假人 在实验过程中假人各个部分自始自终须包容在车厢内。 头部 假人头部的 HIC (头部损伤指标)不超过 1000 。 胸部加速度 当作用时间超过 3ms 时，假人胸部质心处合成加速度不能大于 60g 。 (FMVSS208) 人腿受力 ) 假人每条大腿轴向的合力不能超过 10000N ( FMVSS 胸部变形 假人胸骨相对于脊椎的压缩变形不能超过 3 in. (仅适用于 Hybrid III )型假人。 208 ) 颈部 1997 年 9 月 1 日后生产的汽车必须安装安全气囊。 2011 年前生产的低功率气囊 中假人颈部伤害指标: 1 (弯曲扭矩: 190Nm 2 (外翻扭矩: 57Nm 3 (轴向拉力: 3300N 峰值 4 (轴向压力: 4000N 峰值 5 (轴向剪力: 3100N 峰值 2 (移动壁碰撞试验 在能行走的台车上装备有一定撞车面积的可移动壁，加速到一定的速度后，用它来碰撞处于静止状态的试验车。这种试验方法在检查被试验车的侧撞和尾撞安全性时使用。为进行反复试验，台车的构造需要坚固耐用。在 SAEJ972 和美国安全标准中对可移动壁碰撞试验进行了规定。欧洲试验标准和美国标准有所不同。移动壁的碰撞形式参见图 6-3 ，移动壁的加速方法可以参考表 6-14 。试验时应该给碰撞后的试验车留出足够的滑动范围。 1 )车对车碰撞试验 为了检查撞车后双方车辆的外形和刚度变化情况，要进行车对车的碰撞试验。试验一般有正面撞、侧面撞和尾撞三种。 ( 1 )等速正面撞车试验 图 6-4 是两台图是两台试验车等速正面撞车的试法。为安置各种测量仪器和高速摄像机，首先应该正确地估计撞车地点，撞车地点应该有足够的宽度试验车的加速装置。可以参考固定壁碰撞试验。 图 6-4 等速正面撞车试验 ( 2 )等速 T 型撞车试验 在直角交叉的 T 型道路上，使用等速的两台试验车，以一辆车的正面冲撞另一辆的侧面进行试验参见图 6-5 。撞车后两车的移动范围相当大，移动方向也不能确定。因此撞车地点需要有足够的面积，否则无法安装各种测量仪器和高速摄像机。 图 6-5 等速 T 型撞车试验 2 )翻车试验 现在广泛采用的试验方法是对车体，特别是对车身顶部的强度检查为主的静压试验。此外，还有如下 4 种实际的翻车的试验方法。 ( 1 )试验车的下落试验 为了确保乘员在翻车后有足够的生存空间，对车辆的结构，特别是对车身顶部和支柱的强度进行鉴定时，本试验方法是有效的。试验方法是把试验车用钢索吊到要求的高度，放到规定的位置后，使其自由下落到混凝土地面上，参见图 6-6 。 SAE 推荐的这个试验方法已经被作为安全试验车 (ESV) 试验条件的一项。 图 6-6 车辆下落试验 ( 2 )试验车沿斜坡翻滚的试验 在斜面上把试验车平行地放置后，对它施加静翻转矩，使试验车沿斜面翻滚。 SAE 中也推荐了这种试验方法。它规定沿着斜度 60% 的斜面，使试验车滚落至 80 ft(1 ft=30.48cm) 的距离。这种试验操作简单，但由于试验车不存在行进车速，因此和路面上的实际翻车事故是不同的。 ( 3 )平台翻车试验 在台车上装试验车，用台车紧急制动的方法使试验车翻滚，参见图 6-7 。台车上的货台斜度为 23? 。把试验车装在货台上，并使它的方向和平台车的行驶方向垂直。平台车加速到要求的速度后，用紧急制动停车，试验车靠惯性掉到混凝土路面而翻滚。美国安全标准规定将翻车试验作为标准试验。台车的加速、导向可以参照固定壁试验，但在适当的位置上需要安装制动装置。按照美国安全标准要求，台车制动减速度应在 0.04 内达到 20 以上。在这种试验方法中，试验车没有行进方向的速度。这种方法易于进行重复性试验，试验操作也简单。在日本，这种试验是安全试验车翻车试验项目中的一个规定项目。 图 6-7 平台翻车试验 3 (模拟人 模拟人(标准假人)是汽车碰撞试验最基本的用具。模拟人最初用于飞机座椅弹出试验， 1960 年美国开发了汽车碰撞试验模拟假人 VIP 。美国汽车工程师协会标准 SAE 对 50th 模拟假人 ( 即第 50 百分位的假人 — 按统计，美国 50% 男子的体重和座高等体格参数比该假人低 ) 的尺寸、重量、弹簧常数等进行了规定。用于撞车试验的模拟假人所要求的性能如下: (1) 尺寸、重量分布、关节的活动、胸部等各部分在受载荷时的变形特性应与人体很相似; (2) 应能对人体相对应的各部分的加速度、负荷等参量进行测定; (3) 个体间的差异小，反复再现性好，并且具有优良的耐久性。 美国于 1972 年开发出了混合?型假人 Hybrid II ，并于 1973 年在 FMVSS208 标准 ( 乘员碰撞保护 ) 中将 Hybrid ? 50th 假人作为评定汽车碰撞试验中乘员碰撞保护性能的标准设施， 1976 年美国对 Hybrid II 进行了改进，开发了更接近人体特性的 Hybrid ? 型假人。美国目前已经研究开发了一个试验假人系列，包括汽车侧面碰撞用假人 SID 和儿童假人，以及立姿行人假人 RSPD ，主要规格见表 6-17 。 表 6-17 汽车碰撞试验用假人主要规格 规 格 体重 /kg 坐高 /mm Hybrid ? 50% 78.15 884 Hybrid ? 5% 49.98 790 Hybrid ? 95% 101.31 935 Hybrid ? 50% ， 74.37 907 CRABI 六个月婴儿 7.90 442 CRABI 十二个月婴儿 9.70 475 CRABI 十八个月婴儿 11.20 505 三岁儿童假人 15.10 572 六岁儿童假人 21.46 650 SID (侧面碰撞假人) 89.80 765 BioSID (仿真侧撞假人) 88.40 761 模拟人大多采用金属与塑料制作，其胸腔是钢制的，肩胛骨是铝制的，盆骨是塑料的，模拟人不仅具有和真人一样的外形和内脏，还有复杂的脊柱、肋骨和合成肌肉。在模拟人的身体上，遍布着各种各样的传感器(大约装有六十个传感器)，最多可以为 180 多个信道提供数据，并以每秒 2000 次的速度刷新数据。 中国对正面碰撞的试验条件和模拟人测试指标规定:测试假人的头部损伤指标 HIC 等于或小于 1000 ，胸部变形小于或等于 75mm ，腿部轴向力等于或小于 10 ;碰撞时车门不能打开，前门的锁止系统不能自动锁上，前后门至少能打开一个门(不借助工具);燃油不得泄漏，漏油速率小于 30 /min 。美国的安全法规除了要求测试以上指标外，还有以下几个要求:胸部合成减速率小于 60g ;挡风玻璃的脱落不能超过 50% ;假人身体的任何部分不能越出车外;外部任何部分不得侵入挡风玻璃。 三、汽车碰撞刚度 碰撞变形位移是由信号的二重积分得到。因为在碰撞过程中，汽车会发生质量减少，所以此处得到的力,位移特性为近似值，这种减少的情况在一定程度上可由被侵占的质量来补偿，并在以后的碰撞中发生作用。 1.力,位移曲线 中等尺寸家庭轿车(图6-8)和大型公务型轿车(图6-9)具有类似的力,位移曲线。可以看出，前者横坐标位移达到 1200mm 的位置即停止，而后者则继续增大到更高的负载。这也说明由于其质量相对前者增加的部分额外吸收一部分能量。小型家庭型轿车( 图6-10)在横坐标位移达到 800mm 位置前表现了同样趋势的力,位移曲线，此后，累计的位移增加最终达到 1100mm 的位移。多用途汽车(图6-11)在横坐标位移达到 600mm 前也具有类似的力,位移曲线特性，此后，载荷呈快速增加趋势。 图6-12 为四种汽车力 - 位移规律的平均值曲线，显然在小变形区域，不同总质量各种类型力 - 位移变化具有近似相同的规律。 图6-8 中等尺寸家庭轿车碰撞平均力,位移曲线 图6-9 大型公务型轿车碰撞平均力,位移曲线 图6-10 小型家庭型轿车碰撞平均力,位移曲线 图6-11 多用途汽车碰撞平均力,位移曲线 图6-12 四种车型碰撞平均力,位移曲线 2.共存性相关 因为在大量的交通事故中，一般都包含不同道路交通参与者，所以共存性是道路交通安全研究的重要内容。 ENCAP 测压元件给出的数据并不能用于评定汽车前部一致性。发动机区域对汽车总体负荷分布系统的影响占有至关重要的作用。 1) 由于发动机区域对总体受力负荷分布系统的影响占有至关重要的作用。这个区域给出测压元件高输出状 态并显示车,车碰撞中的前部交迭碰撞的典型互相作用。 2) 对综合平均刚度，中等尺寸家庭轿车、大型公务型轿车和小型家庭型轿车呈现相当一致的共存性。每种车型都能通过碰撞损毁其它车型车辆的外表面。甚至小型家庭型轿车也可以损坏大型公务型轿车外表面。但是，这种情况并不能说明在每次碰撞中这种共存性都是适当的。对于一辆小型轿车相对一辆大型轿车碰撞的情况，质量相对较轻的车辆达到最大的能量吸收情况下的速度可以认为符合共存的条件。如果超过这个速度，则小型车辆将会严重毁坏并且会吸收更多的能量。 3) 对于多用途汽车，因为其具有较大的质量和刚度，因此对比其它轿车具有更强的冲击性，同时能在较低的碰撞速度下强加给被撞车辆更多的负载。对其本身来说，这种负面效应可以通过其自身增加可压缩空间的方法予以抵消。 第二节 事故力学与相似模型原理 一、完全相似模型 完全的动态相似模型需要所有基本物理参数必须相似，即满足三个条件:几何相似、力相似性、力相似性，即 ( 6-1 ) 式中: ,原型的基本物理参数尺寸、时间、力; ,模型的基本物理参数尺寸、时间、力; ,基本物理参数尺寸、时间、力的相似比(也称为比例因子或比例变换)。 由这三个基本物理参数可导出在事故工程中一些常见的诱导物理参数的相似比，见表 6-18 。 表 6-18 事故工程中常用的诱导物理参数与相似比 物理参数 物理法则 相似比 物理参数 物理法则 相似比 变形 质量 速度 惯性矩 加速度 刚度 ; 面积 能量 体积 应力 两个过程动态或者机械相似性除了取决于边界和初始条件之外，还需要满足条件:确定的自然法则必须相同，即在相似比例的力分级条件下，过程应相互反射。 1 (在惯性力和塑性变形条件下的相似性 在碰撞时 , 要求有下述力的比例关系。 1 )惯性力 ( 6-2 ) 2 )塑性变形力 ( 6-3 ) 完全动态相似时，全部比例因子 必须有相同的传递比例。 ( 6-4 ) ( 6-5 ) 在材料相同的条件下， ，即 ( 6-6 ) 这两个方程的三个基本比例因子中，只有一个可以自由选择，因此优先选择的比例因子应该是与质量或者尺寸成比例的比例因子 。 在材料相同时( )，可以得出如表 6-19 中的相似法则及相似比。 表 6-19 惯性力和塑性变形相似条件下的诱导物理参数与相似比 物理参数 物理法则 相似比 物理参数 物理法则 相似比 时间 质量 变形 惯性矩 速度 1 刚度 加速度 能量 面积 应力 1 体积 例如， , 则 2 (惯性力和摩擦力条件下的相似性 在碰撞过程中，加速度和力关系曲线影响碰撞结束后的运动，所以轮胎与道路之间的惯性力和摩擦力被认为是相关的力。 1 )惯性力 ( 6-7 ) 2 )摩擦力 ( 6-8 ) 完全动态相似时，全部比例因子必须有相同的传递比例，即 ( 6-9 ) 在材料相同的条件下，即 时，可得出 ( 6-10 ) 从而，可以得出如下传递比例，即相似法则见表 6-20 。 表 6-20 惯 惯性力和摩擦力条件下相似 的诱导物理参数与相似比 物理参数 物理法则 相似比 物理参数 物理法则 相似比 时间 体积 体积 力 质量 变形 惯性矩 速度 刚度 加速度 1 能量 面积 应力 二、准(部分)相似性原理 准(部分)相似性原理又称为放宽的相似法则。各个物理法则都一个以上的常数或表示材料性质的物理凉。但是，追求过多的物理法则支配着原型现象，要实现模型就会非常困难，有时甚至不可能。这就要求人们找出起次要作用的物理法则，将其从相似法则中剔除，用解析方法补充或者把现象分开考虑，使得对于一部分可以建立相似模型。即在深刻理解现象本质的情况下，将相似模型法则进行放宽处理。 为此，考虑到轿车碰撞的时间历程时，作为相关力法则，主要引入惯性力和塑性变形力。研究轿车碰撞时，通常采用准相似性原理，这是因为大型轿车车身铁皮与小型轿车的车身蒙皮几乎相等(即有约束的几何相似)。 对于薄蒙皮 也适用屏壁碰撞的传递比例系数，即 ( 6-11 ) 对于力的传递比例，在惯性力和塑性变形力的力传递比例因子相同的条件下，并且材料相同时，即 ( 6-12 ) 得到相似准则为 ( 6-13 ) 表 6-21 部分相似情况下的诱导物理参数与相似比 物理参数 物理法则 相似比 物理参数 物理法则 相似比 时间 质量 力 惯性矩 变形 刚度 1 速度 动能 加速度 势能 面积 应力 体积 体积 剖面 三、借助相似模型原理确定碰撞持续时间 事故严重程度评价指标 可表示为 (6-14) 式中，碰撞持续时间,是无法从事故现场直接获得的，需借助相似力学原理近似地确定。 (6-15) 考虑塑性变形力和惯性力的物理法则，变形能 为 (6-16) (6-17) 持续时间 为 (6-18) (6-19) (6-20) 整理可得到 (6-21) 为了验证上述关系式，用轿车对屏壁以及轿车对轿车碰撞试验，试验结果如图6-13 所示。根据试验结果相对拟合曲线的距离、能量损失以及碰撞持续时间的相关关系，并通过上述相似模型的力学原理得出公式。 图6-13 利用相似模型原理确定碰撞持续时间 1.平均变形力 变形为 (6-22) 刚度为 (6-23) 变形力为 (6-24) 2.汽车前部平均变形刚度与汽车的质量 质量 相似比为 图6-14 汽车前部平均变形刚度与汽车的质量的关系 (6-25) 则刚度为 (6-26) 即 图6-14 给出了汽车前部平均变形刚度与汽车的质量的关系。不同质量的汽车的刚度具有明显的差别，但是，该原则仍可在交通事故模型模拟试验中采用，来对事故参数进行初步推断。 (6-27) 质量相似比为 (6-28) (6-29) 图6-15 平均变形力与汽车质量的关系 若将研究事故汽车作为原型，而将已有实验汽车作为模型车，则有 ， ，就可由式绘制 平均变形力与汽车质量关系的 特性曲线(见图6 , 15)，求出事故汽车的变形力。 3.汽车长度与质量 变形相似比为 (6-30) (6-31) 质量相似比为 (6-32) (6-33) 则长度计算式为 (6-34) 即 (6-35) 若将所研究的事故汽车作为原型，而将已有实验汽车作为模型车，则有 ， ，就可由式 (6-35) 绘制 汽车程度与汽车质量的关系 曲线(见图6 , 16)，求出事故汽车的变形力，从而比较有关部门计算结果是否合理。 图6-16 汽车长度与质量的关系 4.汽车转动惯量与质量 转动惯量相似比为 (6-36) (6-37) (6-38) 质量相似比为 (6-39) (6-40) 所以 (6-41) 即 (6-42) 若将所研究的事故汽车作为原型车，而将已有实验汽车作为模型车，若原型车的转动惯量为 ，模型车的转动惯量为 就，可由式 (6-42) 绘制 汽车转动惯量与汽车质量的关系 曲线(见图6 , 17)，求出事故汽车的转动惯量 。 图6-17 汽车转动惯量与质量的近似关系 5.汽车前部最大变形量与质量 最大变形为 ，则 (6-43) 由质量 得 (6-44) 则 ，即 (6-45) 在交通事故实践中，可将所要分析的事故汽车作为原型车，而将已有实验汽车作为模型车，若原型车 汽车前部最大变形量为 ，模型 汽车前部最大变形量为 为 就，可由式 (6-45) 绘制 汽车前部最大变形量与汽车质量的关系 曲线(见图6 , 18)，求出事故汽车 前部最大变形量为 。 图6-18 汽车前部最大变形量与质量的关系 第三节 汽车碰撞后轨迹相似模型试验分析 因为汽车事故往往是在一瞬间内完成的，所以得到目睹者正确的证言是有困难的(作为事故再现的一种方法，采用同样型号的汽车，用推测的碰撞速度和角度进行碰撞实验。如果汽车的破坏状态，轮胎在路面上留下的痕迹以至最后汽车停车的位置等等与事故现场情况一致，那就可以认为在实验所用的初始条件下发生了实际的事故(在两者不一致的情况下，改变初始条件，重新进行实验 上述方法也许有一定的可靠性，然而费用高、周期长，重复性差，难称得上是切合实际的方法(于是，有人建议用模型进行一系列的实验。但是，进行实验之前，先要弄清模型实验的可靠性( 一、现象的物理解释 假定汽车的运动全是二维的。仔细观察汽车事故过程，可以认为汽车事故这种现象是两个现象的连续。一个是碰撞本身，它发生在两辆汽车接触期间，差不多只持续 0.1 , 0.2 秒左右。在这个过程中，唯有惯性力所代表的汽车间的动量交换起支配作用，至于来自外部的力，例如:轮胎与路面的摩擦等等都可以忽略。与这个过程相反，碰撞后，两汽车互相离开，分别画出各自的运动轨迹。这种运动通常要持续几秒钟，在这个过程中惯性力和轮胎的摩擦起着支配作用，这是需要研究的问题。 碰撞引起的汽车的加速 ( 或减速 ) 受到车体弹塑性变形的影响。然而，由于碰撞时间与碰撞后的时间相比非常短，所以可以认为碰撞引起的动量交换是瞬间进行的，碰撞后的轨迹仅由碰撞后汽车的动量决定，此动量交换的过程对碰撞后的轨迹影响很小。因此，碰撞中的汽车可以当作刚体来处理(由碰撞所交换的动量仅由恢复系数 e 和车体间的摩擦系数 f 决定。 二、支配现象的物理法则 支配碰撞后汽车运动主要有惯性力和轮胎与地面之间的滚动摩擦阻力(或附着力)。 1)碰撞中的运动 汽车的惯性 ( 伴随着能量损失的动量的交换由恢复系数 和车体间的摩擦系数 决定 ) 。 2)碰撞后的运动 惯性力 为 (6-46) 式中: 为车的质量; 为时间， 为长度; 为速度。 轮胎与路面的滚动摩擦阻力 为 (6-46) 式中: 为轮胎与路面之间的摩擦系数。 本身就是无因次量，在模型和原型中是相等的。 三、试验及结果分析 假定模型为美国普通轿车 (Chevrolet 型 ) 平均大小的 1/16 。作为主要尺寸，除了把总长、宽、轮轴距、重心的位置、绕重心的旋转半径、轮胎的直径按比例缩小外，如 图6-19 所示，剩下的部分只有铝块。 图6-19 模型汽车 由于模型汽车的重量不用相似法则来规定，所以只要前后轮的分配与原型相同，则重量本身就可以自由选择。但是，因轮胎的摩擦系数是轮胎与路面间接触压力的函数，所以为使模型的压力与原型相等，假定模型的重量为原型的 (1/16) 2 。 用实际轿车所进行的实验，碰撞时的恢复系数几乎为零，而车体之间的摩擦系数 约为 0.5 (为了在模型中给出这些系数，在碰撞接触面上粘结成一个吸能纸制蜂窝结构 ( 参照图6-19) 。 在实物实验中轮胎与路面的摩擦系数约为 0.6 。为了得到大致相同的摩擦系数，对于模型实验用的平台进行了表面处理。用尼龙绳把两个模型连起来，绳子的另一端与螺旋弹簧连结，通过放开被拉长了的螺旋弹簧，拉动绳子，从而使模型加速到预定的速度。碰撞后模型的运动由安装在实验台上方的高速摄录装置进行拍照。 碰撞后模型与原型的轨迹如 图6-20 和图6-21 所示。两者非常一致，可以认为相似法则得到验证。 图6-20 碰撞后汽车的轨迹 注:碰撞发生在两台汽车成直角，一台撞冲另一台后方的侧面，两车都用原型尺寸， 碰撞前速度为 32km/h 。 图6-21 碰撞后汽车的轨迹 注:碰撞发生在两辆汽车成直角，一辆撞冲另一辆后方的侧面，两车都用原型尺寸， 碰撞前速度为 64km/h 。 四、相似法则 汽车惯性力支配着碰撞过程 ( 伴随着能量损失的动量交换由恢复系数 和车体间的摩擦系数 决定 ) 。支配碰撞后汽车运动主要有惯性力和轮胎与地面之间的滚动摩擦阻力(或附着力)。有关相似法则见图6-22 。其中， 、 和 不是支配碰撞现象的主要因素，而惯性力 和 之比 起着主要的作用。 图6-22 模型车碰撞控制现象的相似法则