汽车安全试验室规划建设方案探讨

陈良校,汪旭明，杨康和

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

汽车安全试验室规划建设方案探讨

陈良校,汪旭明，杨康和

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

随着客户对汽车的使用要求越来越高，建设高水准的整车碰撞试验室对于汽车产品和品牌质量的超越有着至关重要的作用。汽车安全试验室的建设有利于缩短开发周期、降低研发成本、关键技术保密、试验能力建设等相关研发工作的开展。汽车安全试验室将分为两期建设：一期规划建成整车碰撞试验能力，满足国内外NCAP等相关试验标准要求以及部分区域性法规要求；二期建成台车试验、行人保护试验及零部件试验能力，满足国标以及部分国家及区域性标准和法规的要求。建成后的汽车安全试验室将对新开发车型安全性能的要求和考核更加全面和规范。

汽车安全试验室；被动安全；规划

Abstract:As customers are increasingly demanding for car use, construction of a high standard vehicle crash lab has a vital role for automobile products and brand quality beyond.Auto safety laboratory construction is conducive to shorten the development cycle, reduce development cost, secrecy of key technologies,test ability construction and related research and development work. The construction of auto safety laboratory is divided into two phases: in the first phase of planning, the vehicle crash test ability was built, to meet the requirements of the domestic and foreign related test NCAP standards and some of the regional code; in the second phase of planning, car test, pedestrian protection test and parts test ability were completed, to meet the requirements of the national standard, and part of the national and regional standards and regulatory.After the completion of the laboratory, the requirements of safety performance to a new development model and evaluation will be more comprehensive and specification.

Keywords:Auto safety laboratory；Passive safety; Planning

0 引言

随着越来越多的家庭轿车投入使用，消费者对汽车的性能特别是安全性能越来越重视。在中国，随着生物力学研究、交通事故统计分析、事故再现分析技术研究的深入，政府对减少交通事故中人员伤亡损失情况十分重视，并逐步形成了较为完善的机动车辆安全法规。经过多年的研究，在汽车碰撞试验方法、标准，试验碰撞假人、测量分析仪器和伤害评价方法等方面取得了极大的成果。

1 被动安全试验室建设规划的必要性

碰撞试验是汽车研发、设计人员了解碰撞过程、掌握有关碰撞的设计数据、改进汽车安全设计的重要手段。

现在，随着计算机技术的不断发展，汽车碰撞试验能够通过计算机进行模拟，从而使汽车工程师能够在真实碰撞前对汽车的安全性进行改进，设计出更加安全的汽车，从而减少汽车真实碰撞的费用和时间。

然而计算机进行的虚拟碰撞试验存在很多与现实情况差异很大的盲区，会对试验结果的分析造成误判，真实碰撞试验能够暴露更多的问题，因此，尽管利用计算机模拟技术可对很多汽车设计缺陷进行改进，但它仍不能完全替代真实的碰撞试验。所以，世界各大汽车厂商都在采用计算机模拟碰撞试验对车辆进行改进的基础上，投入大量的财力进行碰撞试验室的建设。

2 被动安全试验室建设规划目标设定

被动安全试验室功能复杂，设备、试验场地建设投资较大，因此在考虑整体规划建设时必须按照整体规划、分步实施进行。从公司的现状、后期的研发车型以及试验的成本考虑，被动安全试验规划建成目标需要涵盖两个方面：

2.1 整车项目

根据目前法规要求，考虑到整车的安全性以及行人保护，依据现有的C-NCAP测试标准，针对整车主要进行的试验项目有：

(1)正面100%重叠刚性壁障碰撞试验

要求对一种车型进行车辆速度50 km/h与刚性固定壁障100%重叠率的正面碰撞。

(2)正面40%重叠可变形壁障碰撞试验

车辆速度56 km/h对可变形壁障40%重叠率的正面偏置碰撞。

(3)可变形移动壁障侧面碰撞试验

可变形移动壁障速度50 km/h与车辆的侧面碰撞。

(4)实车追尾碰撞试验

可变形移动壁障速度50 km/h与车辆的侧面碰撞，评价汽车燃油系统在汽车追尾碰撞试验中和试验后的防火安全性能。

(5)车对车角度碰撞试验

车对车多角度碰撞主要考虑到0～90°范围内的，每隔15°有一条牵引轨道，实现车车对碰(此项目在实际研发过程中的实际意义不大，主机厂可根据自己的最终要求考虑是否需要)。

2.2 零部件及台车碰撞项目

根据现有试验项目需求，零部件及台车碰撞项目主要包含：安全气囊匹配开发试验、行人保护、胸块、膝盖冲击模块以及直线头型等试验项目，具体包含以下几个方面：

(1)气囊匹配开发试验能力

①汽车安全气囊的匹配开发试验

柱碰撞试验、30°斜角碰撞试验、刚性壁偏置碰撞试验、各种不同速度的碰撞试验。

②汽车安全气囊模块的完整性试验

静态气囊起爆试验、模拟头部模块和胸部模块的气囊跌落试验。

(2)座椅动态强度试验(GB15083、ECE R17)

(3)头枕动态强度试验(Whiplash)(FMVSS202a、Euro-NCAP)

(4)行李箱冲击试验(GB15083、ECE R17)

(5)气瓶安装强度动态试验(ECE R67、ECE R110)

(6)儿童座椅动态性能试验(ECE R44、FMVSS213)

(7)门锁门铰链动态试验(GB15086、ECE R11)

(8)内部突出物乘员保护性能的动态试验(GB11552、ECE R21)

(9)货车后下部防护装置的实车钻入碰撞试验

(10)加速台车碰撞项目

3 基于设定目标满足标准的情况

3.1 第一期需满足的法规要求

(1)满足国家法规碰撞试验要求：GB11551、GB20071、GB20072、GB/T20913。

(2)满足国际标准碰撞试验要求：CE R94、ECE R95和FMVSS 208。

(3)满足法规测试要求：C-NCAP、Euro-NCAP。

3.2 第二期需满足一期以外的法规需求

被动安全国内、国际试验法规见表1。

表1 被动安全国内、国际试验法规

3.3 各国安全评价体系要求

国际国内NCAP测试项目及要求见表2。

表2 国际国内NCAP测试项目及要求

4 基于设定目标的厂房建设规划

4.1 轨道要求

对于主机厂来讲，所有设备最好能够覆盖公司研发的所有产品序列，从实际的成本和使用角度来讲能够做到，但是经济型、结果的准确性都将会受到很大的制约，特别是车型等级越多、吨位和长度相差太大的情况下这一制约体现得愈加明显，因此根据公司现有产品线的特点以及最大限度地发挥试验室的功用，相关设定目标要求如下：

车辆质量m≤5 t；牵引速度v=2～ 120 km/h；牵引过程中加速度a≤0.30g。

通过图1所示整车碰撞过程各个阶段所需的时间和所要达到的速度，为了保证试验车牵引平稳，牵引过程中加速度不能有突变，牵引过程由三部分组成：缓起步阶段；匀加速阶段；平稳阶段。

设加速度坡度为ap(m/s3)，缓起步段时间为t1(s)，匀加速段时间为t2(s)，平稳过渡段时间为t3(s)，稳速段时间t4(s)，加速跑道长s(m)。根据以下数据计算所需试验场地及跑道长度：

s=[0.5×(t1+t2+t3)+t4]×v

4.2 地坑要求

为保证在坑底部有更好的拍摄视野，位于坑底的摄像机尽可能获得完整的拍摄视野重叠而无视觉障碍，目前的盖板制造商允许摄影坑盖板有一种“部分导向配置”，这种装置能使被测试车辆在无限接近碰撞点时才被释放而在碰撞点下方有一整块全开视野的盖板。

通过对跑道的设计以及和制动小车的距离配合，保持制动站位置就在摄影坑边缘，且释放点在摄影坑上方的盖板轨道内而没有复杂的或多余的妨碍视觉障碍的机械装置，这样的摄影效果是最佳的，确保能在同一时间获取无障碍的拍摄效果及高碰撞点精度。具体如图2所示。

4.3 灯光系统设计要求

由于目前的碰撞试验室在整个碰撞区域有两个碰撞点，相距约为150 m，如果只用一套灯光系统，必须有一个很长的电缆管理系统横贯两个区域内。另外由于电缆的内部电阻问题，灯系统的功率可能会减少25%～30%左右(电阻损失)。

灯光系统在整个试验过程中虽然属于辅助系统，但是由于它对最终的结果有很大的指导作用，因此必须全面考虑灯光系统的各个方面：

(1)照度

对于高速摄影/摄像会使用CMOS高速相机。典型的帧频为1 000 fps,曝光时间为1/5 000或更少。特别在车对车多角度碰撞时，精确的碰撞点是非常难以事先估计的。如果相机提供一个较好的聚焦深度，这个是可以覆盖的。 因此需要采用光圈级数5.6甚至是8的相机。 光照度(LUX)不是由高速摄影相机来决定的，而是由光子通量和与波长相关的光通效率的CMOS传感器来决定的。这样类似的信息很难找到,通常根据ASA/ISO的定义是根据传感器的灵敏度。

对于目前规划的试验室系统建设需求，要求平均有120 000 LUX (在开启Boost功能情况下)，同时地坑中应有55 000 LUX的光照强度，这是在实验方案中主要测试区域的标准值。

高速摄影灯光亮度计算:

常量因子A=25.5，帧频f=000，光圈F=5.60，快门开角ShA=72，拍摄速度S=400，曝光时间T=1/5 000，尺烛光9.996。曝光时间公式：

LUX值不是由CCD 或CMOS传感器来决定的，是由灯光系统的光谱能量分布来决定的。对于灯光系统，要求规定的LUX值是真实可信的(光谱和太阳光光谱基本吻合)。在系统的设计阶段，这些值将被通过计算有效的光通量来再次验证，通过计算来选择相机供应商，也就是说公式中的F是通过计算确定的，而不是由相机供应商所提供的。

(2)有效照度

即便光照度是由LUX的测量来定义的，但是对于高速摄影和相机系统，光照效率或更好的有效照度可能会有所不同。

LUX测量是通过一个传感器，和人类双眼的敏感度类似(图3(a),其中曲线1覆盖的区域代表紫外线涵盖的区域范围，曲线2覆盖的区域代表红外线涵盖的区域范围，曲线3覆盖的区域代表人眼可见的可见光区域范围。但是重要的是，对于安全测试应用来讲，有效的辐照度是由摄影或视频的灵敏度来决定的(图3(b))。因此，光照系统更需要满足这个敏感度，而不仅仅只是这个照度值。

4.4 高速摄像系统的选择

碰撞试验是一项高速的、破坏性极大的试验项目，试验的目的是为了发现设计缺陷，以便做出最优的整改，设计出更加安全的整车，让消费者更加放心地去感受车辆带来的生活品质，因此作为设计和试验人员势必要清楚地知道车辆在整个试验过程中的各个阶段发生的瞬间，这里就要提到最常用的高速摄像系统。

高速摄像系统不仅可以记录高速运动图像(假人的动态，车辆的形变等)，也可以用来分析位移、速度、加速度以及汽车零部件的其他参数。

整个一套高速摄像是针对碰撞瞬间要求设置的，可以说基本上要求的是全方位、立体式拍摄，为此要在不同的区域和角度放置多个相机(见图4)，由于对同一点的变化量需要综合各个角度的数据加以剖析，因此对于同一点所有相机拍摄的必须是同一时刻内的同一个画面，否则，由于相机的时差不一致，在同一时刻拍摄的位置变化不是同一个外力所造成的结果(图5)，势必会使最终的试验结果分析有偏差，进而影响整改方向和应对措施，因此所有相机的同步性至关重要。在选择高速摄像时，同步信号线缆把所有的高速摄像机联成一个多机系统，在这个系统中的所有高速摄像机在拍摄时完全同步，如图4所示，每台高速摄像机的所有图片都同步。

图4 高速摄像机分布示意图否则，每台高速摄像机在拍摄时只使用自己的时钟，相机和相机间所拍摄的照片会有时间差异，如图5所示。

4.5 其他辅助设施的配置

碰撞试验室是一个系统的工程，除以上所述，还有诸如：碰撞假人、数采系统以及传感器等相关设备也是保证最终结果的必要配置，这些主要和辅助设备的相互配合，才有最终的可靠的、真实的试验结果。

5 总结

碰撞试验室不仅仅是一个电机牵引着一辆汽车发生一场预计性的碰撞，碰撞试验室是技术含量很高、涵盖范围很广的一项试验工程，国内对碰撞试验重要性的认识日益加深，各大汽车厂商纷纷开始建碰撞试验室。

作者公司新建规划的碰撞试验室方案将涵盖以下3个技术创新点：

(1)从碰撞安全技术向主动避撞技术发展。

(2)集成汽车主动避撞技术和碰撞安全技术于一体，实现新的一体化汽车安全技术的新概念。

(3)一体化安全技术的开发需要一个综合了碰撞安全和主动避撞技术的“汽车一体化安全技术开发试验室”。

汽车碰撞试验属于高投入、高科技、高技术含量的汽车安全性能试验。目前, 我国能开展这项试验的实验室逐年增加，特别是自主品牌汽车生产商更加快速地认识到碰撞试验对整车性能的影响。相信随着汽车被动安全法规的出台实施, 汽车碰撞试验在我国也必将得到长足的发展。这也将影响到我国汽车工业的技术革新和与世界一流汽车厂商的技术接轨。

【1】 付百学.汽车试验技术[M].北京:北京理工大学出版社，2007:265-356.

【2】 赵立军，白欣.汽车试验学[M].北京:北京大学出版社，2008:423-531.

【3】 钟志华.汽车碰撞安全技术技术[M].北京:机械工业出版社，2005:132-265.

AutoSafetyLaboratoryPlanningandConstructionScheme

CHEN Liangjiao,WANG Xuming,YANG Kanghe

(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

2014-04-11

陈良校(1986—)，男，本科，主要从事汽车零部件及总成的台架试验方法研究。E-mail：jacclx@163.com。