偏置碰撞中驾驶员假人脚掌翻转对小腿伤害的影响

商恩义　岳国辉　刘珍海　孙保卫

（浙江吉利汽车研究院有限公司浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州311228）



偏置碰撞中驾驶员假人脚掌翻转对小腿伤害的影响

商恩义岳国辉刘珍海孙保卫

（浙江吉利汽车研究院有限公司浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州311228）

【摘要】针对左舵和右舵两款车型正面偏置碰撞试验中驾驶员假人左小腿下端所受伤害进行了研究，对造成脚掌翻转的影响因素进行了分析。结果表明，搁脚板向内侵入将会造成假人左脚掌上翻，车体转动将会造成假人脚掌外（内）翻，当假人脚掌翻转超过踝关节损伤容限时，将导致假人小腿伤害加重。指出，搁脚板的设计和布置应充分考虑碰撞时对脚掌翻转的影响，要保证前防撞梁的完整性和抗撞击性；规划传力路径时，要保证左、右B柱下速度差值小于2 m/s。

1　前言

在中国新车星级评价程序（C-NCAP）和欧洲新车评价程序（Euro-NCAP）中均规定了64 km/h正面40 %偏置碰撞试验[1，2]，在该偏置碰撞试验中，假人小腿是失分重点部位。日前，对于造成假人小腿伤害的原因研究较少，普遍认为是由小腿与仪表板等前方内饰件发生撞击造成，通常通过增加膝部气囊来解决此问题。但事实上，偏置碰撞试验中假人脚掌常常发生上翻、内翻或外翻，当脚掌翻转造成假人脚踝部活动超过其损伤容限时将造成踝关节损伤。如在摆锤撞击试验时，当脚掌上翻45°时，踝关节处发生骨性骨折或韧带断裂概率为50 %，脚掌内翻和外翻为60°时，发生骨折或韧带断裂损伤的概率为50 %[3～5]。因此，当试验中假人脚掌翻转达到踝关节的最大活动范围时，必将增加对小腿的伤害。基于此，本文对脚掌翻转对假人小腿伤害的影响进行了研究。

2　小腿伤害形式和评价方法

正面偏置碰撞试验用假人小腿内部结构如图1所示[6，7]，在小腿上部和下部嵌有载荷传感器。试验时假人左小腿摆放姿态如图2所示。

碰撞过程中，假人脚底因受到挤压和摩擦将产生斜向上方的合力F，该力在载荷传感器位置产生力F′，同时产生弯矩M[8]。力F′和力矩M可能造成小腿剪切断或折断，因此，试验中通常采集假人小腿上部和小腿下部（图1中传感器位置）各3个方向的力（Fx、Fy、Fz）及x、y方向的弯矩（Mx、My），以评价假人小腿上部和下部所受到的伤害。力和弯矩的方向规定[9]为：剪切力Fx以脚踝向前、膝盖向后为正；横向剪切力Fy以脚踝向右、膝盖向左为正；轴向力Fz以受拉为正；Mx以膝盖不动、脚踝向左为正；My以膝盖位置向后、脚踝向前为正[10]。

图2　假人左小腿摆放姿态

C-NCAP中，评价假人小腿伤害的指标包括直接测量得到的小腿轴向力Fz及通过弯矩和力计算得到的小腿胫骨性能指标TI，其中，Fz对应的高性能指标（对应满分）和低性能指标（对应零分）分别为2 kN和8 kN；TI对应的高性能指标和低性能指标分别为0.4 和1.3。

TI计算式为：

式中，Mr为合成弯矩，由计算得出；Mc为临界弯矩，取为225 N·m；（Fc）z为z向临界压缩力，取为35.9 kN。

目前，在正面全宽碰撞试验中，假人小腿上部伤害指标要比小腿下部指标高[10]，但是，在偏置碰撞试验中，往往是假人小腿下部伤害指标偏高，偏高的伤害指标通常是TI。式（1）和式（2）表明，TI主要是受Fz、Mx和My的影响，而Mx和My反映了小腿发生“骨折”的程度，与脚掌翻转程度密切相关。

3　偏置碰撞试验中脚掌翻转对小腿伤害的影响

3.1假人脚掌上翻对小腿伤害的影响

在某款左舵车的某次开发试验（试验L）中，驾驶员假人左小腿下部性能指标如图3所示。由图3可看出，当碰撞至124 ms时，TI值最大，为0.649 5，仅得2.89分（满分为4分）。失分原因为：在碰撞时间为120～140 ms内，Mr/Mc曲线产生明显突变，即Mr产生突变。

3.1.1Mr突然增大原因分析

图3　试验L中驾驶员假人左小腿下部性能指标曲线

通过分析碰撞过程中驾驶员假人左小腿下部Mx曲线和My曲线（图4）可知，在碰撞时间为120～140 ms内，Mx和My均明显增大，但My增大更明显，这是Mr增大的主要影响因素。

3.1.2My产生突变原因分析

图4　试验L中驾驶员假人左小腿下部Mx和My曲线

在碰撞过程中，小腿作为具有较高强度的“短棒”，其上部传感器测得的剪切力Fx与下部传感器测得的弯矩My必将存在一定联系。已知小腿上、下传感器间距约为0.235 m，当脚掌下的脚踏板或搁脚板严重侵入，小腿产生转动，且小腿上部未发生碰撞或只发生轻微碰撞时，则有My=0.235Fx；当假人脚下踩实，大腿前冲，膝部受到向前及向下的作用力时，小腿将产生对折的趋势，此时My≈0.12Fx[11]。令Fx作用下的弯矩My′=k1Fx（k1为Fx作用下小腿产生绕y轴弯矩时的距离），通过试取k1值使My′≈My，则可依据k1值的大小判断小腿受到伤害的具体情况。当k1取0.235时，试验L中My与My′的关系如图5所示。

由图5看出，在碰撞试验进行至120～140 ms内，My与My′吻合较好，表明k1取0.235是合适的，反映了碰撞中搁脚板及假人左脚下部防火墙可能发生严重侵入，该侵入造成假人左脚脚掌上翻，且翻转角度超过脚踝损伤容限，最终导致小腿下传感器位置产生的My突然增大。3.1.3搁脚板部位变化分析

图5　试验L中假人左小腿下部My与My′关系曲线

碰撞前、后驾驶员假人左脚下部搁脚板照片分别见图6和图7。对比图6和图7可看出，碰撞后仪表板前端面已发生上翘，制动踏板已向后下方侵入，搁脚板已向右上方扭转侵入。

3.1.4仿真研究

图6　碰撞前假人左脚下部搁脚板照片

图7　碰撞后假人左脚下部搁脚板照片

为确认搁脚板侵入造成假人脚掌上翻进行了仿真试验。仿真试验中，碰撞前假人左脚及左小腿姿态如图8所示，碰撞至120 ms时假人左脚及左小腿姿态如图9所示。

图8　碰撞前假人左脚及左小腿姿态

与图8相比，图9中搁脚板后侵、上翻，同时，假人左脚脚后跟与搁脚板底部紧贴，脚掌也上翻，且伴有轻微外翻。

由上述分析可知，试验中造成驾驶员假人左小腿下TI值偏大的主要原因是搁脚板向后侵入造成前脚掌上翻，且上翻超过了踝关节的损伤容限。脚踝在损伤容限内运动时，TI最大值为0.137 4（突变前），远小于高性能限值（0.4）；脚踝超过损伤容限运动时，TI值达到0.649 5，约为突变前的4.7倍，被扣掉1.11分，该结果表明试验L中假人左脚掌上翻超过脚踝损伤容限是造成小腿失分严重的主要原因。

3.2假人脚掌外（内）翻对小腿伤害的影响

以某款右舵车在开发过程中所进行的某次正面偏置碰撞试验（试验S）为例，研究假人脚掌外（内）翻对小腿伤害的影响。

试验S中驾驶员假人左小腿下部性能指标如图10所示。

图10　试验S中驾驶员假人左小腿下部性能指标曲线

由图10可看出，在碰撞进行至89 ms时，TI值达到最大，为1.059，得分为1.07，失分为2.93分，失分相当严重。失分原因为：在碰撞进行至75～105 ms之间时，Mr/Mc曲线产生明显突变，即Mr明显增大。

3.2.1 Mr突然增大的主要影响因素

通过Mx曲线和My曲线（图11）来分析Mr突然增大的主要影响因素。由图11可看出，在碰撞进行至75～105 ms之间时，Mx和My均增大，但Mx增大更明显，即假人左小腿下部Mr突然增大的主要影响因素是Mx突然增大，因此，需要对Mx突然增大的影响因素进行研究。

3.2.2 Mx产生突变原因分析

Mx可由Fy和Fz的作用产生，但因正面偏置碰撞中Fy通常较小，因此主要由Fz作用产生。在碰撞过程中，Fz将沿假人小腿轴心线向下作用，当假人小腿轴心线与脚底支撑点之间存在距离时，将对假人小腿下部产生弯矩Mx，因此，Mx的大小除与Fz的大小有关之外，也与小腿轴心与脚底支撑点之间的距离有关。

图11　试验S中驾驶员假人左小腿下弯矩曲线

令假人小腿轴心线到脚底支撑点的距离为k2，假人小腿下部Fz在距离k2时产生的x向弯矩为Mx′，则有Mx′= k2Fz。试取k2值建立Mx与Mx′之间的关系，当Mx和Mx′近似相等时，则可确认碰撞过程中k2值。假人踝关节中心到脚底距离约为100 mm，当假人脚掌外翻至脚底与小腿轴心线近似平行时，该距离即近似为小腿轴心线到脚底支撑点之间的最大距离，则假人脚掌在外（内）翻转过程中，小腿轴心线到脚底支撑点之间的最大距离近似为100 mm。

通过分析试验S中k2值来研究碰撞过程中假人左脚掌的翻转情况。将k2值取为95 mm，则试验S中驾驶员假人左小腿下部Mx与Mx′之间的关系如图12所示。

图12　试验S中驾驶员假人左小腿下部Mx与Mx′关系曲线

图12中，当k2取95 mm时，在碰撞进行至75～105 ms时，Mx与Mx′吻合较好，表明碰撞过程中脚掌发生了翻转，因k2取值接近100 mm，小腿轴心线与脚底面几乎平行，所以翻转相当严重。该外翻导致假人左小腿下部Mx突然增大，最终造成Mr突然增大。试验后经检查假人踝关节已不能运转，需要进行维修。

3.2.3假人左脚掌翻转情况分析

由图12可看出，在碰撞开始后的前75 ms，Mx为负，在75 ms后Mx为正，且Mx为正值后幅值增加迅速。该现象表明，在75 ms前，假人脚底支撑点处于小腿轴心线右侧；在75 ms后，支撑点从小腿轴心线右侧突然转至左侧，且翻转较快、程度较大，在碰撞89 ms时刻为假人脚掌翻转最大时刻。

另外，通过高速摄像分析假人左脚掌翻转情况。碰撞前假人左脚及左小腿姿态录像截图如图13所示，碰撞至89 ms时刻假人左脚及左小腿姿态录像截图如图14所示。

图13　碰撞前驾驶员假人左脚及左小腿姿态录像截图

图14　碰撞至89 ms时刻假人左脚及左小腿姿态录像截图

比较图13和图14可看出，碰撞过程中假人左脚外翻严重，验证了基于数据分析结果的正确性。

由上述分析可知，对于试验S，假人脚掌正常外翻过程中，假人左小腿下部TI最大值为0.134 7（突变前），仅为高性能指标的1/3；但当外翻超过踝关节的损伤容限后，TI最大值达到1.059，为突变前的7.9倍。该结果表明假人脚掌外翻超过脚踝损伤容限将导致小腿TI发生突变增大，最终将造成假人小腿在星级评价中严重失分。

4　假人脚掌翻转的影响因素分析

4.1假人脚掌上翻的影响因素

试验L完成后，车体前端变形情况如图15所示，右侧吸能盒与前防撞梁的变形情况如图16所示。

由图15可看出，碰撞后前防撞梁断裂，且碰撞侧变形明显；由图16可看出，车体右侧的防撞梁与吸能盒的连接点开裂，吸能盒引导槽完好，碰撞中没有参与变形吸能。由此表明，碰撞试验L中前防撞梁失效，没有起到向两侧传递碰撞力作用及防撞作用，导致碰撞能量主要由碰撞侧变形吸收，碰撞侧后移量较大，后侵变形严重，最终造成搁脚板上端部位发生后侵、上翻。在假人前冲、脚底与搁脚板贴紧的情况下，搁脚板上翻必将造成脚掌上翻。

4.2假人脚掌外（内）翻的影响因素

图16　碰撞后车体右前端变形情况

在偏置碰撞过程中，当假人膝部与仪表板接触后，伴随假人继续前冲，假人脚掌通常将抬起，而当臀部发生回弹、胸部前扑下压后，假人脚掌则向下回落。在假人脚掌下落过程中，如果假人相对车体发生严重偏转，则通常会出现假人脚下踩到搁脚板或脚踏板边缘的情况，进而导致假人脚掌发生内翻或外翻。而假人相对车体发生偏转，与偏置碰撞过程中车体发生转动有关。

在偏置碰撞试验中，车体通常要发生以偏置刚性壁障碰撞侧棱边为轴的转动，左舵车为逆时针方向，右舵车为顺时针方向。规定车体前、后方向为x向，向前为正。试验过程中采集左、右B柱下x方向的加速度，试验后积分成速度（以下称B柱下速度），则车体的转动可以通过左、右B柱下x方向的速度差值反映，差值出现越早车体转动发生越早，差值越大车体转动越快。收集了24组假人小腿伤害值基本没有失分的偏置碰撞试验数据，对这些试验中左、右B柱下的速度差值进行了统计，结果表明，车体碰撞反弹后，碰撞侧B柱下速度通常为-2 m/s左右，即反弹速度为2 m/s左右，而非碰撞侧的B柱下速度通常为0左右，即左、右B柱下速度差值约为2 m/s左右。因此可认为，当左、右B柱下速度差值小于2 m/s时，碰撞中假人脚掌的翻转较小，不会超过脚踝的损伤容限。

试验S结束后，将左、右B柱下x向速度进行积分，对积分后的速度进行比较，如图17所示，碰撞后车体底部前端照片如图18所示。

由图17可看出，碰撞10 ms后，左、右B柱下端开始出现速度差，至70 ms后速度差增幅明显，最大速度差值达到3.4 m/s，速度差值不但出现早且差值较大，必将导致车体发生快速旋转。由图18可看出，相对于副车架左侧，副车架右侧侵入明显，该结果表明碰撞过程中车体左、右两侧受力明显不均，必将造成车体在碰撞过程中发生高速旋转。

图17　左、右B柱下x向速度曲线

图18　碰撞后车体底部前端照片

综上所述，在试验S的碰撞过程中，车体左、右两侧传力不均造成了左、右B柱下端速度差偏大，车体旋转速度过快，进而造成假人相对车体运动时发生过度偏转，假人脚掌在下踩过程中踩偏，进而发生外翻。

5　结束语

通过对左舵、右舵两款车正面偏置碰撞试验中驾驶员假人左小腿下端伤害进行研究，以及对造成脚掌翻转的影响因素进行探讨，结果表明，在偏置碰撞过程中，搁脚板向内侵入将会造成驾驶员假人左脚掌上翻，车体转动将会造成假人脚掌外（内）翻，当脚掌翻转超过踝关节的损伤容限时，将导致假人小腿伤害指标迅速上升。因此，在搁脚板设计和布置过程中，要充分考虑碰撞时对脚掌翻转的影响，同时，也要保证前防撞梁的完整性和抗撞击性。另外，在规划传力路径时，应将偏置碰撞过程中的碰撞力尽可能向两侧平均传递，确保左、右B柱下速度的差值小于2 m/s，以此降低碰撞过程中车体旋转强度。

参考文献

1中国新车评价规程（C-NCAP）.(2013-03-01).http// www. c-ncap.org.

2 European New Car Assessment Program (E-NCAP).（2013-03-01）. http// www. euroncap.com

3商恩义，乌秀春.乘用车两种碰撞前排乘员伤害对比.汽车工程师，2013（9）:44～48.

4白鹏.两种碰撞标准的试验对比.天津汽车，2005（2）:20～ 23.

5陈海斌，王正国，Albert I King，等，汽车碰撞事故中下肢的损伤容限与机制.汽车安全与节能学报，2010，1（4）：253～259

6Denton ATD,Inc.Denton Products and Services USA SAE, 2007.

7USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE, 1998.

8张春林，崔来友，谈诚，等.人体足底受力测试及其分析.北京理工大学学报，2004（7）:567～570.

9孙振东，朱海涛，刘玉光.正面碰撞试验中乘员小腿伤害特性研究.第五届国际汽车交通安全学术会议.长沙，2007.

10 USA Society of Automotive Engineers（USA SAE）. SAE J211-1: Instrumentation for Impact Test–Part1–Elec⁃tronic Instrumentation, REV.MAR95.USA SAE, 2003.

11商恩义，高劲松. A级车正面全宽碰撞试验中假人小腿伤害研究.汽车技术，2012（7）:5～9.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2015年10月24日。

Influence of Sole Flexion of Driver Dummy to Tibia Injuries in Frontal Offset Impact Test

Shang Enyi, Yue Guohui, Liu Zhenhai, Sun Baowei
（Geely Automobile Research Institute, Zhejiang key Laboratory of Automobile Safety Technology, Hangzhou 311228）

【Abstract】The driver dummy’s left lower leg in two frontal offset impact tests of LHD and RHD are investigated, and the influencing factors that cause the sole flexion are analyzed. The results show that footrest intrusion will cause upper flexion of the left sole, whereas movement of the vehicle body will cause exterior (interior) flexion of the dummy’s sole; once the dummy’s sole flexion goes beyond the injury tolerance limit of ankle, injury of the dummy’s lower leg aggravates. It is pointed out in the paper that design and arrangement of the footrest shall fully take into account of the influence on sole flexion in collision, the integrity and crashworthiness of the anti-collision beam must be assured; when planning force transfer path, the velocity difference between left B pillar and right B pillar must be lower than 2 m/s.

Key words:Automobile，Frontal offset impact，Driver dummy，Sole flexion，Tibia injury

中图分类号:U467.1+4

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0047-05

主题词:汽车偏置碰撞驾驶员假人脚掌翻转小腿伤害