汽车事故工程

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 第二节 事故力学与相似模型原理 第三节 汽车碰撞后轨迹相似模型 试验分析

第一节 汽车碰撞试验 一、汽车碰撞规范 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标准(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设计规则(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。其内容包括了被动安全性的各个方面。

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 33 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) 94 前撞乘员防护认证规定 1995年 95 侧撞乘员防护认证规定 34 燃油系统完好规定 1979年

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，转向盘向后移动不能超过12.7cm，也不能向上超过12.7cm。 2．在人体模块碰撞试验中(24.1km/h)，冲击力不能超过11 110N 3．在头形冲击锤试验中(24.1km/h)，冲击锤的加速度不能超过80g-3ms．峰值不 能超过120g。 4．结构设计要求：……。 1．人体模块试验，速度15mph(24.1km/h)力不超过2500pb．(1l 123 N)。 2． 48.3km/h撞障碍壁，转向盘水平后移量不超过5 in。 3．结构设计要求：……。 防止转向机构向驾驶员伤害的认证规定

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。 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。 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；…… 无应对的单独条款，包含在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。 商用车辆驾驶室乘员防护认证规定

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。 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。 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。 无相应标准 试验： 1．使用移动壁或摆锤。碰撞速度为35～38km/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。 追尾碰撞中被撞机动车辆结构特性认证规定

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： 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。 无相应标准．部分内容包含在208中。

前撞乘员防护认证规定 欧洲ECE R94 美国FMVSS 208 要求： 1．HPC≤1 000。 2．THPC≤75mm。 3．FPC≤10kN。 4．碰撞过程中车门不能被撞开，也不能由于碰撞而卡死上：撞后不用工具应能将车门打开。 5．释放约束系统的力≤60N。假人能顺利移出。 6．燃油泄漏量≤30g/min。 1．HIC≤1 000。 2．胸部加速度≤60g(气囊试验可为80g)。 3．胸骨压缩量≤75mm。 4．大腿力≤10kN。 5．假人保持在车内。 6．1996年9月1日后生产的汽车必须安装气囊。2001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： 障碍壁前碰撞试验，60 °夹角。在汽车中心线与障碍壁的交点两侧各350mm处固定防滑装置，前面板的角度应使汽车驾驶员侧先与障碍壁接触，碰撞速度为48～50km。 1．障碍壁前碰撞试验，碰撞速度30mph（1 mph＝1.609km/h)，90 °+30 ° 内，满足要求1、2、3、4、5。 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。 前撞乘员防护认证规定

侧撞乘员防护认证规定 欧洲ECE R95 美国FMVSS 214 要求： 1．在驾驶员侧试验，除非汽车两边的结构明显不同会影响试验结果。 头部HPC≤1 000。 胸部肋骨变形RDC≤42毫米。 软组织指标VC≤1.0 m/s。 腹部力不大于2.5kN内力(4.5kN外力) C=max( )，D—肋骨变形。 2．碰撞过程车门不能被撞开。 3．碰撞后，不用工具应能将车门打开足够的程度，供正常进出、释放假人、移出内部设备，不能有对人体有伤害风险的变形。 4．燃油泄漏量不大于30g/min。若燃油与其它液体混合且不能区分，则全部记录在内。 动态碰撞试验要求 HIC无要求 胸部加速度85g 骨盆加速度130g 胸骨位移、燃油泄漏：无要求 撞击一侧车门不能脱离：非撞击侧车门关闭。 2．静态压缩试验要求 无座椅时： 初始阻力2250 lb，中间阻力3500 lb，峰值7000 lb。 有座椅时： 初始阻力2 250 lb，中间阻力4 375 lb，峰值12000 lb。 要求： 1．在驾驶员侧试验，除非汽车两边的结构明显不同会影响试验结果。 头部HPC≤1 000。 胸部肋骨变形RDC≤42毫米。 软组织指标VC≤1.0 m/s。 C=max( 侧撞乘员防护认证规定

试验： 1．欧洲侧撞假人，可变形的移动壁。有避免二次碰撞的装置，移动壁中心线与汽车的中心线垂直。 2．碰撞点：移动壁的中心通过座椅的R点，偏差为±25mm。 3．碰撞速度50±1km/h。 注：1in=2.54cm l lb=16 oz=0.454kg 1．可变形移动壁碰撞试验，美国侧撞假人，速度33.5 mph(53.9 km/h)。碰撞方式27 接近，90  碰撞面接触。 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 in)。 离地间隙1lin(279mm)。 2．侧面静压试验、 侧撞乘员防护认证规定

燃油系统完好性规定 欧洲ECE R34 美国FMVSS 301 要求： 油箱静压试验： 0.3kgf/cm2(1kgf/cm2≈9.8110-4N/cm2) 10-4N/cm2) 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。 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内每分钟的时间间隔不超过1 oz。回转台试验…… 试验： 1．静压试验。 2．障碍壁前碰撞试验：90° ，速度为48.3～53.1km/h。 3．后碰撞试验：速度35～38km／h，摆锤或移动壁，90°。 1．前障碍壁碰撞试验：90° ±30 °，30mph。 2．后移动壁碰撞试验：90° ，30mph。 3．侧面移动壁碰撞试验：90°，20mph。 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。 燃油系统完好性规定

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。

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。

第一部分法规试验内容 试 验 适用法规 人体模块试验 R12 头型冲击锤试验 无假人48.3km/h障碍壁90 ° 正面碰撞试验 试 验 适用法规 人体模块试验 R12 头型冲击锤试验 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

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 2） 大腿冲击锤撞击发动机盖前缘试验 3） 成人及儿童头部冲击锤撞击发动机盖 上表面试验

3．美国各法规关系分析 4．中国被动安全法规的现状 1）法规项目 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 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证规定 法 规 试验内容 R12 前碰撞转向机构及汽车结构特性的认证规定 1 人体模块转向盘冲击试验。 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 48.3km/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 二、实车碰撞试验方法 1．固定壁碰撞试验 欧洲碰撞试验基本类型

表6-14确试验车的加速方法 型式 分类 特 点 牵 引 式 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。需要训练司机。试验容易，成本低。 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。 使用直线电机 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障，适合于室内试验。试验成本较高。

重力式 重锤下落 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。 下坡行驶 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。

全宽碰撞和偏置碰撞

2．移动壁碰撞试验 侧面碰撞

1）车对车碰撞试验 2）翻车试验

2）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。

三、汽车碰撞刚度 1．力－位移曲线 2．共存性相关

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参数必须相似。 ·几何相似 ·时间相似 ·力相似性 为原型的基本物理参数； 是模型的基本物理参数； 为基本物理参数的比例因子(比例变换)。

基本诱导物理参数 ·变形 ·速度 ·加速度 ·面积 ·体积 ·质量　 ·惯性矩 ·刚度 ·能量 ·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 惯性力 2 塑性变形力

完全动态相似时，所有的比例因子κ必须有相同的传递比例 。 这两个方程的三个基本比例尺中，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 。

·时间 ·变形 ·速度 ·加速度 ·面积　 ·体积　 ·质量 ·惯性矩 ·刚度 ·能量 ·应力

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 2 摩擦力

　　完全动态相似时，━━所有的比例因子必须有相同的传递比例。 在材料相同的条件下，即 时 可得出

从而，可得出如下传递比例，即相似法则 ·时间　 ·变形　 ·速度 ·加速度 ·面积　 ·体积　 ·质量 ·惯性矩 ·刚度 ·能量 ·应力 ·力

二 、准（部分）相似性原理 考虑到轿车碰撞的时间过程时，作为相关力法则，必须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。 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

得到相似准则 ·时间　 ·变形　 ·速度 ·力　 ·加速度　 ·面积 ·体积　 ·质量 ·惯性矩　 ·刚度 ·能量：势能 ·能量：动能 ·应力　 ·剖面

三、借助相似模型原理确定碰撞持续时间 碰撞持续时间Ｔ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。 考虑塑性变形力和惯性力的物理法则，有如下关系

整理可得到 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。

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。 整理可得到 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。

利用相似模型原理确定碰撞持续时间

1 平均变形力与汽车质量

2 汽车前部平均变形刚度与汽车的质量 汽车前部平均变形刚度与汽车的质量的关系

3 汽车长度与质量 汽车长度与质量的关系

4 汽车转动惯量与质量 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 质量 汽车前部最大变形量与质量的关系

思考题 1．说明欧美安全法规之间的关系。 2．简述中国安全法规的现状。 3．简述实车碰撞实验的方法。 4．简述相似模型原理。