劉果

【摘 ?要】2017年中國汽車工程研究院與中保研汽車技術(shù)研究院聯(lián)合發(fā)布中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）規(guī)程2017版。C-IASI融合了國際先進(jìn)經(jīng)驗并結(jié)合中國汽車保險與車輛安全技術(shù)現(xiàn)狀，是目前國內(nèi)對汽車安全技術(shù)要求最嚴(yán)苛的測試評價體系。C-IASI包含耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性、車內(nèi)乘員安全、車外行人安全、車輛輔助安全四項指數(shù)。本文將淺析C-IASI對汽車設(shè)計的影響。

【關(guān)鍵詞】C-IASI;耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性;車內(nèi)乘員安全;車外行人安全;車輛輔助安全;汽車設(shè)計

Abstract：China Automotive Engineering Research Institute released the China Insurance Automotive Safety Index（C-IASI）Program（2017）with China institute of automotive technology in 2017.C-IASI integrates advanced international experience and the current situation of automobile insurance and vehicle safety technology in China，and it’s the most stringent test and evaluation system for automobile safety technology in China.The C-IASI includes four indexes：Damageability and Repairability，Vehicle occupant safety，Pedestrian safety，Vehicle Assistant Safety.This paper will analyze the influence of C-IASI on vehicle design.

Keywords：C-IASI;Damageability and Repairability;Vehicle occupant safety;Pedestrian safety;Vehicle Assistant Safety;Vehicle design

1前言

自1956年新中國第一輛汽車誕生到2018年全國汽車保有量超2.3億輛，我國汽車制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了急速發(fā)展的62年。與之對應(yīng)的是車輛安全法規(guī)研究相對滯后，1999年我國推出實施了“關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計規(guī)則”（CMVDR294）[1];2006年由國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)參考國際汽車行業(yè)的碰撞安全法規(guī)推出了非強制性標(biāo)準(zhǔn)—C-NCAP碰撞評價體系，至此國內(nèi)各大主機(jī)廠開始加大汽車安全性的投資力度。2017年由中國汽車工程研究院與中保研汽車技術(shù)研究院聯(lián)合發(fā)布了中國保險汽車安全指數(shù)（簡稱C-IASI）2017版，C-IASI充分融合了國際先進(jìn)經(jīng)驗并結(jié)合中國汽車安全技術(shù)現(xiàn)狀，是目前國內(nèi)對汽車各項安全技術(shù)要求最嚴(yán)苛的測試評價體系。更嚴(yán)格的法規(guī)意味著更高標(biāo)準(zhǔn)要求，必然對現(xiàn)有汽車安全設(shè)計產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2 耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)

耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)引用RCAR低速結(jié)構(gòu)碰撞測試規(guī)程2.2版和RCAR保險杠測試規(guī)程2.0版中的條款，開展車輛低速結(jié)構(gòu)測試以及車輛保險杠測試。車輛低速結(jié)構(gòu)測試分為車輛低速結(jié)構(gòu)正面碰撞試驗和車輛低速結(jié)構(gòu)追尾碰撞試驗。車輛保險杠測試分為靜態(tài)測量碰撞測量（車輛100%重疊撞擊壁障）目前作為監(jiān)測項執(zhí)行。

2.1車輛低速結(jié)構(gòu)測試

在低速結(jié)構(gòu)測試中，正面碰撞車輛用15km/h速度以車輛40%寬度處撞擊10°剛性壁障（見圖1上），在追尾碰撞中質(zhì)量為1400±5kg的移動壁障以10°撞擊車輛尾部40%寬度處[2]（見圖1下）

2.2 耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)對汽車設(shè)計的影響

在耐撞性評價中主要考察碰撞后車輛閉合件間隙，以及底盤結(jié)構(gòu)變形（見圖2）。在車輛維修經(jīng)濟(jì)性評價中，車輛維修經(jīng)濟(jì)性性能評價公式：維修費用/廠商指導(dǎo)價[2]。

維修費用越低則得分越高，因此讓車輛保險杠、防撞梁及吸能盒在低速碰撞中起到充分的吸能作用，使縱梁以及車身部分不被損壞，是最合理的設(shè)計思路，在總體布置及造型階段需要把握以下原則[3];

①安全氣囊在所有的低速實驗中都不起爆;

②設(shè)計螺栓連接的可充分吸收碰撞能量的吸能盒結(jié)構(gòu);

③水箱框架設(shè)計成活裝結(jié)構(gòu)，方便拆換;

④后備箱門以及尾燈設(shè)計合理的高度，避免碰撞中損壞;

⑤合理設(shè)計前分縫線，以免低速碰撞中損壞發(fā)動機(jī)罩蓋;

⑥保險杠與翼子板避免剛性連接，合理設(shè)計二者分縫線;

在車身設(shè)計時要增加前、后防撞橫梁的有效寬度及有效高度，增加接觸面積使其有效寬度大于車聲寬度的85%;防撞梁有效高度與壁障的重疊率應(yīng)大于75%，盡量使前、后防撞梁中心線高度與壁障保持一致，在碰撞時能充分保護(hù)后端零件及覆蓋件，使碰撞能量均勻分散至防撞梁，避免外覆蓋件受力變形。

防撞梁前、后部設(shè)計足夠長度及大截面的吸能盒結(jié)構(gòu)，并合理匹配吸能盒與縱梁前后部的剛度，在低速碰撞時能充分吸收碰撞能量，保證縱梁前后端不發(fā)生塑性變形。在前后碰撞區(qū)范圍的高價值零部件計足夠的空間，如水箱前預(yù)留空間要大，避免將喇叭等零件設(shè)計在水箱之前，防止碰撞能量由臨近部件傳遞至水箱導(dǎo)致水箱損壞。后部排氣管道（針對燃油車）設(shè)計隱藏在防撞梁后面，以免碰撞損壞。

3 車內(nèi)乘員安全指數(shù)

車內(nèi)乘員安全指數(shù)包括正面25%偏置碰撞試驗規(guī)程、側(cè)面碰撞試驗規(guī)程、車頂強度試驗規(guī)程、座椅/頭枕靜態(tài)試驗規(guī)程、座椅/頭枕動態(tài)試驗規(guī)程、前排假人及座椅調(diào)節(jié)規(guī)程、后排外側(cè)假人及座椅調(diào)節(jié)規(guī)程。本節(jié)將從正面25%偏置碰撞試驗來淺析車內(nèi)乘員安全指數(shù)對汽車設(shè)計的影響。

3.1 正面25%偏置碰撞試驗

正面25%偏置碰撞試驗中車輛以64.4km/h±1km/h 的速度、25%±1%的重疊率（駕駛員側(cè)）正面撞擊固定剛性壁障（見圖3）。試驗車輛駕駛員位置放置一個Hybrid III 50%假人，用于測量碰撞過程中駕駛員的損傷情況[4]。正面25%偏置碰是目前世界上最嚴(yán)苛的碰撞工況之一，其目的是重現(xiàn)和評估車輛前角撞到另一輛車、樹木以及電線桿之類的物體時，車身機(jī)構(gòu)減速吸能性能以及對車內(nèi)乘員的保護(hù)情況。

3.2正面25%偏置碰撞試驗對汽車設(shè)計的影響

在正面25%偏置碰實驗中，碰撞侵入量測量值評估中，所有測量點被分為乘員艙下部和乘員艙上部兩個區(qū)域，對乘員艙下部和乘員艙上部分別進(jìn)行評級。

正面25%偏置碰撞實驗中乘員的傷害主要來自車身結(jié)構(gòu)侵入的傷害，法規(guī)主要通過加速度值和各侵入量來衡量整車安全性（見圖4），因此在車輛設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：

①前端框架縱梁結(jié)構(gòu)與壁障重疊盡量大，使其能有效降低車輛的速度;

② 前部懸架和驅(qū)動部件無嚴(yán)重的失效，例如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、驅(qū)動軸、轉(zhuǎn)向機(jī)和車輪;

③ 輪胎不能侵入“鉸鏈柱”，A柱和門檻不潰縮變形;

④ A柱和門檻的不能產(chǎn)生較大變形，防止防火墻、轉(zhuǎn)向管柱方向盤侵入乘員艙;

對于正面25%偏置碰撞其耐撞性能設(shè)計主要著重能量的傳遞與吸收，偏置碰中碰撞力的主要傳遞路徑是沿著與ODB重合的保險杠、吸能盒和前縱梁往后面的車架傳遞[5]，在車輛與ODB只有25%重疊率的工況下車輛前端吸能結(jié)構(gòu)不能有效降低車速，導(dǎo)致碰撞能量傳遞至后方乘員艙，對車內(nèi)乘員造成較大傷害。因此必須構(gòu)建更加完善的能量傳遞路徑，加強吸能結(jié)構(gòu)。比如設(shè)計時增加前防撞橫梁的寬度，在防撞橫梁的外側(cè)增加斜面支撐，使之與縱梁形成三角結(jié)構(gòu)，或在防撞橫梁的外側(cè)增加“碰撞塊”，使結(jié)構(gòu)在縱向與壁障串聯(lián)。

在小偏置碰撞過程中一部分能量會由輪胎向后傳遞至鉸鏈柱，如果沒有設(shè)計好能量傳遞路徑和方向就會導(dǎo)致輪胎侵入鉸鏈柱進(jìn)而壓縮車內(nèi)乘員生存空間，為此可在鉸鏈柱設(shè)計能量轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。

4 車外行人安全指數(shù)

車外行人安全指數(shù)包含包含頭型沖擊試驗、柔性腿/上腿型沖擊保險杠試驗、上腿型沖擊WAD775mm試驗

其中頭型試驗包含兒童頭型試驗和成人頭型實驗，WAD1000mm到WAD2100mm和左右發(fā)動機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線所圍起來的區(qū)域為頭型試驗區(qū)域;保險杠試驗區(qū)域（腿型試驗區(qū)）由保險杠上部基準(zhǔn)線、保險杠下部基準(zhǔn)線和保險杠角組成[6]。

C-IASI目前將上腿型沖擊WAD775mm試驗作為監(jiān)測項，本節(jié)將從頭型實驗和柔性腿沖擊保險杠試驗分析其對汽車設(shè)計的影響。

4.1 頭型實驗

頭型試驗采用兒童/成人頭型以11.1m/s±0.2 m/s的速度沖擊車輛發(fā)動機(jī)罩等車輛前部結(jié)構(gòu)，測量頭部傷害指標(biāo)，評價指標(biāo)為HIC15。由于作為廣泛評價頭部損傷指標(biāo)的HIC值，在計算時只考慮加速度和作用時間因此在頭型試驗區(qū)域設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則;

①頭型實驗區(qū)域內(nèi)的兩側(cè)翼子板剛度不宜過大;

②發(fā)動機(jī)罩蓋試驗區(qū)域下面要有足夠變形吸能空間，發(fā)動機(jī)罩蓋剛度要適中;

③前圍上部剛度不宜過大;

④雨刮總成安裝結(jié)構(gòu)強度適中;

車輛兩側(cè)翼子板上部頭型試驗區(qū)域部分應(yīng)設(shè)計足夠的變形空間且剛度不宜過大，以減小試驗時頭型加速度。發(fā)動機(jī)罩蓋剛度設(shè)計不能過大，可采用雙層結(jié)構(gòu)，在夾層之間合理運用減震膠，在頭部碰撞發(fā)動機(jī)罩蓋過程中機(jī)罩機(jī)構(gòu)對頭部加速度的影響通過應(yīng)力波傳遞[7]，減震膠的合理運用可以有效減小加速度波形的幅值。同時罩蓋下面要設(shè)計足夠空間，如因發(fā)動機(jī)布置及總體設(shè)計所限，可使用主動式發(fā)動機(jī)罩，在碰撞過程中主動抬高發(fā)罩，以減小對行人頭部的傷害。

同時針對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)不同的布置方式可采取對發(fā)動機(jī)罩蓋筋板進(jìn)行非對稱設(shè)計[8]，在下端吸能空間適宜且較為固定的區(qū)域采用長肋板形狀的內(nèi)罩板結(jié)構(gòu)（如發(fā)動機(jī)上端較為平整面積較大區(qū)域）;在吸能空間充裕的區(qū)域采用內(nèi)罩板結(jié)構(gòu)空缺的結(jié)構(gòu)形式（如發(fā)動機(jī)周圍區(qū)域）;在吸能空間不充足的區(qū)域采用筋板交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計。罩蓋筋板的非對稱設(shè)計可以有效減小頭型撞擊時的HIC值。

4.2 柔性腿型實驗

柔性腿型實驗中，采用FLEX-PLI 柔性腿型以11.1m/s±0.2 m/s 速度沖擊車輛前保險杠，測量腿部傷害指標(biāo)。在第一接觸時刻，柔性腿型的底端距地面基準(zhǔn)平面高度為75 mm±10 mm[9]（見圖5）。

柔性腿型主要考察脛骨彎矩的得分取T1、T2、T3、T4 中最差的得分。韌帶伸長量的得分：當(dāng)ACL/PCL（前/后交叉韌帶伸長量）小于限值，得分根據(jù)MCL（內(nèi)側(cè)副韌帶伸長量）的限值進(jìn)行評分，高低性能值見表1。在針對柔性腿型設(shè)計時要注意以下要點;

①在柔性腿型測試區(qū)域相關(guān)組件硬度降低;

②保險杠與前防撞橫梁之間要預(yù)留足夠空間;

③在腿型脛骨碰撞接觸區(qū)域的蒙皮格柵后面要有均勻吸能承載件;

④在膝蓋韌帶碰撞接觸區(qū)域的蒙皮格柵的外表面要連貫無突變;

碰撞中影響行人腿型的車輛前端裝置包括：前保險杠、前大燈、前橫梁及吸能裝置、下支撐、發(fā)動機(jī)罩等。對小腿傷害影響最大的是前橫梁吸能裝置和下支撐，吸能裝置位于防撞橫梁前端，主要作用是吸收腿型撞擊的能量同時會影響腿型姿態(tài)，下支撐位于橫梁下段，安裝在水箱下橫梁前段，其作用是影響腿型運動姿態(tài)[10]。

膝部韌帶伸長量與膝部上部與下部相對運動有關(guān)，在設(shè)計車輛前部結(jié)構(gòu)時在車輛碰撞點中間格柵位置應(yīng)適當(dāng)降低吸能承載件剛度，增加膝關(guān)節(jié)下部侵入量來減小膝部韌帶拉伸量。在車輛兩側(cè)前大燈測試區(qū)域，應(yīng)降低大燈安裝點剛度，使膝關(guān)節(jié)上部有一定侵入量以改善膝部韌帶拉伸量。

車輛前端與脛骨接觸位置結(jié)構(gòu)剛度對筋骨彎矩值影響較大，設(shè)計時要采用低密度前保險杠泡沫或低硬度塑料吸能件，避免因剛度過大導(dǎo)致彎矩超標(biāo)[11]。

5 車輛輔助安全指數(shù)對汽車設(shè)計的影響

自動緊急制動系統(tǒng)為車輛輔助安全指數(shù)的一個試驗工況，試驗規(guī)程引用IIHS 中“Autonomous Emergency Braking Test Protocol.Version 1”（2013 版）編制。試驗工況分為FCW 功能測試和AEB 功能測試，F(xiàn)CW 功能測試包含72km/h±1.6km/h 的速度對靜止目標(biāo)車、低速目標(biāo)車和減速目標(biāo)車的測試工況;AEB 功能測試包含20km/h±1km/h 和40km/h±1km/h 對靜止目標(biāo)車的測試工況，采集目標(biāo)車車速、主車車速、兩車橫向距離、兩車縱向距離、橫擺角速度、FCW 報警時刻等數(shù)據(jù)[12]。

自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）技術(shù)能有效預(yù)防因為車輛最追尾而造成的交通事故，是車輛主動安全領(lǐng)域的熱點技術(shù)。AEB系統(tǒng)利用傳感器感知車輛環(huán)境信息，結(jié)合本車運動狀態(tài)，判斷危險程度。當(dāng)車輛存在碰撞風(fēng)險時，AEB可以及時給予駕駛員提醒。緊急情況下AEB能主動控制車輛速度，避免碰撞或減輕碰撞的程度，從而減少事故的發(fā)生和損失。因此在車輛設(shè)計之初應(yīng)該考慮配備AEB，以提高車輛主動安全性能。

6 總結(jié)

本文通過分析C-IASI的耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性、車內(nèi)乘員安全、車外行人安全、車輛輔助安全四項指數(shù)實驗規(guī)程及評價標(biāo)準(zhǔn)，反向闡述了車輛設(shè)計開發(fā)時應(yīng)對方案，C-IASI作為目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求最高的安全法規(guī)，對推動我國汽車安全技術(shù)升級有及重要的意義。更嚴(yán)苛的法規(guī)要求對應(yīng)更先進(jìn)的設(shè)計方法和更高的安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將直接影響汽車安全各方面的設(shè)計。

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