汽车安全试验假人的应用

图1  碰撞试验假人

汽车被动安全性能随着汽车保有量的增加而备受人们关注，评价汽车被动安全性能最直接的形式就是进行汽车碰撞试验。由于碰撞试验极具危险性，因而需要在试验中利用假人（见图1）来代替真人进行试验，模拟真人在碰撞过程中的受伤情况，试验后的假人经标定通过可重复使用，便于对汽车安全性能统一评价，因此假人的标定试验至关重要。

为了全面覆盖交通事故发生后人的伤害状况，假人可根据汽车碰撞试验的不同工况分为正碰假人和侧碰假人。中国新车评价规程（C—NCAP）标准中规定，正面100%重叠刚性壁障碰撞试验和正面40%重叠可变形壁障碰撞试验中采用HybridIII 50%男性假人和5%女性假人。侧面碰撞试验中采用ES-2型侧碰假人和SID-IIs侧碰假人。本文主要针对试验中最常用的HybridIII 50%男性正碰假人和ES-2型侧碰假人的标定试验进行分析。

假人的标定分类

假人的标定可根据假人结构组成部件分为3个部分：一是传感器的标定；二是假人部件的标定；三是完整假人的标定。其中传感器的标定主要包括加速度、位移、力和力矩的标定，假人部件的标定主要包括头部、颈部及膝盖。完整假人的标定包括胸部、腹部和肩部三个部分。

1.传感器标定

（1）加速度传感器的标定

加速度传感器广泛应用于振动、冲击的测量，其标定校准方法常用的有绝对法和比较法。用于汽车碰撞试验的加速度传感器通常采用基于激振台的比较法校准。将传感器固定在激振台上，通过差分放大器连接到PulseAnalysis分析仪，分别用10～400 Hz的低频和400～5 000 Hz的高频校准频率响应，得出传感器的灵敏度、幅值误差比例以及角度响应等参数。

（2）位移传感器标定

图2  电位计标定装置

车辆安全试验中最常用的位移传感器是拉线位移传感器和电位计，其中试验假人中都用电位计（见图2）。一般位移传感器可用线性千分尺和二次仪表测量值关系来计算灵敏系数标定，而电位计则一般采用组件来整体标定。

（3）力和力矩传感器

试验假人中，力传感器的标定方法与其他通用力传感器标定类似，其标定系统主要包括：加载机构、与力传感器对应的标定夹具、标定台操作系统和数据采集系统和数据后处理软件等。

2.假人部件标定

（1）头部标定

假人头部标定是将固定加速度传感器的螺栓力矩拧至7.5 N·m，头部颅骨后盖处的螺栓力矩拧至 18 N·m。悬挂头部部件，保证假人头部最低点距离碰撞跌落台表面376±1 mm，假人的前额最低点与假人鼻尖相距12.7±1 mm，并保证头部中心对称面处于垂直状态。利用释放装置使头部部件从规定高度落下，通过数据采集系统得到合成加速度的波形峰值。

（2）颈部标定

假人颈部标定在正碰试验中分为两个部分，包括颈部弯曲标定和颈部伸展标定，两者在标定试验时除颈部部件安装方向相反外，标定步骤基本一致。颈部弯曲试验主要是调整假人颈部钢缆螺母的扭矩至1.36±0.27 N·m，将头—颈部总成安装在刚性摆锤上，保证头部纵向中心线与摆锤纵向轴线的运动平面重合。将蜂窝铝固定到撞击平面上，根据不同的假人型号调整蜂窝铝蜂窝个数，并用摆锤进行轻微预撞击，保证蜂窝铝与摆臂冲击面90 %～100 %接触，然后将摆锤提升至120°的高度释放，使之自由落下。

（3）膝部标定

假人膝部标定分为膝部缓冲部件的标定和膝部滑块的标定两个部分。

膝部缓冲部件的标定是通过固定质量的撞锤按一定速度对正碰假人的膝部进行冲击，考察膝部皮肤及内部橡胶垫的缓冲性能。将膝盖及小腿部件连带的力传感器安装于标定夹具，力传感器固定螺栓扭矩至40.7 N·m，调整小腿部件与垂直线成24±1°，避免脚部接触到其他物体。将撞锤放置于假人膝盖前部，撞锤中心和力传感器中心保持在同一直线上且与水平线夹角需控制在±0.5°以内。利用撞锤以2.10±0.03 m/s的速度冲击假人膝部，通过数据采集系统检测力的峰值。

膝部滑块标定是通过固定质量的撞锤按一定速度对假人的膝部外的附加夹具进行冲击，以检验膝部滑块的性能。将假人膝盖部件及其力传感器安装于标定夹具，力传感器固定螺栓扭矩拧至40.7 N·m，在膝盖前加装马蹄形受力支架，注意在膝盖部件的内外侧要适当与膝盖部件固定。将撞锤放置于马蹄形受力支架前端，使得撞锤中心点与马蹄形受力支架中心点在同一直线上，且保证与水平线夹角在±0.5°以内。利用撞锤以2.75±0.05 m/s的速度冲击假人膝部滑块。

3.完整假人的标定

（1）胸部标定

假人胸部的标定根据标定方式不同可分为正碰假人的胸部标定和侧碰假人的胸部标定两个部分。

在正碰试验中，胸部标定主要是利用固定质量的撞锤按一定速度对假人胸部进行冲击，检测胸部变形量是否符合试验要求，因此标定需要除假人鞋子以外的整个假人模块。首先，将假人以坐姿形式放置在一个干净光滑且干燥的钢材料平台上，平台的长度要足以支撑假人的臀部及平伸的腿部，然后调整假人颈部至0°刻度位置，将假人手臂伸直与水平线的夹角在±2°内，肋骨调整至与水平线夹角在±0.5°内，调整臀部角度为13±2°，最后将撞锤放置于假人胸部第三根肋骨向下12.7±1.0 mm处，并确保撞锤中心线与水平线的夹角±0.5°内，撞锤冲击平面尽量靠近假人胸部放置，注意平面不可触碰假人胸部。利用撞锤以6.71±0.12 m/s的速度冲击假人胸部。

侧碰假人的胸部标定主要是对假人的每根肋骨分别进行标定，阻尼器和肋骨部件这两个部分决定了侧撞假人的胸部性能，因此侧碰假人的胸部标定分成假人肋骨部件的标定和阻尼器的标定。肋骨部件的标定是将侧碰假人胸部部件分解成多个肋骨部件，检查每根肋骨部件的海绵肉体、线性轴承等状态，如有损坏应及时调整或维修。将单根肋骨通过螺栓紧固在标定台上，利用7.78 kg铝制撞击块以815 mm、204 mm和459 mm的高度自由落下分别冲击肋骨，检测肋骨位移峰值。阻尼器是每根肋骨部件的重要组成部分，阻尼器的标定步骤是将单根肋骨通过螺栓紧固在标定台上，利用1.0±0.01 kg铝制撞击块以459 mm、815 mm、1 274 mm、2 153 mm、3 261 mm和5 096 mm等 6个高度自由落下分别冲击肋骨，检测肋骨位移峰值。

（2）腹部标定

腹部标定主要是测试侧碰假人特有的腹部海绵覆盖物，它是模拟人体在受到侧面碰撞时腹部吸能的重要部件。将假人以坐姿形式放置在一个干净光滑且干燥的钢材料平台上，并在假人与平台表面间垫两块厚度2 mm的特氟龙板，将假人腿部放置水平，两脚踝之间距离为100±5 mm，保证胸部垂直角在±2°内。在标定撞锤前端中心处加装一个质量1.0±0.01 kg、高70 mm、宽150 mm且至少60 mm高的硬物（模拟汽车内部门板扶手），确保硬物中心点与假人腹部中间力传感器（侧撞假人腹部力传感器以前、中、后分布于假人一侧）中心点保持在同一水平直线上，两点间X、Y向距离均不应超过±5 mm。利用撞锤以4.0±0.1 m/s的速度撞击假人腹部。

（3）肩部标定

肩部标定主要用于侧碰假人的标定，拆下假人肩部部件检查，先做静态测试，确定肩部松紧带所连接的手臂在受到27.5～32.5 N 的力时会向前移动。将假人以坐姿放置在1个干净光滑且干燥的钢材料平台上，在假人与平台表面间垫上2块厚度2 mm的特氟龙板，假人的腿保证水平，2脚踝之间距离应在100±5 mm，胸部保证垂直，测量胸部背板与垂直线应在±2°之内。确保撞锤中心点与假人肩部手臂旋转中心点在同一水平直线上，两点间X、Y向距离均不超过±5 mm，手臂向前抬起与垂直线成40°夹角。释放撞锤以4.3±0.1 m/s的速度冲击假人肩部。

正面和侧面碰撞假人标定对比

为了全面检测汽车安全性能，汽车碰撞试验需模拟实际交通事故中车辆碰撞的不同工况。因为假人的受力情况有所不同，所以正碰假人和侧碰假人的标定技术要求也存在着显著的区别。本文表中根据假人的结构部件分别对正碰假人和侧碰假人的标定进行对比。

总结

汽车安全试验的试验假人标定分类较细，各自的技术要求非常具体，其目的是保证各次汽车碰撞试验得到的数据的一致性，提高试验的数据可比性，因此试验假人标定的技术要求非常高，是一门既需要基础知识又需要经验积累的专业技术工作，需要长期的试验积累和持续不断地提高操作技术水平。