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基于Polar-II 行人假人测试的现实世界行人保护的方法和面临的挑战
H Wallentowitz*, J Bovenkerk*, C Sahr*, I Kalliske**, M Porstmann**, O Zander***
*Institute of Automotive Engineering (IKA) of RWTH Aachen University, Germany
**TAKATA-PETRI AG, Berlin, Germany
***Federal Highway Research Institute (BASt), Bergisch Gladbach, Germany
摘要：IKA目前关于行人保护的研究主要集中在挡风玻璃区域。头部受伤与严重和致命伤害最相关。只有消费者测试和 - 在有限的区域内 - 第一阶段欧洲关于行人保护的指令考虑对这个区域进行测试，在大多数情况下平均轿车的情况第九十五百分位男性的头部将与车接触。
为了表示典型的轿车形车辆，选择了欧宝Signum车型。在第一个测试系列中，智能车辆已经使用EEVC WG 17成人头部撞击器进行了测试。在安全气囊测试中，对于头部碰撞的触发和定时，已经使用了先前由数值模拟确定的头部撞击时间。在第二个测试中系列，Polar-II 行人假人测试已经完成。
与这些测试系列并行的Takata开发的安全气囊已经过测试。安全气囊除了覆盖挡风玻璃周围还能够抬起发动机罩的后端。IKA开展了必要的铰链修改，以获得额外的自由度和安全气囊安装面积的调整。 所有这些结果都应该领先到未来保护系统的评估和测试方法，以确定行人在挡风玻璃区域的头部影响。
关键词：行人；极性；假人；影响；运动学；安全气囊
引言
事故统计显示需要采取措施保护弱势道路使用者，尤其是行人，欧洲约有15％，日本约有35％的交通事故死亡人员都是行人。由于欧洲指令[2]和关于行人保护的日本法规[3]于2005年生效，所有新车型必须满足强制性行人保护要求。欧盟和日本的新车碰撞测试中的消费者测试在立法之前已经考虑过行人保护测试。未来，全球技术法规（GTR）[4]应作为行人保护要求型式认证的基础。所有这些测试协议规定使用子系统测试。
尽管挡风玻璃区域（即挡风玻璃和挡风玻璃支架）对头部的影响与现实世界中的行人事故显示出显着的相关性[5]，但既没有强制限值，也没有侧重于该影响区域的车辆系统技术。创新的主动安全系统有助于防止事故并降低速度，例如 制动辅助系统。尽管如此，在不可避免的事故情况下，为了保护行人减轻伤害，需要使用被动安全系统。由于与视野和乘员保护存在很大冲突，为挡风玻璃框架区域的头部撞击提供保护区是一个要求苛刻的目标。
在这个关键区域降低冲击强度的可能解决方案可能是一个U形气囊系统，结合弹出式发动机罩的功能来增加变形空间。这种安全气囊系统能够提供全面的头部保护。为了分析这些保护系统技术，本研究中使用了仿真和实际测试。 Polar-II行人假人测试代表行人意外。为了开发车辆原型有限元（FE）和多体仿真，根据EEVC WG17程序[6]，通过使用冲击测试来执行预调试测试。
这些调查结果应有助于未来制定评估方法和保护系统，以确定行人在挡风玻璃区域的头部影响。 在评估过程中应考虑数值模拟以及实际测试。 主要目标是改善被动安全领域的现实世界行人保护。
图1：流程图
边界条件
相关的事故最有可能发生在影响条件多样化的城市地区。对于试图覆盖大部分这个品种的可比较的结果，必须定义一个通用的标准配置。虚拟测试的边界条件来源于SAE行人假人任务组定义的“行人假人推荐实践草案”[7,8]，其目的在于制定全球行人假人标准。此外，国际汽车制造协会和汽车装备及部件制造联络委员会在联合国欧洲经济委员会全球技术法规草案（GTR-INF GR / PS / 141 Rev. [9]）中共同提出了“发动机活动可展开系统型式认可试验认证标准”。构成了模拟和实际测试的基础。根据这些条件，该配置包含行人在车辆中心线上的横向步行位置，其中腿朝向车辆处于向后位置。 图1给出了总体概述。
多体模拟
为了实验车的预调和开发，建立了一个仿真模型。 选择一辆平均轿车形状的车辆（欧宝Signum）。使用ATOS I系统将所有相关组件转移到CAD模型中，扫描组件和CAD以重新设计整个前部几何图形（图2）。车辆模型包含带有保险杠，横梁和碰撞盒，挡泥板，发动机罩的前端以及带纵梁，悬挂塔和A柱的车身。 发动机组件包含在一个简化的刚性表面中。
使用Madymo行人模型进行多体仿真来调查关于头部碰撞的位置和时间的碰撞运动学。 这些结果形成了一个重要的输入，用于随后触发子系统撞击器相对于气囊系统。 预计安全气囊系统的总响应时间为40毫秒。
图3中的多体仿真表明，第九十五百分位男性的头部撞击发生在140毫秒的情况下，在发动机罩和挡风玻璃的过渡区域，表示系列版本，没有可展开系统。 考虑到系统的激活，在第二种情况下，阀帽被抬起。为了简化这种头部撞击时间的近似值，不包括安全气囊。 多案例仿真结果的比较显示，由于发动机罩提升，与案例1相比，案例2的头部撞击早于10毫秒。在这种情况下，头部会在敞开式发动机罩后部间隙中最有可能发生碰撞。 使用6 y / o儿童模型的相同边界条件的仿真表明，最早的头部撞击发动机罩前部发生在激活位置60毫秒时。
图2：重新设计车辆前部
图3：串联和改装车辆的多体仿真，t [ms]
模拟表明，上部发动机罩和下部挡风玻璃区域对头部撞击起着重要作用。由于高刚度和低变形空间降低了保护潜力，该区域与发动机罩和挡风玻璃中部形成对比。 一般来说，典型轿车形状的车辆前方显示了这种影响情景。
有限元模拟
在实现原型车辆之前，LS-Dyna中的有限元模拟被用来评估功能。 TAKATA的数字安全气囊模型集成在有限元模拟中。 这些模拟包含了通过安全气囊展开的提升机构的定义，并且第二步涉及使用从多体仿真得到的定时作为输入的头部冲击器模拟。实验车辆原型的设计变更在仿真模型中实现（图4）。第九十五百分位男性的预期影响点已经被标注。 预计人体模型模拟和虚拟测试的影响位置将几乎相同。
图4：有限元模型中设计变更的实施
图5：LS-Dyna头部撞击器模拟，t [ms]
主要改变了与发动机罩后部铰链，前部闩锁和安全气囊模块有关的系列版本的修改。 对于发动机罩后铰链，考虑线性和旋转接头。由于运动学方面的优势，选择了旋转铰链解决方案。 该解决方案不会因直线导轨中的摩擦和运动造成自锁效应。整个铰链和阀盖系统形成了4点铰链运动学。 在一系列应用中，后铰链必须通过整合例如锁定装置而锁定在其日常使用位置中。例如 剪切螺栓或烟火螺栓。在铰链区域中，铰链运动所需的间隙可以减小到与系列铰链相当的有限空间。 原型铰链的板厚为5毫米。
该闩锁被两个前铰链取代，这两个铰链必须在一系列应用中转换为双闩锁系统。 旋转中心需要尽可能远离前部的位置，以便在将发动机罩提升到120 mm时避免与周围部件发生碰撞。 另外，前铰链必须由发动机罩完全覆盖。 发动机罩的提升由安全气囊的下部腔室实现，并通过上部安全气囊腔室覆盖挡风玻璃区域。
此外，该模块与安全气囊仿真模型相结合。 模块的固定点都是悬架塔和水箱。 可以集成模块作为支撑杆的附加功能。 图5中的仿真显示了整个升降机构的适当功能。 冲击模型的加速度输出表现出良好的性能。 在这个序列中显示了40 ms后的影响。 现在是安全气囊模型完全展开的时候了。
实验车辆
基于仿真，将这些措施应用到系列车辆中。 安全气囊模块和发动机罩升降机构设计和生产。 对于虚拟测试，包括自动制动系统。 实现了假人，安全气囊，尤其是制动单元的触发机构，该机构的任务是使测试跑道上的车辆在最大距离10m的情况下从40km / h的碰撞速度完全减速。 折叠安全气囊后，它被固定在模块中。 充气机安装在模块的中间位置。 图6显示了带有折叠安全气囊和发电机的整个安全气囊模块以及车辆中的位置。
图6：带有折叠安全气囊的安全气囊模块
图7：对系列车辆的修改
展开过程中的气压是在安全气囊相对平静的区域（较小的气流）测量的。 完全展开后，安全气囊容积约为90升。 为了将安全气囊朝向挡风玻璃良好地引导，还需要横向固定并代替该区域的系列塑料盖的水箱盖。 拆除或覆盖安全气囊展开区域中可能存在尖锐边缘的零件。
根据外部安全气囊系统对车辆进行的这些修改在水箱区域中需要一些额外的间隙。在该系列车辆中，这样的系统在早期的设计和开发过程中未被考虑。因此在下面的调查中将整个雨刮器系统拆除。车辆前方的改变可以使车辆的系列状态快速恢复。特别是用于放置安全气囊模块的必要的切口是例外。总结这些变化，并围绕图7中标出的距离。
冲击试验
在第一个测试系列中，根据EEVC WG 17和GTR草案测试协议，通过将碰撞区域延伸到挡风玻璃区域来测试实验车辆。图8显示了第九十五百分位男性预期影响点的子系统测试。
图8：根据EEVC WG 17 [6]和GTR [9]的头部冲击器测试，t [ms]
关于发动机罩后缘上的撞击位置，撞击点标记的位置在发动机罩本身上是三分之一，而在下挡风玻璃区域上应该由安全气囊系统覆盖三分之二。 目前对发动机罩后部区域的测试仅包含在Euro NCAP程序中。 4.8千克EEVC WG 17成人头部撞击器的冲击角度为65°，这与先前研究中的多体模型模拟结果相关[10]。 头部撞击器的速度为40 km / h。
为了触发和计时头部撞击器的影响，使用先前确定的数值模拟的头部冲击时间（HIT）（约130ms）。 在腿的第一次冲击下，估计20ms的行人冲击感测时间（ST），以便在触发后头部冲击器的冲击时间在110ms。 40 ms后，安全气囊处于完全展开状态，因此，直到头部受到撞击时，相对于时间具有足够的安全余量。 在整个接触阶段和整个接触阶段的第一次头部接触的情况下，安全气囊完全覆盖后部发动机盖区域和A柱。 模拟的加速度输出与这些测试相关联。 为了确定最佳的安全气囊压力，必须考虑到无需避免没有通气孔的过高的内部压力以减少具有强回弹效应的弹性行为。
测试系列与POLAR-II行人假人
在第二个测试系列中执行行人假人测试。 使用Polar-II Dummy的目的是调查真实世界事故的整体运动学。 这种假人的生物真实性可以用平均轿车车厢重建一个真实的行人意外事故。 此外，还调查了未来使用外部安全气囊系统的可能性。 考虑到目前只有极少数车辆配备可部署系统，而没有配备外部系统安全气囊，装备有可展开系统的车辆的真实世界事故数据的可用性将在未来很远。 因此，确认现实世界事故的收益是不可能的。
将虚拟测试的结果与使用具有行人模型的简化车辆前模型进行的多体仿真进行比较。 此外，还包括了使用气囊系统的系列车辆和修改版本的比较。 通过合并所有这些结果，使用子系统测试和简化模拟相结合作为评估汽车保护潜力的合适方法变得更加清晰。 必须考虑可部署系统。
Polar-II Dummy已经根据SAE行人任务组制定的要求进行了验证[7,8,11]。 已经开发了用于头部，上部脊柱，中部胸腔和骨盆的轨迹走廊。 对于虚拟内置数据采集系统，DTS TDAS G5系统中的两个安装在腰椎两侧，以便无需连线即可进行数据采集。 在图9中示出了在不同区域中记录的行人假人和主要数据的配置。
图9：Polar-II行人假人[11]
图10：自动制动系统
图10所示的车辆制动机构必须被集成，以便在假人撞击后100ms使车辆减速。 试验轨道的整个长度为50米，而假人的位置为捕捉网12米，刚性块13米。 除了串联制动器伺服单元外，还集成了气动执行器。 位置靠近座位的底部。 钢板形成执行器的支撑。 在带有气压的未展开位置，制动器被卸载，即不起作用。 在展开位置，弹簧松开活塞，制动踏板受到400N的压力。在这种情况下，有完整的制动操作。
根据SAE组定义的“行人假人推荐做法草案”定位假人，该定位与GTR定义相当，即面向后方的腿部和假人在车辆中心线上的位置。 用两台高速摄像机记录影响，一个用于横向，另一个用于ISO视图。 在撞击之前大约50ms触发虚拟物的释放机构，撞击后100ms发生制动。 图11概述了测试设置和IKA测试跑道的距离。
图12显示了在测试之前准备和定位假人。 触发和释放装置也固定在假人和测试轨道的地面上，以提供一些冗余。 通过皮带和磁性释放机构实现假人在定义位置的固定。 捕捉网和地面上的软垫应该避免对地面造成二次影响，这可能会对假人造成损害。
图11：Polar-II假人行人假人测试的测试设置[8]
图12：虚拟 - 预测试场景的定位
图13显示了具有系列车辆的虚拟测试的高速序列以及图14具有安全气囊系统的改进的车辆。在这两种情况下，车速都是40公里/小时。安全气囊系统的触发通过保险杠上的接触传感器来实现。闪光灯可以显示腿部的第一个影响以及相应的时间0毫秒。腿部撞击后，两种情况下的髋部撞击发生在40毫秒;在此之后，整个车身围绕车辆前部并且在发动机罩上具有平面接触。在100毫秒和120毫秒之间的肩部撞击之后，头部的第一次接触在第一种情况下为131毫秒，在第二种情况下为123毫秒，其中部署了阀帽和
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