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Hybrid III型假人动态侧翻的初步测试结果

杰克 弼士博士*，贾斯汀 凯普林格尔 **唐纳德·弗里德曼**和卡尔 E.纳什博士。***

*顾问Xprts，LLC，戈利塔，加州，美国

** Xprts，LLC戈拉塔，加州，美国

***乔治华盛顿大学，华盛顿特区，美国

摘要 - 对于翻车时系安全带没有被弹出的乘客，造成其颈部受伤的原因由两个相互竞争的理论支撑：俯冲和车顶挤压。经过对十一个使用Hybrid III型拟人化碰撞测试的动态乔丹侧翻系统的数据进行分析，以了解运动和车顶结构的强度以及Hybrid III型假人的运动是如何影响颈部的受力。 经测定，颈部受伤与车顶凹陷速度和车顶强度高度相关（R^2 gt; 0.7）。颈部损伤的测量与车辆的整体运动之间很少有相关（R^2lt;0.3）已被假定为翻车中颈部损伤的原因（类似于俯冲伤害）。 这些测试和数据证明了翻车中颈部受伤直接与作为车顶强度和失效模式的函数的车顶凹陷速度相关。

关键词: 侧翻，顶部挤压，俯冲，乔丹侧翻系统，测试，耐撞性，颈部损伤

介绍

两个关于翻车时头部和颈部受伤的因果关系的盛行理论是俯冲和车顶挤压。莫法特在1975年首次提出俯冲理论[1]。莫法特和其他人提出的实验结果表明1985年[2]使用无约束的假人乘客测试和1990年 [3]使用有约束的假人乘客测试均支持俯冲理论。 俯冲理论认为在翻车时，乘员由于俯冲向车顶而通过其下降冲量接收颈部压缩伤害（相当于俯冲向地面，因为车顶平放在地上）。 该理论认为，颈部损伤在任何车顶挤压发生前[3]，尽管近期关于此理论的演讲认为颈部损伤发生在车顶完全挤压之前。[4]

车顶挤压的理论基础来自在1952年[5]由德黑文提出的耐撞性原则，此原则讨论了保护乘员生存空间和包含乘客的重要性。大量呈现在车顶挤压理论的论文都强调了保证乘员生存空间完整性的重要性[6-8]。其他团体已经强调防止车顶挤压以保护乘客颈部的重要性[9-12]。 这种理论表明在大多数翻车情况下乘客的动量不足以引起颈部受伤，并补充速度必须来自车顶的凹陷或失效的车顶结构以造成颈部损伤。

俯冲理论的支持者表明，当倒立翻滚的车顶静止在路面上时，损伤与车辆和乘员继续下降或冲向地面同时发生。车顶挤压的支持者指出，这一下降速度是不足以导致颈部受伤的，并表明超出的速度来自车顶凹陷或其他相对于下部乘员舱的运动。当车辆在一系列滚动中翻转和移动时，车顶的最前端或邻近端最先撞击地面，然后车辆会围绕此接触点翻转。车顶接触点的垂直运动停止，尽管车顶可能沿表面滑动。 如果车辆的车顶

结构强度足以防止过度挤压（它通常是在最接近的侧面碰撞），那么车辆会翻转过接触点，并继续翻滚到另一边。如果车辆的车顶结构太弱以至于无法防止远端挤压，那么车顶和支撑结构的变形会导致座位和乘员更接近地面。变形结构往往以非均匀的方式凹陷进入乘员生存空间，横向和纵向的相对下部乘员室移动。车顶往往也会急剧弯曲进入这个空间。

这些理论的差别归结为是否存在一个足够的俯冲速度使乘客在翻车事故中受伤或者是否需要额外的速度来自变形的车顶结构。一个对于不同的车辆类型的类似的检查乔丹远端侧翻系统（JRS）Hybrid III型假人测试对此问题提供了深入的见解。

TEST DESCRIPTION

该JRS系统已经在几篇文章中出现过[13-21]。为了进行可重复的，通过控制关键参数来研究车辆跌落和翻滚以及车顶接触的动态侧翻试验，夹具被设计出来。当车顶接触地面时，轻微的变量会在后期导致巨大的影响。正是由于这种不确定性，侧翻测试已经长期被认为是非重复的试验。在小车翻滚测试中，例如，车顶碰撞和假人响应千差万别，尤其是在翻滚后期。该JRS夹具提供精确的，现实的，重复性的车顶碰撞，并阻止进一步的车顶碰撞。三个基本相同的车辆组成一组试验造成的车辆和假人受伤测量结果的重复性堪与那些当前NCAP和IIHS消费者信息测试提供的受伤测量数据相比[21]。

该JRS夹具在两个塔之间支撑着一辆车，整个装置以道路碰撞表面移动的方向定位在一个轨道组的上方（图1）。由于碰撞表面沿着轨道加速已通过车辆的底部，车辆开始滚动，并在适当的时候，车辆可以在特定条件下跌落撞击碰撞表面。在提前规定好的测试条件下，初始接触点位于车顶结构的近端（此试验也就是乘客一侧）和路段前缘之间。所述车辆的持续运动由初始条件以及车辆的响应来决定。在路面从车辆下方移出后，车顶远端通常则接触该道路的后缘的远端。而车辆的垂直运动则暂停并在没有进一步接触的同时静止，这样可以避免车辆受进一步的损害。进一步的翻滚测试可以在相同或不同的条件下按需要进行。

图1. 测试车辆的预测试图，道路表面的前缘位于图片的下方，

导轨方向指向后方墙壁。

在此提出的十一项测试在相似的方向被执行，仅在初始条件方面有细微的差别。使用此测试夹具，一旦初始条件被选定只有有限数量的变量需要在测试之前设置。冲击表面和车辆的旋转被机械连接而且通过一个单一的空气源控制的气动推进系统​​驱动，空气源的压力是用来反映所需的测试条件。其他的碰撞条件通过预测试来设置，预测试使用量块将车辆设置在冲击表面上方（这些测试中设置为102毫米），并在位于车顶冲击面近端的期望侧倾角对应的初始侧倾角的方向。这些参数为此高度可重复测试提供了所需的翻车冲击条件。

该测试系统允许以前没有可能的数据的收集。车顶荷载

可以通过路面直接测量，而且碰撞的具体细节可以通过高速摄像机拍摄。车顶凹陷可使用弦丝电位计直接测量。该Hybrid III型假人头部和颈部的受力和加速度可以完全通过仪表显示出来，其相对于车辆的运动可以用弦丝电位计进行测量。

在此试验中，移除了车轮的车辆被沿着其纵向轴线安装。该车辆的质量与转动惯量的值在常用预设值的5％以内。一个Hybrid III型假人被按照FMVSS 208的规定程序放入车内，在Hybrid III假人正下方的座椅垫上，一个75毫米乘75毫米的孔被切割出，另外，一个弦线电位计也被安置在座椅下方以监控假人的垂直运动。弦线电位计的一段与车顶上的各个关键点相连，另一端与车辆的近似滚动轴相连。弦线电位计被放置妥当以便不与假人相交互，但它们

可以监视潜在假人头部撞击区域附近的车顶运动。

检测结果

十一次碰撞测试通过使用仪器化的Hybrid III型假人和车辆来检测车顶挤压的效果，乘员的运动以及相应产生的负载。这些试验清楚地描述了乘客和车辆的高速运动以及实时相机的内容。我们将颈部压缩负荷和颈部受伤标准（NIJ -上颈部轴向负荷和弯曲的上部力矩的组合）[22]作为车顶挤压和整体运动的函数来测量。结果表明，损伤的标准与车顶挤压测量峰值速度最为密切相关。

图2和3解释了挤压测量峰值速度和颈部压缩负荷的相关性，赫兹，和颈部损伤的标准，NIJ。由于弦线电位计对假人头部的干扰问题，测得的挤压速度不是直接越过假人的头部。因此，这些测量结果在试验期间没有被考虑进挤压速度或时间的变化。

图2和3. 颈部峰值负荷（N）以及颈部损伤（NIJ）相对于测定峰值挤压

速度（公里/小时）的标准。

这两个图均具有一个约等于0.73的R^2的值。这个值说明的有73％变化是由于所测量的峰值挤压速度造成的。其中一些变化最有可能来自以上所讨论的不确定挤压速度，假人的朝向，车辆的差异以及测试协议的差异。之前的理论表明，颈部负荷和损伤是由车辆的全局运动造成的，该变化并不在该图中直接显示出。

通过进一步分析，减少数据集以解释相似的撞击，或以路面速度和撞击时的翻滚速率为函数在图中绘制受伤的数据， 这样便可以发现这些关系。这些分析检测出车辆的运动和撞击的严重性是否与损伤测量相关。

图4到图7用以车辆的全局运动为自变量的函数解释了损伤的测量。图4和5是道路速度的函数。图6和7是车辆翻滚速率的函数。通过检测这些图，R^2的峰值和最小值被发现，分别是0.29和0.06。这些较低的值意味着通过车辆的全局运动展示出的碰撞的严重程度不

与颈部损伤测量有很好的相关性。对于这些测试，车辆的朝向是类似的。以更高的速度和翻滚速率测试并不会造成更高的颈部负荷，除非车顶在一个更高的速率下被挤压。

图4和5. 颈部负荷峰值（N）颈部损伤的标准（NIJ）v. 道路速度（公里/小时）。

图6和7. 颈部负荷峰值（N）颈部损伤的标准（NIJ）v. 翻滚速率（度/秒）。

这些试验结果表明，车顶挤压特性和颈部损伤之间具有相关性。这些测量不与车辆的整体运动有很好的相关性。通过与车顶挤压的相关性可以得出一个结论，车顶挤压是造成过度颈部损伤的原因，特别是车顶挤压速度是决定性因素时。在这些测试中严重损伤是由乘客生存空间的劣化产生的。这个凹陷的速度与颈部损伤测量有很好的相关性。

其中三个测试是更为详细地进行的。这些对于中型SUV的测试是在几乎相同的初始条件下进行的。表1显示出了峰值颈部负荷发生时的初始条件和碰撞条件。表2列出了测量的峰值凹陷速度，峰值颈部负荷发生时的凹陷速度，峰值颈部负荷发生时的凹陷，峰值颈部负荷和峰值NIJ。该凹陷和凹陷速度来自一个相邻的车顶位置。确切的头部接触速度将必须通过视频分析来确定，因为受到假人的干扰，此位置无法放置弦线电位计。图8显示出位于车辆和前方的高速摄像机看到的车辆的位置，以及从内部高速摄像机看到的假人的位置，此相机位于碰撞的原端。图9显示出当颈部峰值负荷发生时位于车辆和前方的高速摄像机看到的车辆的位置，以及从内部高速摄像机看到的假人的位置。图10显示出车辆和假人的测试后的状态。

表1.初始测试条件和车况高峰负荷颈部。

	Initial Conditions			At Peak Neck Load
Test Vehicle	Road Speed (km/hr)	Drop Height (mm)	Roll Angle (deg)	Road Speed (km/hr)	Roll Angle (deg)	Roll Rate (deg/sec)
1	29	102	145	28.5	184.4	279.7
2	29	102	145	28.6	185.4	278.9
3	29	102	145	29.3	185.6	266.3

表2. 测试结果

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Test Vehicle	Peak Measured Intrusion Speed (km/hr)	Intrusion Speed at Peak Neck Load (km/hr)	Intrusion at Peak Neck Load (mm)	Peak Neck Load (N)	Peak Nij
1	17.7	13.9	45.0	8,764	1.86
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