汽车正碰试验假人头部与颈部标定试验研究
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在实验中不可能是用进行真人，国外瞬撇在大量尸体解剖工作 检验碰撞过程中车辆对乘员的保护能力。碰撞试验的危险性，使得
的基础上，根据人体的动力特性及各部位的质量大小等，制造了假 人，它可以代替人体用于汽车碰撞实验，模拟真人受到的伤害情况， 并经标定后可以重复使用。在试验中，通过在假人头部、胸部以及腿 部安装传感器采集试验过程中的数据，这些数据能够体现汽车碰撞 时，力、位移、加速度等物理量对人体的作用，通过数据采集系统将 这些数据转换为数字信号由计算机处理，通过计算得出ＨＰｃ（ｈｅａｄ ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｒｉｔｅｒｉｏｎ，头部性能指标）、ＴｈＰＣ ＴｈｏｒａｘＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，胸部性能指标）、ＦＰＣ（ＦｅｍｕｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｒｉｔｅｒｉｏｎ，大腿性 能指标）等伤害指枥和。研究人员借助这些数据，就可分析出车祸中 真人的受伤程度，进而对汽车的安全性能进行定量评估。
１６６ 文章编号：１００１—３９９７（２００９）０７－０１６６－０３
机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第７期 ２００９年７月
汽车正碰试验假人头部与颈部标定试验研究
々●，■●，●■＿１ｔ 。数控与自动化。 ｝●０，●，●，０
任建英朱政 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０） Ｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｅａｄ ａｎｄ ｎｅｃｋ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｍｍｉｅｓ ｕｓｅｄ
（５）利用释放装置使头部自由落下，并保证一经释放，头部应 立即落向表面平整、刚性支撑的水平钢板上。假人头部ｉ申打味毫试 验现场图，如图２所示。假人头部冲击试验示意图，如图３所示。
图２假人头部冲击标定实验图 Ｆｉ导２ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｕｍｍｙ ｈｅａｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｐｌａｎｓ
（６）丽次试验之间的间隔不少于３０ｍｉｎ。
３－２假人颈部标定试验步骤
（１）试验前，至少将头—颈部总成放置在温度为（２０．６－－２２．２）℃。 相对湿度为（１０－－７０）％的试验环境中４个ｈ。
（２）在完成假人头颅标定后，将头部标定用传感器拆下，装上
万方数据
Ｎｏ．７
１６８
机械设计与制造
Ｊｕｌ．２００９
２２ｎ０
２∞．Ｏ
１８０．０
１６０．０
蹿１４０．０
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图４假人头部撞击试验合成加速度曲 Ｆｉｇ．４ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｄｕｍｍｙ ｈｅａｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｑｕ
假人头部皮肤、修理出现问题的线路等措施解决。 横向加速度出现偏高或者偏低主要有以下原因：①假人Ｙ
轴不水平；②在开始头部撞击试验前，头部没有绝对静止；③假人 内部的线路出现故障。这些问题可以用过调整Ｙ轴水平、保证头部 绝对静止时才释放假＾头部、修理出现问题的线路等措施解决。
２舳．０
２６０．Ｏ
Ｚ４０．０
４结论
法规的强制执行和市场的需求，使得汽车制造企业不得不进 行汽车碰撞试验（如，美国机动车法规第５７２部分规定了碰撞试 验用假人的设计标注和性能指标）。为了提高实验数据的准确性 及可用性，在碰撞试验之前，对实验假人的标定试验必不可少。本 文阐述的ＨｙｂｒｉｄＨＩ ５０％男性假人标定实验的实验要求、标定步骤， 通过ｅ示定可以保证试验结果的准确性，并可使假人能够尽可能的模 拟碰撞时真人的受伤情况，因而具有一定的实用价值，对影响试验 结果因素的分析可以用来指导假人的标定试验的结果分析。 参考文献 ｌ ＣＭＶＤＲ２９４关于正面碰撞乘员保护的设计规则，１９９９
（２）摆与蜂窝材料接触时，摆上加速度计中心点的速度应为
（６．８９－７．１３）ｍ／ｓ之间； （３）摆的加速度一时间历程曲线应满足的要求，且曲线在（３舡
４２）ｍｓ时达到５９，如表ｌ所示。
表１弯曲性试验对摆速度的要求 Ｔａｂ．１ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｂｅｆｏｒｅ
时间（ｒｎｓ） ｌＯ ２０ ３０ ＞３０
１实验用假人
假人是集人体工程学、统计学、工程力学、材料力学、生物学 为—体的精密测试仪器，—个假人由近４００个部件、大约６０个传 感器组成，造价高达４万美元左右，如果加上传感器配套设备，得 需（６＿７）万美元。碰撞实验中，主要使用的假人有男性假人、女性 假人、儿童假人及侧碰假人，现用假人家族组成图，如图ｌ所示。 在国外，假人的研究已经比较成熟，诸如ｒｒｓｓ（ＦｉｒｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳａｆｅｔｙ ★来稿日期：２００８－０９—１７
影响Ｄ平面转动角度过低的因素主要有：①传感器故障；② 颈部总成硬度过高；③假人内部的线路出现故障。这些问题可以 通过更换故障传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路等措 施解决。
颈部弯曲实验枕骨骨节处力矩曲线，如图７所示。这样的实 验结果是满足要求的。
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时间（ｓ∞）
０．２７３
图５颈部弯曲性试验摆加速度曲线 Ｆｉ昏５ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅａｔ ｂｅｆｏｒｅ ｎｅｃｋ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ
影响摆加速度过高的因素主要有：（１）蜂窝材料的硬度不够；
（２）用７．５Ｎｍ的力矩拧紧固定加速度传感器安装座的螺栓； 用１８Ｎｍ的力矩拧紧头颅骨后盖的四个紧固螺栓。
（３）用ｌ：ｌ：１的三氯乙烯或等价物（如酒精）清洗头皮表面和 水平钢板表面。
（４）悬挂头部，保证假人的前额最低点低于假人鼻子最低点 （１２．７＋１）ｒａｍ，且距水平钢板（３７６±１）ｍｍ，同时保证其中心对称平 面处于竖直状态。
合成加速度出现偏高或偏低主要有以下下的原因：（１）头部 皮肤损坏；（２）假人内部的线路出现故障。这些问题可以通过更换
（４）零时刻后（５７－６４）ｍｓ时，平面Ｄ（通过头颅基座的水平 面）应转动（６４－－７８）。，并于（１１３～１２８）瑚之间首次回弹至００；
（５）枕骨骨节处的力矩Ｍ的最大值应出现在（４７—５８）ｍｓ之 间，大于８８．ＩＮｔｏ，小于１０８．４Ｎｍ；力矩一时间曲线在（９７—１０７）ｎ＇Ｌｓ 之间首次回到零度。
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图７颈部弯曲性试验枕骨骨节处力矩曲线 Ｆｉｇｒ７ Ｔｅｓｔ ｏｃｃｉｐｉｔａｌ ｎｅｃｋ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃＫｒｖｅ Ｂｅｃｋ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
影响枕骨骨节处力矩过大的因素主要有：（１）传感器故障； （２）颈部总成硬度过高；（３）假人内部线路故障；（４）颈部倾斜块过 硬。这些问题可以通过重新标定传感器、更换颈部总成、修理出现 问题的线路、更换颈部倾斜块等措施解决。影响枕骨骨节处力矩 过小的因素主要有：①传感器故障；②颈部总成硬度过低；③假人 内部线路故障；④颈部倾斜块过软。这些问题可以通过重新标定 传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路、更换颈部倾斜块等 措６氲解决。
假人颈部弯曲标定试验分析参数主要有：摆加速度、Ｄ平面 转动角度、枕骨骨节处力矩等。
颈部弯曲实验摆加速度曲线，如图５所示。这样的结果是满 足要求的。
３２·７ ３０．０
上紧固力矩不正确。这些问题可以用过更换故障传感器、更换颈 部总成、修理出现问题的线路、确保颈部拉索螺母上的紧固力矩 在（１．３６－ｚＯ．２７）Ｎｍ之内等措施解决。
（２）假人内部的线路出现故障。这些问题可以通过增加蜂窝材料
硬度、修理出现故障的线路等措施解决。 影响摆加速度过低的因素主要有：①蜂窝材料的硬度过高；
②假人内部的线路故障。这些问题可以通过降低蜂窝材料硬度、
修理出现问题的线路等措施解决。
颈部弯曲实验Ｄ平面转动角度曲线，如图６所示。这样的实
验结果是满足要求的。
２中国汽车技术中，Ｉｉ，．Ｃ－ＮＣＡＰ中国新车诃嘲．勰［ｓ］，２００６
３王碹，王春雨．模拟＾的实验装置—假人［Ｊ］．世界汽车，１９９５（１）：１２－１５
４ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ。Ｔｅｓｔ Ｄａｔａ，Ｐａｒｔｓ Ｉｄｅｎｔ击ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＦＹＳＳ，ＩＮＣ， １９９９（６）
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时间（ｅｅｃ） 图６颈部弯曲性试验Ｄ平面转动角度曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｃｋ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｍｇｌｅ ｏｆ ｐｌａｎｅ ｃｍｌ＇ｖｅ Ｄ
影响Ｄ平面转动角度过高的因素主要有：（１）传感器故障；
（２）颈部总成硬度过低；（３）假人内部线路故障；（４）颈部拉索螺母
汽车实车碰撞试验进行之前，由于上次试验或者其他的原 因，假人内部的数据可能失准，因而需要对假人进行标定，比如皮肤 弹性、传感器灵敏性等方面的标定，以保证在实验中，假人能够尽可 能准确的模拟碰撞过程中真人的受伤情况，进而对汽车的安全性提 供数据支持。在介绍了实验用假人后，详细介绍了假人头部与颈部 的标定要求与标定步骤，并对影响试验结果的因素进行了分析。
假人颈部，装上上部颈部支架，拧紧固定螺栓，将颈部拉索上螺母 的紧固力矩调整为（１．３６－１４）．２７）Ｎｍ。
（３）将头颂部总成安装在刚性摆上，使头的中心对称面竖
直，且与纵向轴线的运动平面重合；在弯曲性和伸展性两个试验 中，头－颈部总成的安装方向相反。
（４）释放摆锤，使之自由落下。
３．３试验结果及试验结果分析
ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｒｏｎｔａＩ ｃｒａｓｈ ｔｅｓｔ ＲＥＮ Ｊｉａｎ－ｙｉｎｇ，ＺＨＵ Ｚｈｅｎｇ
的基础上，根据人体的动力特性及各部位的质量大小等，制造了假 人，它可以代替人体用于汽车碰撞实验，模拟真人受到的伤害情况， 并经标定后可以重复使用。在试验中，通过在假人头部、胸部以及腿 部安装传感器采集试验过程中的数据，这些数据能够体现汽车碰撞 时，力、位移、加速度等物理量对人体的作用，通过数据采集系统将 这些数据转换为数字信号由计算机处理，通过计算得出ＨＰｃ（ｈｅａｄ ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｒｉｔｅｒｉｏｎ，头部性能指标）、ＴｈＰＣ ＴｈｏｒａｘＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，胸部性能指标）、ＦＰＣ（ＦｅｍｕｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｒｉｔｅｒｉｏｎ，大腿性 能指标）等伤害指枥和。研究人员借助这些数据，就可分析出车祸中 真人的受伤程度，进而对汽车的安全性能进行定量评估。
１６６ 文章编号：１００１—３９９７（２００９）０７－０１６６－０３
机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第７期 ２００９年７月
汽车正碰试验假人头部与颈部标定试验研究
々●，■●，●■＿１ｔ 。数控与自动化。 ｝●０，●，●，０
任建英朱政 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０） Ｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｅａｄ ａｎｄ ｎｅｃｋ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｍｍｉｅｓ ｕｓｅｄ
（５）利用释放装置使头部自由落下，并保证一经释放，头部应 立即落向表面平整、刚性支撑的水平钢板上。假人头部ｉ申打味毫试 验现场图，如图２所示。假人头部冲击试验示意图，如图３所示。
图２假人头部冲击标定实验图 Ｆｉ导２ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｕｍｍｙ ｈｅａｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｐｌａｎｓ
（６）丽次试验之间的间隔不少于３０ｍｉｎ。
３－２假人颈部标定试验步骤
（１）试验前，至少将头—颈部总成放置在温度为（２０．６－－２２．２）℃。 相对湿度为（１０－－７０）％的试验环境中４个ｈ。
（２）在完成假人头颅标定后，将头部标定用传感器拆下，装上
万方数据
Ｎｏ．７
１６８
机械设计与制造
Ｊｕｌ．２００９
２２ｎ０
２∞．Ｏ
１８０．０
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图４假人头部撞击试验合成加速度曲 Ｆｉｇ．４ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｄｕｍｍｙ ｈｅａｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｑｕ
假人头部皮肤、修理出现问题的线路等措施解决。 横向加速度出现偏高或者偏低主要有以下原因：①假人Ｙ
轴不水平；②在开始头部撞击试验前，头部没有绝对静止；③假人 内部的线路出现故障。这些问题可以用过调整Ｙ轴水平、保证头部 绝对静止时才释放假＾头部、修理出现问题的线路等措施解决。
２舳．０
２６０．Ｏ
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４结论
法规的强制执行和市场的需求，使得汽车制造企业不得不进 行汽车碰撞试验（如，美国机动车法规第５７２部分规定了碰撞试 验用假人的设计标注和性能指标）。为了提高实验数据的准确性 及可用性，在碰撞试验之前，对实验假人的标定试验必不可少。本 文阐述的ＨｙｂｒｉｄＨＩ ５０％男性假人标定实验的实验要求、标定步骤， 通过ｅ示定可以保证试验结果的准确性，并可使假人能够尽可能的模 拟碰撞时真人的受伤情况，因而具有一定的实用价值，对影响试验 结果因素的分析可以用来指导假人的标定试验的结果分析。 参考文献 ｌ ＣＭＶＤＲ２９４关于正面碰撞乘员保护的设计规则，１９９９
（２）摆与蜂窝材料接触时，摆上加速度计中心点的速度应为
（６．８９－７．１３）ｍ／ｓ之间； （３）摆的加速度一时间历程曲线应满足的要求，且曲线在（３舡
４２）ｍｓ时达到５９，如表ｌ所示。
表１弯曲性试验对摆速度的要求 Ｔａｂ．１ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｂｅｆｏｒｅ
时间（ｒｎｓ） ｌＯ ２０ ３０ ＞３０
１实验用假人
假人是集人体工程学、统计学、工程力学、材料力学、生物学 为—体的精密测试仪器，—个假人由近４００个部件、大约６０个传 感器组成，造价高达４万美元左右，如果加上传感器配套设备，得 需（６＿７）万美元。碰撞实验中，主要使用的假人有男性假人、女性 假人、儿童假人及侧碰假人，现用假人家族组成图，如图ｌ所示。 在国外，假人的研究已经比较成熟，诸如ｒｒｓｓ（ＦｉｒｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳａｆｅｔｙ ★来稿日期：２００８－０９—１７
影响Ｄ平面转动角度过低的因素主要有：①传感器故障；② 颈部总成硬度过高；③假人内部的线路出现故障。这些问题可以 通过更换故障传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路等措 施解决。
颈部弯曲实验枕骨骨节处力矩曲线，如图７所示。这样的实 验结果是满足要求的。
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图５颈部弯曲性试验摆加速度曲线 Ｆｉ昏５ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅａｔ ｂｅｆｏｒｅ ｎｅｃｋ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ
影响摆加速度过高的因素主要有：（１）蜂窝材料的硬度不够；
（２）用７．５Ｎｍ的力矩拧紧固定加速度传感器安装座的螺栓； 用１８Ｎｍ的力矩拧紧头颅骨后盖的四个紧固螺栓。
（３）用ｌ：ｌ：１的三氯乙烯或等价物（如酒精）清洗头皮表面和 水平钢板表面。
（４）悬挂头部，保证假人的前额最低点低于假人鼻子最低点 （１２．７＋１）ｒａｍ，且距水平钢板（３７６±１）ｍｍ，同时保证其中心对称平 面处于竖直状态。
合成加速度出现偏高或偏低主要有以下下的原因：（１）头部 皮肤损坏；（２）假人内部的线路出现故障。这些问题可以通过更换
（４）零时刻后（５７－６４）ｍｓ时，平面Ｄ（通过头颅基座的水平 面）应转动（６４－－７８）。，并于（１１３～１２８）瑚之间首次回弹至００；
（５）枕骨骨节处的力矩Ｍ的最大值应出现在（４７—５８）ｍｓ之 间，大于８８．ＩＮｔｏ，小于１０８．４Ｎｍ；力矩一时间曲线在（９７—１０７）ｎ＇Ｌｓ 之间首次回到零度。
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图７颈部弯曲性试验枕骨骨节处力矩曲线 Ｆｉｇｒ７ Ｔｅｓｔ ｏｃｃｉｐｉｔａｌ ｎｅｃｋ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃＫｒｖｅ Ｂｅｃｋ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
影响枕骨骨节处力矩过大的因素主要有：（１）传感器故障； （２）颈部总成硬度过高；（３）假人内部线路故障；（４）颈部倾斜块过 硬。这些问题可以通过重新标定传感器、更换颈部总成、修理出现 问题的线路、更换颈部倾斜块等措施解决。影响枕骨骨节处力矩 过小的因素主要有：①传感器故障；②颈部总成硬度过低；③假人 内部线路故障；④颈部倾斜块过软。这些问题可以通过重新标定 传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路、更换颈部倾斜块等 措６氲解决。
假人颈部弯曲标定试验分析参数主要有：摆加速度、Ｄ平面 转动角度、枕骨骨节处力矩等。
颈部弯曲实验摆加速度曲线，如图５所示。这样的结果是满 足要求的。
３２·７ ３０．０
上紧固力矩不正确。这些问题可以用过更换故障传感器、更换颈 部总成、修理出现问题的线路、确保颈部拉索螺母上的紧固力矩 在（１．３６－ｚＯ．２７）Ｎｍ之内等措施解决。
（２）假人内部的线路出现故障。这些问题可以通过增加蜂窝材料
硬度、修理出现故障的线路等措施解决。 影响摆加速度过低的因素主要有：①蜂窝材料的硬度过高；
②假人内部的线路故障。这些问题可以通过降低蜂窝材料硬度、
修理出现问题的线路等措施解决。
颈部弯曲实验Ｄ平面转动角度曲线，如图６所示。这样的实
验结果是满足要求的。
２中国汽车技术中，Ｉｉ，．Ｃ－ＮＣＡＰ中国新车诃嘲．勰［ｓ］，２００６
３王碹，王春雨．模拟＾的实验装置—假人［Ｊ］．世界汽车，１９９５（１）：１２－１５
４ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ。Ｔｅｓｔ Ｄａｔａ，Ｐａｒｔｓ Ｉｄｅｎｔ击ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＦＹＳＳ，ＩＮＣ， １９９９（６）
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时间（ｅｅｃ） 图６颈部弯曲性试验Ｄ平面转动角度曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｃｋ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｍｇｌｅ ｏｆ ｐｌａｎｅ ｃｍｌ＇ｖｅ Ｄ
影响Ｄ平面转动角度过高的因素主要有：（１）传感器故障；
（２）颈部总成硬度过低；（３）假人内部线路故障；（４）颈部拉索螺母
汽车实车碰撞试验进行之前，由于上次试验或者其他的原 因，假人内部的数据可能失准，因而需要对假人进行标定，比如皮肤 弹性、传感器灵敏性等方面的标定，以保证在实验中，假人能够尽可 能准确的模拟碰撞过程中真人的受伤情况，进而对汽车的安全性提 供数据支持。在介绍了实验用假人后，详细介绍了假人头部与颈部 的标定要求与标定步骤，并对影响试验结果的因素进行了分析。
假人颈部，装上上部颈部支架，拧紧固定螺栓，将颈部拉索上螺母 的紧固力矩调整为（１．３６－１４）．２７）Ｎｍ。
（３）将头颂部总成安装在刚性摆上，使头的中心对称面竖
直，且与纵向轴线的运动平面重合；在弯曲性和伸展性两个试验 中，头－颈部总成的安装方向相反。
（４）释放摆锤，使之自由落下。
３．３试验结果及试验结果分析
ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｒｏｎｔａＩ ｃｒａｓｈ ｔｅｓｔ ＲＥＮ Ｊｉａｎ－ｙｉｎｇ，ＺＨＵ Ｚｈｅｎｇ
