根據(jù) JJF 1230-2099《汽車正面碰撞試驗(yàn)用人形試驗(yàn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》文件 中關(guān)于 HⅢ-50th 假人標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)要求，對(duì) HⅢ-50th 假人（以下簡(jiǎn)稱“假 人“）的足上部不穿鞋進(jìn)行沖擊標(biāo)定。該沖擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集及要求為：通過下脛骨力與力矩傳感器測(cè)量腳踝 Y 方向的力矩MY，要求MY的峰值范圍為 95.0Nm～145.0Nm。
1 試驗(yàn)過程分析
腳上部不穿鞋沖擊試驗(yàn)中法規(guī)僅對(duì)腳踝 Y 方向的力矩MY峰值有要求，故一般性在標(biāo)定報(bào)告中的數(shù)據(jù)曲線僅展示MY峰值附近曲線段，如圖1所示。
為提高腳部與腳踝的性能參數(shù)，使其組合在腳上部沖擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出更好的數(shù)據(jù)，需要探究腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線波形形成原因。在擺錘上安裝加速度傳 感器，通過加速度和力矩?cái)?shù)據(jù)曲線，以及慢鏡頭拍攝的視頻對(duì)擺錘、腳部、腳 踝的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力變化進(jìn)行分解，根據(jù)波形變化，將整個(gè)腳上部整個(gè)沖擊過 程分為四個(gè)階段，如圖 2 所示，以下結(jié)合視頻分解的各階段圖片對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、 受力變化和能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行分析。
第一階段：擺錘第一次接觸
從圖2可以看到擺錘加速度曲線在第一階段有一個(gè)較大波峰，且腳踝力矩 MY隨之產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)方向的波峰。結(jié)合圖 4 的慢動(dòng)作截圖可以分析出：在第一 階段中，擺錘第一次沖擊接觸到腳部，腳部受沖擊力即將發(fā)生背伸（醫(yī)學(xué)上踝 關(guān)節(jié)的解剖位為腳與下肢相對(duì)角度為 90°，當(dāng)腳部繞踝關(guān)節(jié) Y 軸向上彎曲并與脛骨相對(duì)角度小于 90°時(shí)該狀態(tài)稱為背伸），而腳踝也隨著擺錘的撞擊發(fā)生了 抖動(dòng)。從受力角度分析，以腳部為研究對(duì)象，此階段中腳部受到擺錘的沖擊力，擺錘受反作用力產(chǎn)生減速度，腳部受沖擊瞬間的抖動(dòng)使腳踝處產(chǎn)生一個(gè)小的負(fù)向力矩。
第二階段：腳部慣性背伸
從圖2可以看到擺錘加速度曲線在第二階段無明顯波動(dòng)，且腳踝力矩MY在 正向有較為穩(wěn)定的數(shù)值。結(jié)合圖 5 可以分析出：在第二階段中腳部由于第一階 段受到?jīng)_擊產(chǎn)生了背伸運(yùn)動(dòng)，擺錘與腳部運(yùn)動(dòng)一致或稍慢于腳部，與腳部幾乎 無接觸。此階段中由于腳踝關(guān)節(jié)內(nèi)的摩擦力使得腳踝力矩MY出現(xiàn)正向較為平穩(wěn) 的數(shù)據(jù)。以腳部為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，腳部受到腳踝關(guān)節(jié)球與球槽間的摩 擦力，產(chǎn)生較穩(wěn)定力矩曲線，擺錘與腳部間的接觸產(chǎn)生若有若無的作用力，幾乎無加速度變化。
第三階段：腳部背伸到達(dá)極限位置
從圖2可以看到擺錘加速度曲線在第三階段無明顯波動(dòng)，且腳踝力矩MY產(chǎn) 生了一個(gè)小的波峰。結(jié)合圖 6 可以分析出：在第三階段中腳部慣性背伸運(yùn)動(dòng)達(dá) 到腳踝的極限位置，腳踝翻轉(zhuǎn)受到限位產(chǎn)生的阻力使得腳踝力矩MY出現(xiàn)了一個(gè)小脈沖。從受力角度分析，以腳部為研究對(duì)象，腳部受到腳踝轉(zhuǎn)軸與橡膠墊圈 撞擊阻力，使腳踝產(chǎn)生一個(gè)力矩；此時(shí)沖擊錘減速后還未接觸到腳部，加速度曲線幾乎無變化。
第四階段：擺錘第二次接觸
從圖2可以看到擺錘加速度曲線在第四階段產(chǎn)生了第二個(gè)脈沖，且腳踝力 矩MY隨之產(chǎn)生了一個(gè)正向的大于前一次的脈沖。結(jié)合圖 7 可以分析出：腳部背伸運(yùn)動(dòng)到達(dá)極限位置后，擺錘繼續(xù)運(yùn)動(dòng)再次接觸到腳部并產(chǎn)生沖擊作用，腳踝 力矩MY出現(xiàn)了第二次較高的脈沖。從受力角度分析，以腳部為研究對(duì)象，腳部 再次受到擺錘的沖擊力，擺錘受到的反作用力產(chǎn)生加速度，腳部在前一次背伸 達(dá)到極限后，受力還未完全釋放，再次被擺錘沖擊產(chǎn)生累計(jì)受力，出現(xiàn)了較大 的力矩峰值，這也是標(biāo)定試驗(yàn)所要考察的最大力矩。
2 影響因素分析
在分析出整個(gè)試驗(yàn)過程中擺錘、腳部、腳踝在各階段中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量 變化后，現(xiàn)可以對(duì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的因素進(jìn)行探究分析。
2.1 腳踝緊釘螺釘對(duì)力矩的影響
腳踝緊釘螺釘?shù)乃删o狀態(tài)對(duì)腳踝活動(dòng)阻力有很大影響，表現(xiàn)為緊釘螺釘狀態(tài)為 1g 時(shí)腳踝活動(dòng)阻力小、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；緊釘螺釘狀態(tài)為調(diào)緊（＞1g）時(shí)腳 踝活動(dòng)阻力大、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)困難。于是分別對(duì)腳踝緊釘螺釘為 1g 與緊的狀態(tài)做了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)中擺錘釋放高度一致，即沖擊速度保持不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。
根據(jù)圖8的加速度和力矩曲線，對(duì)緊釘螺釘1g狀態(tài)與調(diào)緊（＞1g）狀態(tài)的 試驗(yàn)過程進(jìn)行分析：
第一階段，由于擺錘加速度曲線峰值一致，說明擺錘受到的反作用力一 致，故施加于腳踝的沖擊力也一致。以腳踝為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，腳踝受 到擺錘的沖擊力與腳踝關(guān)節(jié)內(nèi)的摩擦力，數(shù)據(jù)顯示，1g 狀態(tài)力矩高于調(diào)緊狀態(tài) 力矩，說明腳踝緊釘螺釘調(diào) 1g 狀態(tài)時(shí)腳踝對(duì)沖擊力更敏感。
第二階段，擺錘加速度與腳踝力矩的值基本一致，但時(shí)力矩曲線的時(shí)間歷 程不同，1g狀態(tài)的力矩先產(chǎn)生變化，而腳部背伸的進(jìn)程區(qū)間是一致的，說明在第二階段中 1g 狀態(tài)下的腳部背伸的速度稍高于調(diào)緊狀態(tài)下的腳部背伸速度。
第三階段，擺錘加速度基本一致，螺釘調(diào) 1g 狀態(tài)下的腳踝力矩峰值高于螺 釘調(diào)緊的腳踝力矩。以腳踝為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，腳踝受到腳部慣性背伸產(chǎn)生的作用力，說明螺釘調(diào) 1g 狀態(tài)下的腳踝受到的腳部慣性背伸作用力比螺釘 調(diào)緊的腳踝大。
第四階段，螺釘調(diào) 1g 狀態(tài)下的擺錘加速度與腳踝力矩都高于調(diào)緊狀態(tài)。從受力的角度對(duì)擺錘進(jìn)行分析，擺錘受到腳部對(duì)沖擊力產(chǎn)生的反作用力；對(duì)腳部 進(jìn)行分析，腳部受到擺錘的沖擊力、腳踝關(guān)節(jié)內(nèi)的摩擦力和腳踝關(guān)節(jié)限位的反作用力；對(duì)腳踝進(jìn)行分析，腳踝受到腳部的翻轉(zhuǎn)力和脛骨的支撐力。由于擺錘 在前三個(gè)階段中消耗的能量基本一致，第三階段開始時(shí)的擺錘速度一致，擺錘 對(duì)腳、腳踝組件的作用力也應(yīng)一致。而螺釘調(diào)緊狀態(tài)下的腳踝關(guān)節(jié)內(nèi)的摩擦力 比調(diào) 1g 的腳踝大，說明螺釘調(diào)緊的組件對(duì)擺錘的反作用力小。
綜上所述，當(dāng)緊定螺釘鎖緊后，踝關(guān)節(jié)球運(yùn)動(dòng)的摩擦力增大，所消耗的能 量就會(huì)增多。腳部受到擺錘沖擊后，緊定螺釘越緊，第一階段的力矩波峰減 小，第二階段腳部背伸速度減慢，第三階段腳部受摩擦阻力的影響，到達(dá)背伸極限時(shí)，所受力矩峰值也減小了，第四階段擺錘再次撞擊到腳部，產(chǎn)生的累計(jì) 力矩峰值也會(huì)減小。
2.2 腳部皮膚硬度的影響
腳皮膚的硬度對(duì)腳部自身吸收沖擊能量的性能是有影響。用來對(duì)比的腳部 分別是采用 52 號(hào)料和 45 號(hào)料生產(chǎn)，其硬度性能上表現(xiàn)為45號(hào)料制作的腳部皮 膚硬度為邵 A45 左右，52號(hào)料制作的皮膚硬度為邵A55左右。試驗(yàn)中擺錘釋放 高度一致、腳踝緊釘螺釘松緊狀態(tài)一致、腳踝一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖
根據(jù)上圖的擺錘加速度、腳踝力矩曲線對(duì)腳部材料軟與硬的試驗(yàn)過程進(jìn)行分析：
第一階段，稍硬的腳部其對(duì)擺錘沖擊力的反作用力大于稍軟的腳部。
第二階段，擺錘加速度、腳踝力矩的值基本一致，但時(shí)長上稍硬的腳部比 稍軟的腳部長，而腳部背伸的進(jìn)程長度是一致的，說明在第二階段中稍軟的腳 部背伸的速度稍高于稍硬的腳部。
第三階段中，擺錘加速度、腳踝力矩基本一致。以腳踝為研究對(duì)象進(jìn)行受 力分析，腳踝受到腳部背伸產(chǎn)生的關(guān)節(jié)內(nèi)摩擦力，軟硬度不同的腳部對(duì)腳踝產(chǎn) 生的作用力大小一致。
第四階段中，腳部稍硬狀態(tài)下的擺錘加速度與腳踝力矩的值都高于稍軟的 腳部，且受力時(shí)間短于稍軟的腳部。
綜上所述，腳部沖擊過程中，腳部皮膚硬度越高，第一階段的加速度峰值越大，第二階段腳部背伸的速度有所減慢，第三階段的力矩差異不大，第四階 段的力矩峰值越大，說明腳部皮膚硬度對(duì)踝關(guān)節(jié)的摩擦力影響不太明顯，但吸 能效果的不同造成了對(duì)力矩峰值結(jié)果有明顯影響。
3 異常分析
通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線大致可分為三種形狀，一 般數(shù)據(jù)峰值在 95.0Nm～145.0Nm 內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)出如下圖的狀態(tài)：
圖 10 正常試驗(yàn)的力矩曲線
此種形狀的腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線整個(gè)沖擊過程階段明顯，腳部與腳踝的性能良好、配合良好，曲線形狀比較規(guī)范，波峰階段有一小一大兩個(gè)峰值，其順序?yàn)榍靶『蟠螅〔ǚ灏腚[藏于大波峰內(nèi)，其數(shù)據(jù)峰值一般會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
其余兩種腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線則不易通過，結(jié)合力矩?cái)?shù)據(jù)曲線圖分析如下：
異常情況一：?jiǎn)尾ǚ逍?nbsp;
腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線在波峰階段只有一個(gè)波峰，且數(shù)據(jù)峰值超出上限 145.0Nm。具體數(shù)據(jù)曲線如下圖：
根據(jù)沖擊進(jìn)程中的四個(gè)階段進(jìn)行分析可以看出：腳部與腳踝在第一階段并無明顯異常，第二階段持續(xù)時(shí)間與正常情況下的持續(xù)時(shí)間相比稍長，第三階段開始的時(shí)間則稍有延遲且表現(xiàn)不明顯，第四階段的波峰整體超出 145.0Nm 的上限。說明腳部在第二階段的慣性背伸運(yùn)動(dòng)在同樣的進(jìn)程長度內(nèi)消耗的時(shí)間要比 正常情況下長，導(dǎo)致擺錘第二次接觸腳部的時(shí)候腳部并未完全到達(dá)極限位置， 進(jìn)一步致使擺錘第二次沖擊的沖擊力與腳部背伸慣性產(chǎn)生的作用力重合，所以腳踝力矩最后時(shí)刻表現(xiàn)的數(shù)據(jù)超過了上限。而腳部的慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)長僅與腳踝關(guān)節(jié)球所受摩擦有關(guān)，說明腳踝內(nèi)部摩擦力過大。
異常情況二：雙波峰型
腳踝力矩MY數(shù)據(jù)曲線具有兩個(gè)相互獨(dú)立的波峰，且數(shù)據(jù)峰值超出上限 145.0Nm。具體數(shù)據(jù)曲線如下圖：
根據(jù)沖擊進(jìn)程中的四個(gè)階段進(jìn)行分析可以看出：腳部與腳踝在第一、第二階段并無明顯異常，第三階段的小波峰開始時(shí)間與正常情況一致但波峰形象具體且遠(yuǎn)超出正常情況，第四階段的波峰整體超出 145.0Nm 的上限。說明腳部在第一階段吸收的擺錘動(dòng)能在自身彈性形變及第二階段的慣性背伸運(yùn)動(dòng)消耗后仍 有過多的剩余傳遞給到腳踝，而第三階段波峰開始的時(shí)間與正常情況一致，說明腳部對(duì)擺錘沖擊能量的吸收性不好，同樣因?yàn)檫@個(gè)原因?qū)е碌谒碾A段中傳遞到腳踝的能量更多。
4 總結(jié)
通過此次對(duì) HⅢ-50th 假人腳上部沖擊試驗(yàn)的研究分析，我們可以初步總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
（1）根據(jù)力矩變化趨勢(shì)，腳上部沖擊試驗(yàn)過程可以分為四個(gè)階段：擺錘第一次接觸腳部、腳部發(fā)生背伸運(yùn)動(dòng)、腳部背伸達(dá)到極限、擺錘第二次撞擊到 腳部；
（2）腳踝緊定螺釘和腳部皮膚的硬度對(duì)標(biāo)定結(jié)果——力矩曲線有影響；
（3）調(diào)節(jié)腳踝緊定螺釘，可以改善力矩曲線峰值；
（4）腳部皮膚硬度增大，力矩曲線峰值也會(huì)增大；
（5）腳踝緊定螺釘太緊或太松都不利于腳部順利通過標(biāo)定。
本文主要對(duì) HⅢ-50th 假人的腳上部沖擊的試驗(yàn)過程進(jìn)行深入分析，結(jié)合加速度曲線和力矩曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了力矩每個(gè)階段產(chǎn)生的原因，并針對(duì)這些原因進(jìn)行影響因素的驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)過程的分析結(jié)論對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的 異常曲線進(jìn)行了分析。對(duì)假人腳上部沖擊標(biāo)定有重要的參考意義，既有助于假人的標(biāo)定研究，也為假人制作提供了參考數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)： [1]湖南賽孚汽車科技股份有限公司，Hybrid Ⅲ-50th 男性假人用戶手冊(cè)（版 本：R1）. [2]張愷,顏凌波,杜現(xiàn)平,曹立波.假人腳部力學(xué)特性的試驗(yàn)研究,機(jī)械科學(xué)與技 術(shù), 2015, 34(8). [3]鄭昌軍,曹盈,崔新康,魏復(fù)品,沈光勇,趙友梅.H3 50th 假人腳部沖擊研 究,2014 第十七屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2014,772-779.
微信二維碼 
