根据 JJF 1230-2099《汽车正面碰撞试验用人形试验装置校准规范》文件 中关于 HⅢ-50th 假人标定实验的相关要求，对 HⅢ-50th 假人（以下简称“假 人“）的足上部不穿鞋进行冲击标定。该冲击试验的数据采集及要求为：通过下胫骨力与力矩传感器测量脚踝 Y 方向的力矩MY，要求MY的峰值范围为 95.0Nm～145.0Nm。 

1 试验过程分析 

     脚上部不穿鞋冲击试验中法规仅对脚踝 Y 方向的力矩MY峰值有要求，故一般性在标定报告中的数据曲线仅展示MY峰值附近曲线段，如图1所示。 

    为提高脚部与脚踝的性能参数，使其组合在脚上部冲击试验中表现出更好的数据，需要探究脚踝力矩MY数据曲线波形形成原因。在摆锤上安装加速度传 感器，通过加速度和力矩数据曲线，以及慢镜头拍摄的视频对摆锤、脚部、脚 踝的运动状态和受力变化进行分解，根据波形变化，将整个脚上部整个冲击过 程分为四个阶段，如图 2 所示，以下结合视频分解的各阶段图片对运动状态、 受力变化和能量转移进行分析。 

第一阶段：摆锤第一次接触 

    从图2可以看到摆锤加速度曲线在第一阶段有一个较大波峰，且脚踝力矩 MY随之产生了一个负方向的波峰。结合图 4 的慢动作截图可以分析出：在第一 阶段中，摆锤第一次冲击接触到脚部，脚部受冲击力即将发生背伸（医学上踝 关节的解剖位为脚与下肢相对角度为 90°，当脚部绕踝关节 Y 轴向上弯曲并与胫骨相对角度小于 90°时该状态称为背伸），而脚踝也随着摆锤的撞击发生了 抖动。从受力角度分析，以脚部为研究对象，此阶段中脚部受到摆锤的冲击力，摆锤受反作用力产生减速度，脚部受冲击瞬间的抖动使脚踝处产生一个小的负向力矩。

第二阶段：脚部惯性背伸 

    从图2可以看到摆锤加速度曲线在第二阶段无明显波动，且脚踝力矩MY在 正向有较为稳定的数值。结合图 5 可以分析出：在第二阶段中脚部由于第一阶 段受到冲击产生了背伸运动，摆锤与脚部运动一致或稍慢于脚部，与脚部几乎 无接触。此阶段中由于脚踝关节内的摩擦力使得脚踝力矩MY出现正向较为平稳 的数据。以脚部为研究对象进行受力分析，脚部受到脚踝关节球与球槽间的摩 擦力，产生较稳定力矩曲线，摆锤与脚部间的接触产生若有若无的作用力，几乎无加速度变化。

第三阶段：脚部背伸到达极限位置

    从图2可以看到摆锤加速度曲线在第三阶段无明显波动，且脚踝力矩MY产 生了一个小的波峰。结合图 6 可以分析出：在第三阶段中脚部惯性背伸运动达 到脚踝的极限位置，脚踝翻转受到限位产生的阻力使得脚踝力矩MY出现了一个小脉冲。从受力角度分析，以脚部为研究对象，脚部受到脚踝转轴与橡胶垫圈 撞击阻力，使脚踝产生一个力矩；此时冲击锤减速后还未接触到脚部，加速度曲线几乎无变化。

第四阶段：摆锤第二次接触 

    从图2可以看到摆锤加速度曲线在第四阶段产生了第二个脉冲，且脚踝力 矩MY随之产生了一个正向的大于前一次的脉冲。结合图 7 可以分析出：脚部背伸运动到达极限位置后，摆锤继续运动再次接触到脚部并产生冲击作用，脚踝 力矩MY出现了第二次较高的脉冲。从受力角度分析，以脚部为研究对象，脚部 再次受到摆锤的冲击力，摆锤受到的反作用力产生加速度，脚部在前一次背伸 达到极限后，受力还未完全释放，再次被摆锤冲击产生累计受力，出现了较大 的力矩峰值，这也是标定试验所要考察的最大力矩。

2 影响因素分析 

    在分析出整个试验过程中摆锤、脚部、脚踝在各阶段中的运动状态和能量 变化后，现可以对影响试验数据的因素进行探究分析。

2.1 脚踝紧钉螺钉对力矩的影响

    脚踝紧钉螺钉的松紧状态对脚踝活动阻力有很大影响，表现为紧钉螺钉状态为 1g 时脚踝活动阻力小、关节转动灵活；紧钉螺钉状态为调紧（＞1g）时脚 踝活动阻力大、关节转动困难。于是分别对脚踝紧钉螺钉为 1g 与紧的状态做了对比试验，试验中摆锤释放高度一致，即冲击速度保持不变，试验数据结果如图8所示。

     根据图8的加速度和力矩曲线，对紧钉螺钉1g状态与调紧（＞1g）状态的 试验过程进行分析：

     第一阶段，由于摆锤加速度曲线峰值一致，说明摆锤受到的反作用力一 致，故施加于脚踝的冲击力也一致。以脚踝为研究对象进行受力分析，脚踝受 到摆锤的冲击力与脚踝关节内的摩擦力，数据显示，1g 状态力矩高于调紧状态 力矩，说明脚踝紧钉螺钉调 1g 状态时脚踝对冲击力更敏感。 

     第二阶段，摆锤加速度与脚踝力矩的值基本一致，但时力矩曲线的时间历 程不同，1g状态的力矩先产生变化，而脚部背伸的进程区间是一致的，说明在第二阶段中 1g 状态下的脚部背伸的速度稍高于调紧状态下的脚部背伸速度。

     第三阶段，摆锤加速度基本一致，螺钉调 1g 状态下的脚踝力矩峰值高于螺 钉调紧的脚踝力矩。以脚踝为研究对象进行受力分析，脚踝受到脚部惯性背伸产生的作用力，说明螺钉调 1g 状态下的脚踝受到的脚部惯性背伸作用力比螺钉 调紧的脚踝大。

     第四阶段，螺钉调 1g 状态下的摆锤加速度与脚踝力矩都高于调紧状态。从受力的角度对摆锤进行分析，摆锤受到脚部对冲击力产生的反作用力；对脚部 进行分析，脚部受到摆锤的冲击力、脚踝关节内的摩擦力和脚踝关节限位的反作用力；对脚踝进行分析，脚踝受到脚部的翻转力和胫骨的支撑力。由于摆锤 在前三个阶段中消耗的能量基本一致，第三阶段开始时的摆锤速度一致，摆锤 对脚、脚踝组件的作用力也应一致。而螺钉调紧状态下的脚踝关节内的摩擦力 比调 1g 的脚踝大，说明螺钉调紧的组件对摆锤的反作用力小。 

     综上所述，当紧定螺钉锁紧后，踝关节球运动的摩擦力增大，所消耗的能 量就会增多。脚部受到摆锤冲击后，紧定螺钉越紧，第一阶段的力矩波峰减 小，第二阶段脚部背伸速度减慢，第三阶段脚部受摩擦阻力的影响，到达背伸极限时，所受力矩峰值也减小了，第四阶段摆锤再次撞击到脚部，产生的累计 力矩峰值也会减小。

2.2 脚部皮肤硬度的影响 

    脚皮肤的硬度对脚部自身吸收冲击能量的性能是有影响。用来对比的脚部 分别是采用 52 号料和 45 号料生产，其硬度性能上表现为45号料制作的脚部皮 肤硬度为邵 A45 左右，52号料制作的皮肤硬度为邵A55左右。试验中摆锤释放 高度一致、脚踝紧钉螺钉松紧状态一致、脚踝一致，试验结果如图

    根据上图的摆锤加速度、脚踝力矩曲线对脚部材料软与硬的试验过程进行分析：

    第一阶段，稍硬的脚部其对摆锤冲击力的反作用力大于稍软的脚部。 

    第二阶段，摆锤加速度、脚踝力矩的值基本一致，但时长上稍硬的脚部比 稍软的脚部长，而脚部背伸的进程长度是一致的，说明在第二阶段中稍软的脚 部背伸的速度稍高于稍硬的脚部。 

    第三阶段中，摆锤加速度、脚踝力矩基本一致。以脚踝为研究对象进行受 力分析，脚踝受到脚部背伸产生的关节内摩擦力，软硬度不同的脚部对脚踝产 生的作用力大小一致。

    第四阶段中，脚部稍硬状态下的摆锤加速度与脚踝力矩的值都高于稍软的 脚部，且受力时间短于稍软的脚部。

    综上所述，脚部冲击过程中，脚部皮肤硬度越高，第一阶段的加速度峰值越大，第二阶段脚部背伸的速度有所减慢，第三阶段的力矩差异不大，第四阶 段的力矩峰值越大，说明脚部皮肤硬度对踝关节的摩擦力影响不太明显，但吸 能效果的不同造成了对力矩峰值结果有明显影响。 

3 异常分析

    通过大量的试验数据中发现脚踝力矩MY数据曲线大致可分为三种形状，一 般数据峰值在 95.0Nm～145.0Nm 内的数据曲线呈现出如下图的状态：

    图 10 正常试验的力矩曲线 

    此种形状的脚踝力矩MY数据曲线整个冲击过程阶段明显，脚部与脚踝的性能良好、配合良好，曲线形状比较规范，波峰阶段有一小一大两个峰值，其顺序为前小后大，小波峰半隐藏于大波峰内，其数据峰值一般会在标准范围内。 

    其余两种脚踝力矩MY数据曲线则不易通过，结合力矩数据曲线图分析如下：

异常情况一：单波峰型 

   脚踝力矩MY数据曲线在波峰阶段只有一个波峰，且数据峰值超出上限 145.0Nm。具体数据曲线如下图：

    根据冲击进程中的四个阶段进行分析可以看出：脚部与脚踝在第一阶段并无明显异常，第二阶段持续时间与正常情况下的持续时间相比稍长，第三阶段开始的时间则稍有延迟且表现不明显，第四阶段的波峰整体超出 145.0Nm 的上限。说明脚部在第二阶段的惯性背伸运动在同样的进程长度内消耗的时间要比 正常情况下长，导致摆锤第二次接触脚部的时候脚部并未完全到达极限位置， 进一步致使摆锤第二次冲击的冲击力与脚部背伸惯性产生的作用力重合，所以脚踝力矩最后时刻表现的数据超过了上限。而脚部的惯性运动时长仅与脚踝关节球所受摩擦有关，说明脚踝内部摩擦力过大。

异常情况二：双波峰型

   脚踝力矩MY数据曲线具有两个相互独立的波峰，且数据峰值超出上限 145.0Nm。具体数据曲线如下图：

    根据冲击进程中的四个阶段进行分析可以看出：脚部与脚踝在第一、第二阶段并无明显异常，第三阶段的小波峰开始时间与正常情况一致但波峰形象具体且远超出正常情况，第四阶段的波峰整体超出 145.0Nm 的上限。说明脚部在第一阶段吸收的摆锤动能在自身弹性形变及第二阶段的惯性背伸运动消耗后仍 有过多的剩余传递给到脚踝，而第三阶段波峰开始的时间与正常情况一致，说明脚部对摆锤冲击能量的吸收性不好，同样因为这个原因导致第四阶段中传递到脚踝的能量更多。

4 总结

    通过此次对 HⅢ-50th 假人脚上部冲击试验的研究分析，我们可以初步总结出以下几点结论：

  （1）根据力矩变化趋势，脚上部冲击试验过程可以分为四个阶段：摆锤第一次接触脚部、脚部发生背伸运动、脚部背伸达到极限、摆锤第二次撞击到 脚部；

  （2）脚踝紧定螺钉和脚部皮肤的硬度对标定结果——力矩曲线有影响； 

  （3）调节脚踝紧定螺钉，可以改善力矩曲线峰值； 

  （4）脚部皮肤硬度增大，力矩曲线峰值也会增大；

  （5）脚踝紧定螺钉太紧或太松都不利于脚部顺利通过标定。 

   本文主要对 HⅢ-50th 假人的脚上部冲击的试验过程进行深入分析，结合加速度曲线和力矩曲线的对应关系，分析了力矩每个阶段产生的原因，并针对这些原因进行影响因素的验证，同时结合试验过程的分析结论对试验中出现的 异常曲线进行了分析。对假人脚上部冲击标定有重要的参考意义，既有助于假人的标定研究，也为假人制作提供了参考数据。

参考文献： [1]湖南赛孚汽车科技股份有限公司，Hybrid Ⅲ-50th 男性假人用户手册（版 本：R1）. [2]张恺,颜凌波,杜现平,曹立波.假人脚部力学特性的试验研究,机械科学与技 术, 2015, 34(8). [3]郑昌军,曹盈,崔新康,魏复品,沈光勇,赵友梅.H3 50th 假人脚部冲击研 究,2014 第十七届汽车安全技术学术会议论文集,2014,772-779.