交 通 學 報 第十一卷 第二期 民國一 年十一月 頁 139 頁 162 Journal of Traffic Science Central Police University Vol. 11 No. 2 Nov. 2011, pp. 139 ~162 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 Model

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1 交 通 學 報 第十一卷 第二期 民國一 年十一月 頁 39 頁 6 Jural f Traffic Sciece Ceral Plice Uiversiy Vl. N. Nv. 0, pp. 39 ~6 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 Mdelig Tw-Dimesial Car Cllisi Velciies 張超群 許哲嘉 彭守道 黃國平 Chau-Chi Chag Jer-Jia Sheu Shu-Ta Peg3 Kevi P. Hwag4 摘要 本文探討汽車二維碰撞時肇事車速推估的計算模型及其使用時機 並對車 速推估計算公式作較詳細的推導 車速推估的計算方法有動量法 能量法和圖 解法 動量法應用動量守恆 恢復係數 衝量比來計算車速 包含有簡易模型 點質量模型 一般模型 而能量法則採用車損能量推估車速變化 我們提出用 餘弦定律反推碰撞前車速之方法 並比較了動量法 能量法與圖解法的優缺點 本文也用例題說明前述方法的使用步驟 關鍵詞 汽車二維碰撞 動量法 能量法 圖解法 簡易模型 點質量模型 Absrac This paper ivesigaes ad cmpares varius w-dimesial car cllisi mdels calculae impac velciy ad prvide he deails f he velciy esimai frmulas.. The velciy esimai mehds are classified i mmeum mehd, eergy mehd, ad graphics mehd. Mmeum mehd, which icludes simple mdel, pi mass mdel, ad geeral mdel, applies cservai f mmeum, cefficie f resiui ad impulse rai calculae velciy. Eergy mehd uses eergy lss esimae velciy chage. We prpse a mehd calculae velciy prir cllisi by usig law f csie. We als cmpare he advaages ad disadvaages f each mehd ad use examples demsrae he slvig prcedures f each mehd. Keywrds: Tw-dimesial car cllisi, Mmeum mehd, Eergy mehd, Graphics mehd, Simple mdel, Pi mass mdel 3 4 南台科技大學機械工程系副教授 聯絡地址 台南市永康區南台街號 電話 轉35 ccchag@mail.su.edu.w 南台科技大學機械工程系副教授 南台科技大學機械工程系教授 成功大學交通管理科學系副教授 39

2 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 一 前言 隨著經濟的快速發展, 汽車的數目急劇增加, 汽車發生碰撞的交通事故也隨之增多 汽車是相當複雜的系統, 要精確模擬汽車碰撞過程並不是件容易的事 目前市面上的商業用軟體如 LS-DYNA3D MADYMO3D (Huag, 00), 為用有限元素法來分析碰撞時汽車的受力和變形, 但因為有限元素法的網格建立需要相當長的時間, 模擬時需要完整的力學參數如材料的彈性模數 蒲松比等 不同的車型有不同的參數, 因此使用者需有相當的有限元素法及力學基礎, 建模完成後的模擬也需要很長的執行時間, 這不是一般事故鑑定人員及記錄人員如交通警察可了解並應用的 因此, 前述之商業用軟體主要用於汽車廠做設計階段的碰撞模擬用, 以便修改汽車結構參數, 改進汽車及人體在碰撞時的安全性 目前市面上也有一些汽車事故重建的模擬軟體, 如 PC-CRASH (Seffa ad Mser, 996) CRASH3 (McHery ad McHery, 986) IMPAC (Wlley, 985) 等, 但執行這些專業軟體仍需要有一些動力學 車輛動力學的基礎, 此外購買這些軟體也需要大筆的金錢, 並不是許多鑑定單位買得起的 由於汽車三維碰撞的複雜性, 目前對交通事故重建力學分析以二維碰撞為主, 汽車二維碰撞也就是平面碰撞 常見的偏心直線碰撞 斜碰撞 垂直碰撞等就屬於二維碰撞, 而正向中心碰撞與尾部追撞屬一維碰撞, 但可視為二維碰撞之特例 在交通事故鑑定中, 車速是判斷責任歸屬的一個重要依據 因此, 如何較正確地估算碰撞車速, 讓肇事者心服, 便成為重要的課題 在交通事故重建中對車速推估通常採用動量法或能量法 (Brach ad Brach, 005; 張超群等,00) 動量法應用車輛碰撞前後動量守恆 恢復係數及衝量比等參數, 再配合肇事現場留下的跡證, 如煞車痕長度, 散落物位置等以便反推求出碰撞前後車速 能量法則採用車輛碰撞後的車損變形量, 輔以車輛的剛度係數, 算出車體碰撞的車損能量, 求出碰撞過程的速度變化 V 圖解法則依動量守恆定律, 用作圖求出碰撞速度 ( 張超群 許哲嘉 黃國平,005) 傳統使用經驗法推估車速可能產生較大的誤差 有鑒於此, 本研究應用動力學的動量法 能量法及圖解法進行汽車二維碰撞的車速推估, 並用 Excel 編寫成程式, 具有使用簡單和一定精確度之優點 雖然文獻中已有一些二維碰撞模型探討 ( 李江 倪行達 金同明,999; 崔海梁等,003;Brach ad Brach, 005; 張超群 許哲嘉 黃國平,007), 但其推導過程較簡略, 一般人不易了解如何導出公式, 並且例題較少, 其使用時機未說明很詳細 本文對汽車二維碰撞動量法模型已有的簡易模型 點質量模型及一般碰撞模型的車速推估公式作較詳細推導, 並說明碰撞車速推估正推法和反推法的大致進行步驟 此外, 我們也介紹能量法作車速推估的使用步驟 而一般能量法只計算出碰撞期間的速度變化 V, 本 40

3 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 文則提出利用餘弦定律反推碰撞前車速的方法, 並介紹圖解法的原理及使用步驟 最後我們比較動量法 能量法與圖解法的優缺點, 並用例題說明前述模型的使用方法與步驟 由於汽車碰撞時的車速一般是以汽車的質心速度代表, 碰撞後滑行的距離也是以碰撞至停止位置, 汽車質心的距離來代表, 汽車的旋轉運動也是繞通過質心之軸轉動 因此, 質心的位置在汽車碰撞力學模型建構中起著重要的作用 本文假設汽車的質心位置是已知的, 其實際的位置可用量測方法求得 ( 張超群 劉成群,005) 本文所探討的汽車二維碰撞就是平面碰撞, 其基本假設為所有的碰撞力 速度與運動皆在同一平面上, 汽車未發生 ( 或極小, 可忽略 ) 繞經汽車質心的沿汽車前後方向之縱軸的側傾運動 (rll); 汽車也未發生 ( 或極小, 可忽略 ) 繞經汽車質心沿汽車左右方向之橫軸的俯仰運動 (pich) 在此種假設條件下分析汽車的碰撞, 可以不必用到汽車的質心高度, 於是我們可以用汽車平面的質心來代表汽車的質心 對交通事故力學之研究, 車輛碰撞過程可分為三個階段 :() 碰撞前階段 (pre-impac): 從駕駛感覺要踩煞車到兩車剛接觸, 稱為碰撞前階段 ;() 碰撞過程 (impac): 從兩車碰撞開始剛接觸到碰撞結束剛分離之階段, 稱為碰撞過程 ;(3) 碰撞後階段 (ps-impac): 從兩車剛分離到車子完全停止, 稱為碰撞後階段 對汽車二維碰撞, 通常採用沿水平和垂直方向的 x - y 座標系或沿碰撞切線和法線方向的 - 座標系 汽車的位置可用汽車質心座標和車身轉動角度來描述, 因此平面運動的汽車具有 3 個自由度 二 動量法模型 本節探討動量法的簡易模型 點質量模型及一般模型. 基本假設 由於汽車碰撞的複雜性, 為了能夠合理的作車速推估, 必須作一些假設, 使模型合理化, 汽車二維碰撞動量法的基本假設如下 :. 由於碰撞的時間極短, 在碰撞過程, 其他的力如重力 地面的摩擦力等與碰撞力相比是很小的, 可忽略不計 因此在碰撞過程中系統動量守恆. 因碰撞時間極短, 車體位移極小, 可忽略不計, 但速度卻有很大的變化 3. 在碰撞前階段與碰撞後階段, 因為沒有碰撞力, 其他的力如重力 地面的摩擦力起作用 4. 碰撞的合衝量作用在碰撞中心 5. 碰撞前後車輛的質量 質心位置 質量慣性矩保持不變 4

4 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月. 簡易模型 汽車碰撞時若忽略碰撞的變形, 則汽車簡化為剛體 設碰撞前兩車為直線行駛, 沒有旋轉運動, 並且若碰撞時碰撞力的合力作用線經過兩車的質心 ( 對心碰撞 ), 則碰撞後兩車也沒有轉動, 或旋轉運動很小可忽略, 這時汽車的平面運動簡化為平移運動 (raslai), 汽車可從剛體模型進一步簡化為質點模型, 兩汽車碰撞簡化為兩質點的碰撞, 稱為汽車二維碰撞的簡易模型 此模型求解時不必選擇法線方向的恢復係數 e 及切線方向的衝量比, 或相對滑動摩擦係數 (Brach, 99; 李江 倪行達 金同明,999) 圖 汽車二維碰撞簡易模型示意圖 圖 所示為兩車二維碰撞簡易模型的示意圖, 車行駛方向和正 x 軸方向的夾角為, 車行駛方向和正 x 軸方向的夾角為 取 車發生碰撞處為座標系原點 O, 車碰撞開始 ( 碰撞前 ) 的速度大小分別為 v 0 和 v 0, 車碰撞結束 ( 碰撞後 ) 的速度大小分別為 v 和 v, 碰撞結束後 車分別以和正 x 方向成 和 角, 滑動距離 d 和 d 後停止 和 稱為接近角 (apprach agle), 而 和 稱為離去角 (deparure agle) 當不計車輛的變形及旋轉運動, 車及 車可視為質點 和, 稱為汽車二維碰撞簡易模型 根據動量守恆定律, 碰撞前後系統動量守恆, 即 m v m v m v m v () 0 0 式中 m 和 m 為 車的質量 ; v 0 和 v 0 為 車碰撞開始的速度 ; v 和 v 為 車碰撞結束的速度 將方程 () 投影到 x y 方向, 可得兩個純量方程 在 x 方向為 m v cs m v cs m v cs m v cs () 0 0 4

5 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 而在 y 方向為 m v si m v si m v si m v si (3) 0 0 在 () (3) 兩式中, 我們假設碰撞前兩車的行駛方向是已知的, 即 和 是確定的 另一個假設是碰撞結束的車速 v 和 v, 可由 車煞車滑動距離 d 和 d 及 車輪胎與路面的摩擦係數 與, 應用功能原理 (priciple f wrk ad eergy)(beer ad Jhs, 999) 求出 : v gd, v gd (4) 應用方程 () (3) (4) 式, 可解得碰撞開始的車速 v 0 v 0 如下 : v0 m cs m cs mv cs mv cs v 0 m si m si mv si mv si 由方程 (5) 可知簡易模型除了計算式簡單外, 還有不需使用恢復係數 (cefficie f resiui) 與衝量比 (impulse rai) 的優點 此模型假設車輛碰撞前後皆無轉動, 故只對兩車對心碰撞的分析較準確, 但因其簡易故仍適於作碰撞車速的初步推估. 3 點質量模型 點質量模型 (pi mass mdel)(brach ad Brach, 005) 與簡易模型相比, 它多使用了恢復係數 e 及衝量比 ( 或碰撞切線方向的相對滑動摩擦係數 e ), 但仍忽略兩部汽車碰撞前後的旋轉運動 使用點質量模型時採用切線與法線座標 較方便, 其示意圖如圖 所示, 圖中的符號定義與簡易模型符號相同, 其模型如圖 3 所示 y 車 (5) d y 車 d v 0 車 O v 0 v 車 x v x y x 圖 汽車二維碰撞點質量模型示意圖 43

6 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 y d d v v 0 v x v 0 圖 3 點質量模型 設 車碰撞開始的車速 v 0 和 v 0 在法線 方向的分量分別為 v 0 v 0 ; 在切線 方向的分量分別為 v 0 v 0 車碰撞結束的車速 v 和 v 在法線 方向的分量分別為 v v ; 在切線 方向的分量分別為 v v 應用衝量與動量原理 (priciple f impulse ad mmeum) (Beer ad Jhs, 999) 於 車的法線與切線方向, 得 m v I m v (6) 0 m v I m v (7) 0 m v I m v (8) 0 m v I m v (9) 0 式中 I 為碰撞處的法線方向衝量 (rmal impulse), I 為碰撞處的切線方向衝量 (ageial impulse) 恢復係數 e 的定義為 v e v v 0 v0 (0) 定義衝量比 (Brach ad Brach, 005): I () I 注意 值可為正或負 由 (6) 與 (8) 式可得 車碰撞結束的車速在法線方向的分量 : v v I / m () 0 v v I / m (3) 0 44

7 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 方程 () (3) 代入方程 (0) 整理後, 可得法線方向衝量 其中 I m( e)( v v ) (4) m m m m m 0 0 (5) 將 (4) 式代入 () (3) (7) (9) 式, 可解得正推法所用之碰撞結束之速度分量計算式 : v v m( e)( v v ) / m (6) v v m( e)( v v ) / m (7) v v m( e)( v v ) / m (8) v v m( e)( v v ) / m (9) v ( v ) ( v ) (0) v ( v ) ( v ) () 同理, 可用反推法解得的碰撞開始速度之法線與切線分量計算式如下 : ( e) m v v ( v v ) () 0 me ( e) m v v ( v v ) (3) 0 me ( e) m v v ( v v ) (4) 0 me ( e) m v v ( v v ) (5) 0 me v ( v ) ( v ) (6) v ( v ) ( v ) (7) 點質量模型適用於碰撞後汽車的旋轉角速度很小, 旋轉運動可忽略的情況 實務上恢復係數 e 的值通常都介於 0 至 0.3 之間 由於簡易模型不需使用恢復係數 e 與衝量比, 而點質量模型需使用這兩個參數, 因此, 我們可以用簡易模型所得的數據來調整點質量模型的 e 和, 當兩個數據接近時我們便得到碰撞時的 e 和.4 一般模型 當汽車碰撞面較廣並有旋轉運動時, 點質量模型會產生較大的誤差, 45

8 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 這時需要使用一般模型 汽車二維碰撞的一般模型 (Macmilla, 983; Ishikawa, 993), 如圖 4 所示 這是一個通用的平面碰撞模型, 它考慮了碰撞接觸面上衝擊力的不均勻分布, 將作用於碰撞面的碰撞分布力用其合力等效作用在碰撞中心上 在整個碰撞過程中, 汽車接觸面之間的碰撞力對碰撞時間的積分等效於一個合衝量, 此等效合衝量的作用點稱為碰撞中心 (impac ceer )(Ishikawa, 994) 假設 車以速度 v 0 及趨近角 ( v 0 和正 x 軸的夾角 ), 車以速度 v 0 及趨近角 ( v 0 和正 x 軸的夾角 ) 發生碰撞, 設碰撞中心在 O 點, 以 O 點為座標原點, 沿著碰撞面的切線及法線, 作切線座標 及法線座標, - 座標系與 x-y 座標系的夾角為 將 兩車的碰 撞結束的車速 v v 沿 - 軸分解成 v v 及 v v 設 兩車的碰撞結束的角速度分別為 和, 兩車的質心 G G 的切線及法線座標分別為 ( a, b ) 及 ( a, b ), 如圖 4 所示 圖 4 中角速度 與, 趨近角 和, 兩座標系的夾角為, 這些角速度與角度逆時針方向轉動為正值, 順時針方向轉動為負值 圖 4 的角速度方向代表角速度的正方向, 若計算出的 或 為正值, 表示 車 車碰撞後的旋轉方向與圖示的方向相同 ; 若計算出的 或 為負值, 表示 車 車碰撞後的旋轉方向與圖示方向相反 同理 v v 及 v v 也先假設沿 - 軸的正方向, 若計算結果為正值, 表示沿圖示的方式 ; 反之, 若計算結果為負值, 表示與圖示的方式相反 畫出 兩車的衝量圖, 如圖 5 所示, 其中 I I 為碰撞產生之合衝量在法線及切線方向之分量 車碰撞開始速度 v 0 在碰撞法線方向及切線方向的分量為 v v si( ) (8) 0 0 v v cs( ) (9) 0 0 車碰撞開始速度 v 0 在法線方向及切線方向之分量為 v v si( ) (30) 0 0 v v cs( ) (3) 0 0 設 車繞經質心之垂直軸的橫擺運動 (yaw mi) 的質心慣性矩分別為 J mk 及 J mk, 其中 k 和 k 分別為 車和 車對其質心的迴旋半徑 (radius f gyrai) (Jg ad Rgers, 99), 應用衝量與動量原理於法線 切線及垂直 軸方向, 對 車可得 m v I m v (3) 0 m v I m v (33) 0 m k I a I b m k (34) 0 46

9 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 y v 車 v 0 x G G v O ( a, b ) v x ( a, b ) v 車 v 0 x 圖 4 汽車二維碰撞之座標系 y v 車 v 0 x I v I G O ( a, b ) v I G I ( a, b ) v 車 v 0 圖 5 車與 車的衝量圖 47

10 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 對 車可得 m v I m v (35) 0 m v I m v (36) 0 m k I a I b m k (37) 0 車碰撞中心在碰撞開始 ( 時刻 0 ) 和碰撞結束 ( 時刻 ), 碰撞中心的接近速度的法線 方向的分量分別為 v ( ) v a v a (38) ap v ( ) v a v a (39) ap 碰撞開始與碰撞結束, 法線方向接近速度之關係為 v ( ) ev ( ) (40) ap ap 0 其中 e 為恢復係數 令切線方向與法線方向的衝量比 與方程 () 相同, 並利用 (3) 至 (40) 式及方程 (), 可得 車碰撞結束時的法線及切線方向之速度分量和角速度 : v v I / m (4) 0 v v0 I / m (4) a b 0 I m k (43) 及 車碰撞結束時的的法線及切線方向之速度分量和角速度 : v v I / m (44) 0 v v0 I / m (45) a b 0 I m k (46) 將 (4) (43) (44) (46) 式代入 (39) 式, 整理後代入方程 (40) 得 令 a a a b a b v ( ) I [( ) ( )] ap ev 0 m m mk mk mk mk ap ( ) 0 (47) a a q (48) m m mk mk ab ab z m k m k (49) 48

11 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 將 (48) (49) 式代入 (47) 式, 得 v ( ) I ( q z) ev ( ) (50) ap 0 ap 0 即法線方向碰撞衝量 e e I vap ( 0) ( v0 a0 v0 a 0) q z q z (5) 將 (5) 式代入 (4) 至 (46) 式, 可得正推法計算出之 車碰撞結束時的速度和角速度 當忽略旋轉效應, 方程 (5) 之 z 0, 於是方程 (5) 與方程 (4) 相同, 即一般模型簡化為點質量模型 同理, 由方程 (4) 至 (46), 可得 車碰撞開始時的法線及切線方向之速度分量和角速度 : v v I / m (5) 0 v0 v I / m (53) a b 0 I m k (54) 及 車碰撞開始時的法線及切線方向之速度分量和角速度 : v v I / m (55) 0 v v I / m (56) 0 a b I (57) 0 mk 將方程 (5) (54) (55) (57) 代入方程 (38), 整理後代入方程 (40) 得 v ( ) ei [( a a ) ( a b a b )] ev ( ) (58) ap ap m m mk mk mk mk 應用 (48) 和 (49) 式, 方程 (58) 可寫成 ( e) v ( ) ei ( q z) (59) ap 解得法線方向碰撞衝量 e e I vap ( ) ( v a v a ) e( q z) e( q z) (60) 將 (60) 式解得之 I 代入方程 (5) 至 (57), 可求得用反推法計算出之碰撞開始車速與角速度 對於車速較高且碰撞點離汽車質心較遠的碰撞, 汽車易產生旋轉運動, 此時採用點質量模型的誤差可能較大, 宜採用一般模型 但點質量模型所得到的恢復係數 e 和衝量比 的值, 可作為使用一般模型時的參考 49

12 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 一般交通事故重建車速推估的進行方式可分正推法和反推法 正推法的步驟大致如下 :. 根據跡証, 決定碰撞點 碰撞方向 碰撞位置 煞車距離. 從碰撞車的損傷面決定碰撞面方向 碰撞中心之位置, 由此可決定質心至碰撞中心的距離, 或決定質心座標 3. 輸入兩車的質量 尺寸及相關數據 4. 決定可能知道的速度量及汽車速度方向, 例如碰撞前汽車的角速度常是零 5. 決定恢復係數 e 及衝量比 之值 6. 利用已知的數據作碰撞分析 7. 改變初始速度直到碰撞後的資訊與實際接近相等 反推法步驟的前三項與正推法相同, 接著便是利用已知煞車痕跡計算出碰撞結束車速, 再反推出碰撞開始車速 用反推法來推估碰撞前車速, 與實際車速有誤差的可能原因如下 :. 碰撞的位置及方向是選定的, 這影響到碰撞汽車質心的座標及切線和法線座標軸 (- 軸 ) 的方向. 恢復係數 e 與衝量比的選取與實際情況相比會有誤差存在 3. 路面摩擦係數的選取會影響到碰撞結束速度及角速度之值的準確度 4. 汽車碰撞時兩車恢復係數 e 通常很小, 甚至等於零, 此時公式 () 至 (5) (60) 之數值可能很大 因此, 反推法可能會產生很大的誤差 三 能量法 能量法 (Campbell, 974;McHery, 975;Huag, 00;Brach ad Brach, 005;Wd, 99) 是用汽車碰撞後的變形深度來計算碰撞車損能量, 進而算出碰撞過程的速度變化 V 能量法基本假設如下:. 車損能量等於碰撞能量損失. 碰撞為完全塑性碰撞 3. 碰撞車在切線方向的滑動在車分離前便停止 4. 其它非碰撞力忽略不計 假設 () 和 (3) 稱為共同車速情況 (cmm-velciy cdii) 除了低速碰撞及擦撞外, ㄧ般的碰撞共同車速情況是成立的 對汽車二維碰撞能量法的車速計算公式, 基本上與汽車一維碰撞能量法類似, 只是多了迴轉效應 為計及迴轉效應, 一般需要決定所謂的主碰撞力方向 (Priciple Direci f Frce)PDOF(Huag, 00;Brach ad Brach, 005), 它通常是根據車體的變形及肇事重建者的經驗或碰撞後車的停止位置而判斷的 使用能量法需用到碰撞車的剛度係數 (siffess cefficie), 這些資料需用實驗求得, 但因 50

13 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 車輛種類繁多, 各汽車廠牌 車型 車體材質並未一致, 車體折件之有無及折件角度, 均會影響車體遭受撞擊後之損傷變形深度, 我們不可能獲得各種車型的剛度係數 因此, 一般都採用美國國家高速公路安全管理局 (NHTSA) 的測試資料, 如表 所示 (Huag, 00) 由於表 所示的剛度係數是實車碰撞後量測所得的值, 這些數據都是使用許多不同廠牌的汽車去作大量實車碰撞實驗獲得的, 具有一定的公信力和準確度 剛度係數 前撞 後撞 側撞 表 依車型尺寸分類的碰撞剛度係數 迷你車 次小型小型中型大型豪華汽車汽車汽車汽車轎車 廂型車 貨卡車 A B G A B G A B G 單位 : A = N/cm B N/cm G = N 我們將能量法的使用步驟大致說明如下 :. 計算車損變形時通常採用六點量測法 ( 見圖 6), 量測碰撞斷面 6 個點的變形深度 c 至 c 6, 將其分作 5 區段計算出整個斷面的平均變形深度 C av : C av c c c c c c c c c c 5 c c c3 c4 c5 c (6) 若為了節省時間, 可採用採用四點量測法, 此時量測碰撞斷面 4 個點的變形深度 c 至 c 4, 將其分作 3 區段計算出整個斷面的平均變形深度 C av : C av c c c c c c 3 c c c3 c (6) 5

14 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 c c c 3 c 4 c 5 c 6 w c c c c c c L 圖 6 車損變形深度的量測. 輸入 車的剛度係數, 計算兩車的車損能量 (Campbell, 974;Jiag e al. 003) E ( A C B C / A / B ) w (63) av av E ( A C B C / A / B ) w (64) av av 式中 E 和 E 為 車的車損能量 ; C av 和 C av 為 車的平均車損變形深度 ; w 和 w 為 車變形寬度 ; A B A B 為 車的剛度係數 若考慮 PDOF 與車速方向的不一致, 為計及切線方向的車損能 量, 此時方程 (63) (64) 需乘以修正係數 ( a ) (Campbell, 974), 為 PDOF 與車速方向的夾角 3. 計算轉動效應之參數為了計及轉動效應, 根據變形及經驗決定主碰撞力方向 (PDOF), 如圖 7 所示 量測 車質心至主碰撞力方向的垂直距離 h 和 h, 得到兩個計及轉動效應的參數 和 : k k h (65) k k h 其中 k 和 k 分別為 車對其質心的迴旋半徑 (66) 5

15 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 車 h G G 車 h 4. 計算速度變化 V 圖 7 主碰撞力方向 PDOF 根據車損能量可得碰撞前後 車的速度變化 V 和 V (Huag, 00; Jiag e al., 003) V V 5. 計算碰撞開始車速 m ( E E) m ( m m ) m ( E E) m ( m m ) (67) (68) ㄧ般用能量法作車速推估, 只計算到方程 (67) (68) 所示之車速變化 以下為本文提出的反推碰撞開始車速之算法 根據衝量與動量原理,PDOF 方向與 V 同向, 定義 PDOF的方向為 V 之方向與 車前進方向之夾角, 如圖 8 所示, 圖 8 中 為 車碰撞開始車速 v 0 與水平線的夾角 ( 接近角 ); 為 車碰撞後停止位置與水平線的夾角 ( 離去角 ) 車碰撞結束之車速 v 和 v, 可由碰撞後滑行距離 d 和 d, 根據方程 (4) 決定 參考圖 8, 由餘弦定律可求得碰撞開始 車車速 v 0 : v v ( V ) v V cs (80 PDOF ) (69) 0 0 同理, 圖 9 中 PDOF 為 V 之方向與 車碰撞開始車速 v 0 方向之夾角, 為 車碰撞開始車速 v 0 與水平線的夾角, 為 車碰撞後停止位置與水平線的夾角 由餘弦定律, 可求出 車碰撞開始車速 v 0 : v v ( V ) v V cs (80 PDOF ) (70)

16 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 v v 0 PDOF V PDOF 圖 8 計算 車碰撞開始車速 PDOF PDOF v 0 V v 圖 9 計算 車碰撞前車速 使用方程 (69) 與 (70) 時需注意接近角 與, 離去角 與, 順時針取負值, 逆時針取正值 四 圖解法 參考圖 0, 汽車碰撞時動量守恆, 得 m v m v m v m v (7) 0 0 可將方程 (7) 寫成 P0 P0 P P (7) 其中 0 mv 0 0 mv 0 m v mv P P P P, 分別為 車與 車碰撞開 始及碰撞結束之動量 方程 (7) 為用作圖法推算碰撞開始動量或速度的理論基礎 將 (7) 式的四個向量 ( 動量 ) 做成動量四邊形, 再依比例尺之定義, 可求得碰撞開始汽車的動量, 再除以汽車質量便得到碰撞開始車速 對於交通事故而言, 通常兩輛車碰撞前後瞬間的運動方向, 可從事故現場勘測或者從事故現場草圖得知 圖解法的步驟大致如下 :. 求碰撞結束兩車之車速 v v : 參考圖 0, 應用功能原理可求得汽車碰撞結束其速度之大小 v 與 v : v gd v gd 54

17 汽車二維碰撞車速計算模型之研究. 求碰撞結束兩車動量大小 P mv 與 P mv 3. 將已知 經計算求得, 以及經測量獲得之參數列表, 如表 所示 比較某兩輛車碰撞前後的一些參數之變化 汽車 的靜止位置 G 汽車 的靜止位置 v d y O x d G v 0 G v 汽車 G 汽車 v 0 圖 0 圖解法示意圖 表 參數列表 參數 車 車 質量 m (kg) 碰撞開始速度之碰撞角 ( ) 5 90 碰撞結束速度之碰撞角 ( ) 60 6 車滑行離 (m) 摩擦係數 碰撞結束車速 v ( m s ) 碰撞結束車動量 P (kg m s) 運用動量四邊形圖解法求碰撞前之車速 方程 (7) 表示 P0 P0 P P 四個向量構成一個封閉動量四邊形, 如圖 之四邊形 OBCD, 其作圖之過程如下 : A. 先定義動量比例尺, 在平面定 x-y 座標系其原點為 O 由 O 點出發做 線段 OB P 並與 x 軸成 角, 則向量 OB 代表 車碰撞結束之動量 P, 如圖 所示 B. 由 B 點出發做線段 BC P 並與 x 軸成 角, 則向量 BC 代表 車碰撞 結束之動量 P 55

18 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 C. 從 C 點出發作線與 x 軸成 角, 代表 車碰撞開始動量 P 0 的方向 D. 從 O 點作線與 x 軸成 角, 代表 車碰撞開始動量 P 0 的方向, 這條線 與步驟 (c) 所作之線交於 D 點, 則向量 OD P 0 DC P 0, 分別代表 車碰撞前動量 測量線段 OD 和 DC 的長度, 依比例尺可算出碰撞開始動量, 再除以質量便是碰撞開始車速 v 0 和 v 0 y B P C P 0 P P 0 D O 圖 動量四邊形 例如, 以表 所示之汽車碰撞參數, 用圖解法求兩車碰撞開始之車速 首先定義動量比例尺 mm 500 kg m/s, 因 車碰撞結束的動量大小等於 500kg m/s, 故在圖 上從 A 點出發, 畫 車碰撞後的動量 P 的長 度等於 500 / 500 5mm, 方向角 60 從 O 至 B 點, 則 OB P 再 從 B 點出發, 畫 BC 長度等於 0500 / 500 mm 角度 6, 則向量 BC P 接著從 C 點做線垂直 x 軸, 代表 車碰撞開始動量的方向, 再 從 A 點做線與水平線 ( x 軸 ) 成 5, 代表 車碰撞開始動量的方向 兩條線交於 D 點, 則向量 OD P 0 代表 車碰撞開始的動量, 向量 DC P 代表 車碰撞開始的動量 用尺精確的量出 OD 長度為 34 mm, 0 所以 車碰撞開始的動量大小 P kg m/s 用尺精確的 量出 DC 的長度為 3 mm, 由此可計算出 車碰撞開始的動量大小 P kg m/s 故 車碰撞開始的速度 : v P m/s 4. km/h 0 0 m 450 v P m/s m km/h x 56

19 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 五 討論 本節討論動量法 能量法和圖解法的優缺點 5. 動量法 優點 :. 不必決定主碰撞力方向, 也不需符合能量法的共同車速情況, 就可以用來推估車速, 因此對低速碰撞及擦撞也可進行車速推估. 不必量測車損變形, 也不必使用車輛剛度係數來計算車損能量 3. 應用簡易模型時, 不需使用恢復係數 e 和衝量比 缺點 :. 點質量模型與一般模型之恢復係數 e 及衝量比 之值不易確定, 會影響車速推估正確性. 假設碰撞過程中, 質心位置不變, 也會影響計算結果 3. 碰撞點不易確定, 會影響碰撞結束車速之計算準確度 4. 在台灣容易發生汽車碰撞後會繼續碰撞分隔島或水溝等, 此時碰撞結束的車速不易由滑行距離決定 5. 能量法 優點 :. 若已知剛度係數, 利用車損變形計算之值較正確. 根據變形來分析碰撞車速通常較具公信力 3. 若碰撞結束之速度不易由汽車碰撞後的煞車痕跡及其它的物證算出, 能量法仍可決定碰撞過程的速度變化 V 缺點 :. 能量法的主碰撞力方向 PDOF 不易確定, 而動量法則不必決定主碰撞力方向. 在許多情況下, 碰撞並非完全塑性碰撞並且切線方向的能量損失不能忽略 因此, 在計算 V 時須用修正係數來包含切線方向的能量損失 3. 車輛的剛度係數不易正確獲得 5.3 圖解法 優點 : 較簡單直觀 缺點 : 需用比例尺並作較精確的繪圖才能減少誤差 57

20 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 例題 : 六 例題 參考圖, 已知 車重 400 kgf, 沿正 x 軸行駛 ; 車重 00 kgf, 行駛方向與正 x 軸成 0 度 設兩車發生對心碰撞, 兩車碰撞後 車滑行方向與正 x 軸成 80 度, 滑行 6m 停止, 輪胎與路面的摩擦係數 0.6 ; 車碰撞後滑行 方向與正 x 軸成 30 度, 滑行 0m 停止, 輪胎與路面摩擦係數為 0.5, 求碰撞開始時兩車的速度? 求解 : 因兩車發生對心碰撞, 沒有旋轉運動, 可使用簡易模型求解 車重 400 kgf, 其質量 m 400kg ; 車重 00 kgf, 其質量 m 00kg 由 題意知 車的接近角 0 0 ; 離去角 ; 滑行距離 d 6m d 0m 應用方程 (4), 可得兩車碰撞結束時的車速 : v gd m/s 30.6 km/h v gd m/s km/h 代入方程 (5), 得碰撞開始 ( 碰撞前 ) 的車速 : v0 400cs 0 00cs cs cs 30 v 400si 0 00si si si 所以, 車碰撞前之車速 v0 6.04m/s 57.75km/h, 車碰撞前之車速 v m/s 60.73km/h 例題 : 設正 x 軸方向朝東, 車向東行駛, 車向北行駛, 兩車在十字路口發 生碰撞 碰撞後 車與正 x 軸成 3 滑行.56m 停止 ; 車與正 x 軸成 7 滑行 4.4m 停止, 碰撞後兩車沒有明顯的旋轉運動 車重 6630N 而 車重 5680N, 車輪胎與路面之間的摩擦係數 0.7, 求兩車碰撞開始車速 恢復係數與衝量比? 求解 : 因碰撞後兩車沒有明顯的旋轉運動, 可採用點質量模型 車向東行駛表示碰撞開始時, 車與正 x 軸的夾角 0, 車向北行駛表示碰撞開始 時, 車與正 x 軸夾角 90 車離去角 3 7 車質量 58

21 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 m 6630/9.8=695kg, 車質量 m 5680/ kg 由 車的滑行距離 d.56m d 4.4m 及摩擦係數 0.7, 應用方程 (4) 可 得兩車碰撞結束時的車速 v 7.m/s 6km/h, v 8.3m/s 66km/h 將上述之 v 與 v 代入簡易模型之方程式 (5), 可以求解出 車發生碰撞開始車速 v0 9.98m/s 07.9km/h, 以及求解出 車發生碰撞開始車速 v m/s 64.75km/h 接著我們使用點質量模型, 應用方程 () 至 (7) 調整至恢復係數 e 0.06, 衝量比 0.6 時, 解出之車速與簡易模型很接近, 此時 車碰撞開始之車速 v0 9.39m/s 05.8km/h, 車碰撞開始之 車速 v0 7.63m/s 63.48km/h 例題 3: 設兩部直線行駛的汽車發生平面斜向碰撞, 如圖 4 所示 車質量 m 500 kg m 000kg ; 車質心座標 a b 0 ; 車質心座標 a.8 b.6; 車對其質心迴旋半徑 k m 車對其質心迴旋 半徑 k 3 m ; 車碰撞開始車速 v0 5m/s 角速度 0 0 接近角 0 ; 車碰撞開始車速 v0 5m/s 角速度 0 0 接近角 60 設恢復係數 e 0. 衝量比 0.5, 求兩車碰撞結束時之車速? 求解 : 因為有旋轉運動, 我們採用一般模型 應用方程 (8) 至 (5), 代入相關數據, 解得 車碰撞結束之車速 角速度與離去角 : v 0.77 m/s km/h, 6.76rad/s, 車碰撞結束之車速 角速度與離去角 : v.73m/s 4. km/h,.37 rad/s, 例題 4: 兩部中型車發生碰撞, 如圖 7 所示 已知 車質量 500 kg 迴旋半徑.55m ; 車質量 600 kg 迴旋半徑.75m 設 車碰撞前和水平 x 軸的接 近角為 ( 35 ), 車以接近角 90 直線行駛 碰撞時的主碰撞力方向 PDOF 與 x 軸成 ( 55 ), 車質心 G 距 PDOF 的垂直距離為 0.8m ; 車質心 G 與 PDOF 的垂直距離為 0.5m 設碰撞後 車以和 x 軸成 的離去角, 滑行 5 3m 停止 ; 車以離去角 45, 滑行 m 停止 車輪胎與路面之間的摩擦係數皆為 0.7; 車發生碰撞後的損傷變形深度情形如表 3 所示 求 車碰撞開始車速 59

22 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 求解 : 表 3 碰撞後的損傷變形深度 車 車 c 7cm 35cm c 30cm 38cm c 3cm 4cm 3 c 38cm 55cm 4 c 33cm 39cm 5 c 8cm 3cm 6 由題意知 車質量 m 500kg m 600 kg; 迴旋半徑 k.55m k.75m; 接近角 ; 離去角 5 45, 如圖 所示 碰撞後 車滑行距離 d 3m d m; 輪胎與路面之間的摩擦係數 ; 車質心 G 與 PDOF 的垂直距離 h 0.8m 車質心 G 與 PDOF 的垂直距離 h 0.5m; 車碰撞車損寬度 w.05m 車碰撞車損寬度 w.79m 因為, 兩車皆為中型車, 車為前撞, 查表 得 知其剛度係數為 A 63.5N / cm B 3.44N / cm ; 車為側撞, 查表 得知其剛度係數為 A 50.4 N / cm B N / cm 應用車損能量法, 將表 3 的數據代入方程 (6), 得 車平均變形深 C 3.cm C 4.5cm, 將其代入方程 (63) 和 (64) 並應用剛度係數, 度 av av 得 車碰撞的車損能量 E 440 N m E 6744 N m 再將相關數據代入方程 (65) 至 (68), 求得 車碰撞時的速度變化量分別為 V 8.0m/s 8.84 km/h V 7.5m/s 7.04km/h 將碰撞後滑行距離 d 與 d 摩擦係數 與, 代入方程 (4), 得 車碰撞結束之車速 v 6.4m/s 3.km/h v 5.4m/s 8.86km/h 參 考圖 8 和圖 9, 碰撞時的主碰撞力方向 PDOF 與 x 軸成 ( 55 ), 車接近角 35, 故 車碰撞開始車速 v 0 與 PDOF 的夾角 近角 90, 故 車碰撞開始車速 v 0 與 PDOF 的夾角 與 V PDOF 0 ; 車接 PDOF 35 V 方向沿主碰撞力方向, 畫出速度三角形圖, 如圖 8 和圖 9 所示 應用 方程 (69) 和 (70), 可解得 車碰撞開始的車速 v0.5m/s km/h v0 9.88m/s km/h 從分析中可知主碰撞力方向 PDOF, 及質心至 PDOF 的距離 h 和 h, 對計算出的碰撞前車速 v 0 與 v 0 影響頗大 若選擇不當, 可能會出現碰撞結束車速大於碰撞開始車速的不合理現象 60

23 汽車二維碰撞車速計算模型之研究 v v 0 v v 0 圖 碰撞速度圖 七 結論 本研究用動量法對汽車二維碰撞的簡化模型 點質量模型和一般模型的碰撞車速計算公式做了較詳細的推導, 說明了正推法以及反推法的大致使用步驟, 介紹圖解法的原理及作圖步驟 我們也用能量法計算出二維碰撞時的速度變化 V, 提出用餘弦定律反推碰撞開始車速的方法, 並說明了各種模型的使用時機 最後本研究比較了動量法 能量法與圖解法的優缺點, 並用例題說明上述模型的計算方法 本文所列出的計算公式皆用 Excel 寫成程式, 放置於汽車交通事故重建力學網站, 可提供下載使用 (hp://faculy.su.edu.w/~ccchag/raffic), 作為鑑定人員或警察作肇事鑑定車速計算的參考 參考文獻 李江 倪行達 金同明 (999), 二維碰撞事故的力學分類及其模型, 公路交通科技, 第十六卷第二期, 頁 崔海梁 王忠義 吳社強 許力 (003), 汽車碰撞事故的速度分析, 長安大學學報 ( 自然科學版 ), 第二十三卷第一期, 頁 張超群 許哲嘉 黃國平 (005), 動力學方法於汽車碰撞之研究, 九十四年道路交通安全與執法研討會, 頁 張超群 許哲嘉 黃國平 (007), 汽車二維碰撞車速推估模型之探討, 九十六年道路交通安全與執法研討會, 頁 C0-C4 張超群 許哲嘉 彭守道 黃國平 (00), 汽車肇事車速推估之研究, 中華民國第十五屆車輛工程學術研討會 張超群 劉成群 (005), 應用力學 - 靜力學, 四版, 臺北 : 新文京開發出版股份有限公司 6

24 交通學報第十一卷第二期民國一 年十一月 Beer, F. P. ad Jhs, E. R. (999), Vecr Mechaics fr Egieerig: Dyamics, 3 rd SI Meric ed., McGraw-Hill. Brach, R. M. (99), Mechaical Impac Dyamics: Rigid bdy Cllisis, Jh Wiley ad Ss. Brach, Raymd M. ad Brach, R. Mahew (998), Crush Eergy ad Plaar Impac Mechaics fr Accide Recsruci, SAE Brach, Raymd M. ad Brach, R. Mahew (005), Vehicle Accide Aalysis ad Recsruci Mehds, SAE Ieraial. Campbell, K. L. (974), Eergy Basis fr Cllisi Severiy, SAE Huag, M. (00), Vehicle Crash Mechaics, SAE Ieraial. Ishikawa, H. (993), Impac Mdel fr Accide Recsruci: Nrmal ad Tageial Resiui Cefficies, SAE Ishikawa, H. (994), Impac Ceer ad Resiui Cefficies fr Accide Recsruci, SAE Jiag, R. H., Grzebiea, G., Rechizer, S. R. ad Zha, X. L. (003), Review f Car Fral Siffess Equais fr Esimaig Vehicle impac Velciies, Prceedig f 8 h Ieraial Techical Cferece he Ehaced Safey f Vehicles. Jg, I. C. ad Rgers, B. G. (99), Egieerig Mechaics: Saics ad Dyamics, Sauders Cllege Publishig. Macmilla, R. H. (983), Dyamics f Vehicle Cllisis, Prceedigs f he Ieraial Assciai fr Vehicle Desig, Iersciece Eerprises. McHery, R. R. ad McHery, B. G. (986), A Revised Damage Aalysis Prcedure fr he CRASH Cmpuer Prgram, SAE Seffa, H. ad Mser, A. (996), The Cllisi ad Trajecry Mdels f PC-CRASH, SAE Wd, D. P. (99), Cllisi Speed Esimai Usig a Sigle Nrmalized Crush Deph-Impac Speed Characerisic, SAE Wlley, R. L. (985), The IMPAC Cmpuer Prgram fr Accide Recsruci, SAE ( 收稿 0/03/4, 第一次修改 0/09/7, 第二次修改 0/0/04, 定稿 0/0/7) 6

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4 練習 9A ( 9. 特殊角的三角比 T ( 在本練習中, 不得使用計算機 如有需要, 答案以根式或分數表示. 試完成下表 三角比 θ 0 4 60 sin θ cos θ tan θ 求下列各數式的值 (. cos 60. sin 4 4. tan 4. cos0 4 tan 0 7. sin 4 cos 4 8. cos 60 tan 4 9. tan 60sin 0 0. sin 60 cos

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