駕駛員側(cè)50%假人約束系統(tǒng)配置5%女性假人傷害研究

商恩義 陳現(xiàn)嶺 楊勁松

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

駕駛員側(cè)50%假人約束系統(tǒng)配置5%女性假人傷害研究

商恩義 陳現(xiàn)嶺 楊勁松

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

在L車(chē)型開(kāi)發(fā)后，進(jìn)行了3次正面碰撞試驗(yàn)，對(duì)基于50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)對(duì)5%假人的保護(hù)效果進(jìn)行了研究。3次正面碰撞試驗(yàn)分別為駕駛員側(cè)分別為50%假人和5%假人，安全氣囊和安全帶預(yù)緊功能正常起爆；駕駛員側(cè)為5%假人，但安全氣囊和預(yù)緊功能不起爆。研究結(jié)果表明，基于50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)，對(duì)5%假人的頭部和胸部依然具有較好的保護(hù)作用，但對(duì)5%假人的頸部傷害較重，可通過(guò)對(duì)安全氣囊分級(jí)起爆、調(diào)整拉帶設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行優(yōu)化；安全氣囊不起爆方法不可取。

1 前言

2013版《歐洲新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（E-NCAP）》[1]和2012版《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）》[2]中，均規(guī)定有正面偏置碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)中駕駛員側(cè)假人為50%假人，因此，在約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中兩種星級(jí)評(píng)價(jià)單一考慮。但是，E-NCAP組織規(guī)劃在2015年以后[3]，在ENCAP中增加正面碰撞試驗(yàn)，且試驗(yàn)中駕駛員側(cè)采用5%女性假人；C-NCAP中，當(dāng)前已經(jīng)規(guī)定有正面碰撞試驗(yàn)，但駕駛員側(cè)為50%假人，且沒(méi)有調(diào)換類(lèi)型考慮。因此，2015年以后，約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要兼顧兩者，對(duì)開(kāi)發(fā)能力提出新的挑戰(zhàn)。

基于此，在某L車(chē)型開(kāi)發(fā)后，進(jìn)行了3次正面碰撞試驗(yàn)：試驗(yàn)1，按C-NCAP要求進(jìn)行；試驗(yàn)2，駕駛員側(cè)采用5%女性假人，安全氣囊和預(yù)緊限力式安全帶正常點(diǎn)爆；試驗(yàn)3，駕駛員側(cè)采用5%女性假人，安全氣囊和預(yù)緊限力式安全帶不點(diǎn)爆。試驗(yàn)后，綜合3次碰撞試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合當(dāng)前后排5%假人考核指標(biāo)及C-NCAP中指定的評(píng)價(jià)方法，對(duì)基于50%假人開(kāi)發(fā)的駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)對(duì)5%假人的保護(hù)效果進(jìn)行了研究。

2 安全氣囊對(duì)頭部保護(hù)作用

2.1 假人頭部HIC分析

在假人頭部評(píng)價(jià)中，女性假人頭部性能指標(biāo)為HIC15；50%假人頭部性能指標(biāo)為HIC36和合成加速度累計(jì)3 ms（cum.A3 ms）值，鑒于當(dāng)前針對(duì)50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)對(duì)50%假人能夠完全滿足要求，且試驗(yàn)中對(duì)后排5%假人頭部評(píng)價(jià)僅僅為HIC值，因此接下來(lái)只針對(duì)假人頭部HIC值進(jìn)行深入研究。

3次試驗(yàn)中假人頭部基于HIC進(jìn)行評(píng)價(jià)的得分情況見(jiàn)表1。

表1 3次試驗(yàn)中假人頭部得分情況

從表1可知，駕駛員側(cè)為5%假人時(shí)，安全氣囊對(duì)頭部同樣起到了較好的保護(hù)。當(dāng)碰撞中沒(méi)有安全氣囊時(shí)，5%假人頭部直接砸到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，傷害指標(biāo)超過(guò)低性能限值，得零分，即在實(shí)際同等強(qiáng)度的碰撞事故中，從頭部傷害角度考慮，對(duì)女性駕駛員存在致命風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 假人頭部接觸情況

試驗(yàn)1中，依據(jù)C-NCAP指定，50%假人座椅位于行程中間位置。對(duì)于5%女性假人，C-NCAP和ENCAP中均無(wú)規(guī)定；在FMVSS208的S16.3節(jié)中規(guī)定[4]：座椅調(diào)節(jié)到最前位置，并確保假人膝部與前方最小間隙不小于5 mm，若假人膝部與前方最小間隙不足5 mm，向后調(diào)節(jié)座椅，保證該間隙。因此，試驗(yàn)2和試驗(yàn)3中，采用FMVSS208[5]中規(guī)定對(duì)駕駛員側(cè)女性假人進(jìn)行了調(diào)節(jié)，將座椅調(diào)節(jié)到最前位置。此種情況下，女性假人與氣囊接觸相對(duì)較近，而且兩種類(lèi)型假人坐姿下存在身高差異，試驗(yàn)2和試驗(yàn)3中假人頭部與氣囊接觸時(shí)間及接觸方式與試驗(yàn)1中將完全不同。

試驗(yàn)1中，通過(guò)高速攝像和數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)假人頭部與氣囊接觸時(shí)間約為50 ms，截取試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中50 ms時(shí)刻高速攝像圖片如圖1和圖2所示。

圖1中，碰撞進(jìn)行50 ms時(shí)，氣囊剛好充滿，且與假人鼻子至下巴部位剛好接觸，結(jié)果理想。

圖2中，5%假人乘坐位置相對(duì)50%假人靠前12 mm，當(dāng)氣囊在50 ms充滿時(shí)，已與假人頭部發(fā)生明顯接觸，且在胸部與下巴間形成氣包，后續(xù)碰撞中對(duì)頭部將產(chǎn)生上托力，進(jìn)而對(duì)頸部產(chǎn)生更重傷害。

2.3 安全氣囊對(duì)假人頭部作用力分配

建立假人坐標(biāo)系[5]：x為前、后方向，向前為正；y為左、右方向，向右為正；z為上、下方向，向下為正。規(guī)定頸部受力：軸向?yàn)閦向（張力），拉伸為正，壓縮為負(fù)；前、后橫向?yàn)閤向（剪切力），頭向后，胸向前為正。規(guī)定頸部彎矩：下巴向胸為正，其負(fù)向?yàn)樯鞆垙澗?，伸張彎矩為考核指?biāo)點(diǎn)。

安全氣囊對(duì)假人頭部作用點(diǎn)和接觸時(shí)間的差異，將造成氣囊對(duì)假人頭部作用力分配上的差別?？紤]假人與氣囊接觸左右具有對(duì)稱(chēng)性，y向作用較小，因此只考慮x向和z向的作用力分配。

對(duì)于假人頭部受力而言，安全氣囊（或轉(zhuǎn)向盤(pán)）的作用力為外力，頸部施加的作用力為內(nèi)力，加速度存在則存在慣性力，依據(jù)達(dá)朗貝爾原理，則有[8-9]：

轉(zhuǎn)換有：

頭部x向和z向加速度、頸部x向剪切力和z向張力在試驗(yàn)過(guò)程中可采集得到，另外，50%假人頭部質(zhì)量取4.54 kg[6]，5%假人頭部質(zhì)量取3.73 kg[7]。因此，依據(jù)公式（2），可分別計(jì)算出試驗(yàn)過(guò)程中各假人頭部x向和z向所受外力。

分別計(jì)算出3次試驗(yàn)中假人頭部x向和z向所受外力如圖3所示。

圖3中，3次試驗(yàn)中撞擊力，x向均向后，z向均向上。

試驗(yàn)1中，假人頭部與氣囊接觸時(shí)刻（外力出現(xiàn)時(shí)刻）約為50 ms，撞擊力x向幅值約為2.5 kN，z向幅值約為0.6 kN，作用時(shí)間較長(zhǎng)，且以x向?yàn)橹鳎砻黝^部幾乎是垂直氣囊表面砸到氣囊上，氣囊的總體保護(hù)效果較好；試驗(yàn)2中，假人頭部與氣囊的接觸時(shí)刻約為20 ms，撞擊力x向幅值約為1 kN，z向幅值約為1.5 kN，z向整體作用強(qiáng)度明顯高于x向，即氣囊對(duì)頭部作用傾向于垂直向上，表明：在下巴和胸部上端之間有氣包作用下幾乎表現(xiàn)為沿氣囊表面下滑，頭部受到向上的托力為主。但對(duì)頭部保護(hù)作用而言，假人頭部與氣囊接觸時(shí)間早，強(qiáng)度低，作用時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)效果較好；試驗(yàn)3中在假人頭部與轉(zhuǎn)向盤(pán)直接碰撞下x向力幅值達(dá)到5.9 kN，z向力幅值達(dá)到2.3 kN，持續(xù)時(shí)間約為20 ms，強(qiáng)度高，作用時(shí)間集中，加上HIC15值超標(biāo)，表明對(duì)于女性駕駛員，L車(chē)沒(méi)有安全氣囊保護(hù)使得其安全性不能滿足法規(guī)要求。

3 安全帶對(duì)胸部保護(hù)作用

當(dāng)前，E-NCAP試驗(yàn)中沒(méi)有關(guān)于5%假人考核規(guī)定。C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)中，針對(duì)后排5%假人胸部，規(guī)定的考核指標(biāo)為胸部壓縮變形量D，最高限值為23 mm，最低限值為48 mm。在FMVSS208中既規(guī)定了胸部壓縮變形量不得超過(guò)52 mm，也規(guī)定了胸部合成加速度累計(jì)3 ms（cum.A3ms）不應(yīng)超過(guò)60g（g為重力加速度）。因此，根據(jù)當(dāng)前法規(guī)規(guī)定，對(duì)處于駕駛員位置的5%假人胸部傷害研究從胸部壓縮變形量和胸部加速度兩個(gè)方面進(jìn)行。

3.1 安全帶肩帶作用對(duì)比

根據(jù)圖4所示3次試驗(yàn)中安全帶肩帶力曲線，比較預(yù)緊限力式安全帶對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中不同類(lèi)型假人的約束差異、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3中預(yù)緊限力式與限力式安全帶對(duì)同類(lèi)假人的約束差異。

圖4中，同為限力式安全帶，3次試驗(yàn)中安全帶肩帶力幅值基本一致；同為預(yù)緊限力式安全帶，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中，安全帶肩帶力曲線起步時(shí)間與上升過(guò)程也基本相同；試驗(yàn)3與試驗(yàn)1和試驗(yàn)2相比，起步階段晚約20 ms，達(dá)到目標(biāo)值時(shí)間晚約10 ms；在安全帶肩帶作用時(shí)間上，因假人質(zhì)量差異，試驗(yàn)1持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)約10 ms左右。

3.2 安全帶肩帶對(duì)胸部壓縮變形影響

將3次試驗(yàn)中胸部變形量曲線調(diào)入圖5中。

無(wú)論50%假人還是5%假人，其胸部均為彈性結(jié)構(gòu)，存在剛度，如在低速標(biāo)定合格條件下，50%假人胸部剛度為90～127 kN/m，5%假人胸部剛度為67～88 kN/m[10-12]，因此，在安全帶作用力上升且假人胸部基本保持平動(dòng)階段，胸部變形量曲線與安全帶肩帶力作用力曲線存在同步性[13]。圖5中，在前50 ms階段，3條胸部變形量曲線的關(guān)系保持著安全帶肩帶力間的相對(duì)關(guān)系，但在50 ms之后，隨著安全氣囊作用或假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)改變導(dǎo)致安全帶作用下胸部剛度發(fā)生改變，3條胸部變形量曲線的反應(yīng)有所不同，其中，試驗(yàn)2中胸部壓縮變形量最小，為22 mm，滿足所有法規(guī)要求，在C-NCAP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下可得滿分。試驗(yàn)1和試驗(yàn)3中胸部壓縮變形量均超過(guò)30 mm。3次試驗(yàn)胸部變形量比較表明，同為預(yù)緊限力式安全帶約束作用下，安全帶對(duì)5%假人的約束更好，即5%假人減速更快，與前方安全氣囊的沖擊小，不會(huì)因撞擊安全氣囊導(dǎo)致胸部肋骨產(chǎn)生更大變形；與限力式安全帶相比，預(yù)緊限力式安全帶因其對(duì)5%假人的保護(hù)作用早，保護(hù)效果更佳。

3.3 安全帶肩帶對(duì)胸部合成加速度影響

將3次試驗(yàn)中胸部合成加速度曲線調(diào)入圖6中。

圖6中，在兩種安全帶作用下，5%假人的胸部在75 ms前、后均出現(xiàn)了明顯峰尖，峰值達(dá)到75g左右，而50%假人在預(yù)緊限力式安全帶及安全氣囊作用下整體表現(xiàn)平穩(wěn)。分析cum.A3ms值，3次試驗(yàn)中，假人胸部cum.A3ms值分別為42.9g、50.7g、59.0g，整體表現(xiàn)均不理想，但對(duì)5%假人而言，依然滿足了FM?VSS208規(guī)定的60g限值，但存在超出風(fēng)險(xiǎn)，因此，從cum.A3ms值角度考慮，當(dāng)前車(chē)輛所配的預(yù)緊限力式安全帶對(duì)5%假人也是最佳選擇。

4 頸部傷害分析

將駕駛員側(cè)50%假人改為5%假人，安全氣囊對(duì)假人頭部作用的差異、安全帶對(duì)假人胸部約束作用的變化，將對(duì)假人頸部受力和彎矩產(chǎn)生影響。

對(duì)于5%假人，無(wú)論C-NCAP還是FMVSS208中，都極其關(guān)注5%假人頸部傷害。C-NCAP中通過(guò)頸部張力Fz進(jìn)行評(píng)價(jià)（滿分點(diǎn)1.7 kN，零分點(diǎn)2.62 kN），F(xiàn)MVSS208中通過(guò)Nij進(jìn)行評(píng)價(jià)，Nij通過(guò)頸部張力和頸部彎矩進(jìn)行計(jì)算得到，因此，有必要從頸部張力Fz和頸部伸張彎矩（My負(fù)值）兩方面進(jìn)行分析。

3次試驗(yàn)中假人頸部張力Fz調(diào)入圖7中，將頸部彎矩My調(diào)入圖8中。

圖7中，因?yàn)橛邪踩珰饽业木彌_作用，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的頸部張力Fz值較小，而試驗(yàn)3中由于假人頭部直接撞擊到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，產(chǎn)生沖擊，幅值達(dá)到3.483kN，按C-NCAP評(píng)價(jià)為零分。

圖8中，試驗(yàn)1中頸部伸張彎矩值較小，即當(dāng)前針對(duì)50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)對(duì)50%假人頸部保護(hù)較好；試驗(yàn)2中的伸張彎矩達(dá)到50.62 Nm，參照CNCAP中對(duì)50%假人頸部伸張彎矩的規(guī)定范圍42～57 Nm，且考慮5%假人頸部比50%假人頸部更易損傷，如有同類(lèi)指標(biāo)規(guī)定，值應(yīng)更低，而試驗(yàn)2中伸張彎矩則明顯偏大，應(yīng)為零分左右；試驗(yàn)3中伸張彎矩為28.54 Nm，能夠確保不失分。

圖7和圖8的結(jié)果表明，對(duì)于女性駕駛?cè)藛T，在未配安全氣囊的情況下，碰撞中駕駛員頸部易被拉傷；在針對(duì)50%假人所開(kāi)發(fā)的安全氣囊作用下，由于駕駛員頭部上下和左右方向離安全氣囊都較近，駕駛員頸部易被折斷。

5 優(yōu)化分析

3次碰撞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究表明，基于50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)，對(duì)5%假人的頭部和胸部依然具有較好的保護(hù)作用，但由于5%假人頭部與安全氣囊接觸過(guò)早，對(duì)假人頭部作用力方向由向后方變?yōu)橄蚝笊戏?，因?%假人的頸部將存在折斷風(fēng)險(xiǎn)，但取消安全氣囊作用，安全帶改為普通限力式安全帶，5%假人頸部伸張彎矩會(huì)滿足要求，但拉伸力較大，因此，出于對(duì)女性駕駛?cè)藛T的保護(hù)，現(xiàn)在的安全系統(tǒng)是必要的，但為降低5%女性假人頸部伸張彎矩，當(dāng)前的約束系統(tǒng)也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

5%女性假人頸部伸張彎矩偏高主要是頭部與安全氣囊接觸較早所致，因此可以從調(diào)整氣囊內(nèi)拉帶長(zhǎng)度、將安全氣囊改為分級(jí)起爆、提前安全氣囊起爆時(shí)間、減少發(fā)生器藥量等方面進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)前的試驗(yàn)結(jié)果中，50%假人頭部傷害指標(biāo)較低；假人安全氣囊對(duì)頭部的作用力，x向?yàn)?.4 kN，z向?yàn)? kN，持續(xù)時(shí)間為70 ms（見(jiàn)圖3），幅值不是很高，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；安全氣囊排氣孔為2-φ25 mm，拉帶為2-320 mm。

上述情況表明，安全氣囊的拉帶長(zhǎng)度有調(diào)短空間，且調(diào)整安全氣囊排氣孔和拉帶長(zhǎng)度最為簡(jiǎn)單，因此，確定本研發(fā)車(chē)型優(yōu)化方案為安全氣囊拉帶長(zhǎng)度改為250 mm，同時(shí)，為了降低后期碰撞氣囊剛度，同時(shí)將排氣孔直徑改為30 mm。

優(yōu)化后，針對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分別進(jìn)行了臺(tái)車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)1和驗(yàn)證試驗(yàn)2，試驗(yàn)結(jié)果分別如表2和圖9所示。

表2 2次臺(tái)車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)中假人頭部得分情況

表2中，安全氣囊拉帶長(zhǎng)度調(diào)整后，安全氣囊作用偏晚，假人頭部的保護(hù)效果降低，但無(wú)論50%假人還是5%假人，依然可達(dá)到滿分。

圖9中，臺(tái)車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)2中，假人頸部伸張彎矩得到了明顯改善，最大值由50.62 Nm降到了41.4 Nm，按50%假人頸部評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，已得滿分，雖然勉強(qiáng)，但已可以接受。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)碰撞試驗(yàn)中駕駛員側(cè)假人由50%假人更換為5%假人情況，通過(guò)試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

a.在無(wú)安全氣囊及安全帶為普通限力式安全帶作用下，正面碰撞試驗(yàn)中5%假人頸部拉伸力較大，頭部、頸部、胸部各部位傷害均嚴(yán)重。出于對(duì)女性駕駛?cè)藛T的保護(hù)，配置安全約束系統(tǒng)是必要的。

b.基于50%假人開(kāi)發(fā)的約束系統(tǒng)，對(duì)5%假人的頭部和胸部依然具有較好的保護(hù)作用，但存在使5%假人的頸部將產(chǎn)生折斷風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)調(diào)整氣囊內(nèi)拉帶長(zhǎng)度、將安全氣囊改為分級(jí)起爆、提前安全氣囊起爆時(shí)間、減少發(fā)生器藥量等方法降低，但同時(shí)對(duì)50%假人的保護(hù)效果變?nèi)酢?/p>

1 European New Car Assessment Program(E-NCAP).(2013-03-01).http//www.euroncap.com.

2 中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）官方網(wǎng)站.(2013-03-01).http//www.c-ncap.org.

3 Euro NCAP Rating Review-Report from the Rating Group (January 2012).http//www.euroncap.com:12～13.

4 U.S.Department of Transportation,FMVSS NO.208，Occu?pant crash protection.USA Washington:66～73.

5 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1:Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron?ic Instrumentation,REV.MAR95.USA SAE,2003.

6 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE,1998.

7 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 5thPercentile Female HybridⅢTest Dum?my.Version 1998.USASAE,1998.

8 商恩義,張君媛,楊斌, 等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車(chē)技術(shù).2010 (10):18～21.

9 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2052: Test Device Head Contact Duration Analysis.USA SAE，1997

10 商恩義,師玉濤,楊勁松,王洪川.正面碰撞試驗(yàn)用50%假人胸部剛度研究.汽車(chē)零部件.2013（5）:59～63.

11 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2779.Low Speed Thorax Impact Test Procedure for the HIII 50th male dummy.USA SAE,2007-01.

12 USA National Highway Traffic Safety Admin(USA NHT?SA).49CFR572.Thorax assembly and test procedure.USA NHTSA,2002.

13 商恩義,陳曉東,楊斌,等.正面碰撞試驗(yàn)中假人肩帶力、胸部加速度與胸位移間關(guān)系的研究.汽車(chē)技術(shù),2011（2）:22～25.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年9月1日。

Research on 5%Female Dummy Injury on the Driver Side for Restraint System Based on 50%Dummy

Shang Enyi,Chen Xianling,Yang Jinsong
（Great Wall Motor Technology Center,Hebei Auto Engineering Technology Research Center）

To study the protection effect provided by restraint system for the 50%dummy after model L is developed,three frontal impact tests are conducted,which include proper deployment of airbag and seat belt pretensioner with 50%dummy and 5%dummy on the driver side respectively;undeployment of airbag and seat belt pretensioner with 5%dummy on the driver side.Research results indicate that the restraint system developed based on 50%dummy could provide good protection to the head and thorax of the 5%dummy,however it can cause serious injury to the dummy’s neck,this can be optimized by the airbag deploying by stages or adjusting the design of strip etc.

Front impact,2015 E-NCAP,Driver side,5%female dummy,Injury

正面碰撞 2015版E-NCAP 駕駛員側(cè) 5%女性假人 傷害

U461.91

A

1000-3703（2015）03-0047-05