某電動(dòng)車(chē)側(cè)面碰撞乘員頭部保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃強(qiáng)，王星磊，郭剛，王恒，丁玲

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，武漢，430058）

某電動(dòng)車(chē)側(cè)面碰撞乘員頭部保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃強(qiáng)，王星磊，郭剛，王恒，丁玲

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，武漢，430058）

目前中國(guó)的乘員碰撞安全法規(guī)主要有GB11551《乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》和GB20071《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》。某純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)初期按中國(guó)法規(guī)GB20071進(jìn)行側(cè)面碰撞摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)假人頭部保護(hù)不滿(mǎn)足法規(guī)。通過(guò)分析假人頭部傷害機(jī)理，找出造成頭部傷害的因素主要是側(cè)碰過(guò)程中頭部撞擊到頂棚，同時(shí)撞擊能量大，且能量均由頭部傳遞或吸收。針對(duì)上述原因，結(jié)合車(chē)型開(kāi)發(fā)的實(shí)際情況，通過(guò)增加頭胸保護(hù)的側(cè)氣囊、增加頂棚緩沖塊，最終經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證頭部傷害滿(mǎn)足法規(guī)要求。同時(shí)，對(duì)后續(xù)開(kāi)發(fā)的車(chē)型提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

側(cè)面碰撞；頭部保護(hù)；側(cè)氣囊

黃強(qiáng)

畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心被動(dòng)安全約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，主要研究方向：碰撞安全的乘員保護(hù)，已發(fā)表《側(cè)氣簾展開(kāi)對(duì)

近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的不斷攀升，道路交通事故頻發(fā)，其中側(cè)面碰撞事故在全年道路交通事故中所占的比例居高不下，根據(jù)2010年全國(guó)道路交通統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示，全年事故總數(shù)219521起，側(cè)面碰撞81862起，所占比例為37.29%［1］。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，車(chē)門(mén)、B柱、門(mén)檻粱等側(cè)圍構(gòu)件受到其他車(chē)輛或障礙物撞擊后向車(chē)輛內(nèi)部侵入，由于乘員側(cè)面碰撞的生存空間遠(yuǎn)比正面碰撞小，構(gòu)件侵入后門(mén)護(hù)板、B柱護(hù)板一般會(huì)直接和人體接觸，從而給乘員頭部、胸部、腹部和骨盆帶來(lái)傷害。

某小型純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)初期按中國(guó)法規(guī)GB20071進(jìn)行側(cè)面碰撞摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)假人頭部保護(hù)不滿(mǎn)足法規(guī)。通過(guò)分析假人頭部傷害機(jī)理，找出造成頭部傷害的因素主要是側(cè)碰過(guò)程中頭部撞擊到頂棚，同時(shí)撞擊能量大，且由于未配備側(cè)氣囊及頂棚內(nèi)部截面小導(dǎo)致撞擊能量大部分由頭部傳遞或吸收。針對(duì)上述原因，結(jié)合車(chē)型開(kāi)發(fā)的實(shí)際情況，通過(guò)增加頭胸保護(hù)的側(cè)氣囊、增加頂棚緩沖塊，最終經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證頭部傷害滿(mǎn)足法規(guī)要求。

一、GB20071要求及性能開(kāi)發(fā)機(jī)理

1、GB20071要求

試驗(yàn)用總質(zhì)量為950kg的移動(dòng)可變形壁障撞擊車(chē)輛左側(cè)，撞擊方向與車(chē)輛縱向中心線成90度，壁障中心對(duì)準(zhǔn)駕駛員R點(diǎn)，碰撞瞬間的壁障速度為49km/h-51km/h，撞擊點(diǎn)左右、上下偏差在25mm內(nèi)。在駕駛員位置放置一個(gè)EuroSID Ⅱ型假人，以考核假人傷害的情況。

法規(guī)要求包括駕駛員假人的性能指標(biāo)和特殊要求。駕駛員性能指標(biāo)中要求頭部性能指標(biāo)HPC應(yīng)小于或等于1000，胸部性能指標(biāo)包括肋骨變形指標(biāo)RDC應(yīng)小于或等于42mm、粘性指標(biāo)VC應(yīng)小于或等于1.0m/s，腹部性能指標(biāo)腹部力峰值A(chǔ)PF應(yīng)小于或等于2.5KN的內(nèi)力，骨盆性能指標(biāo)恥骨結(jié)合點(diǎn)力峰值PSPF應(yīng)小于或等于6KN。特殊要求中要求試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)門(mén)不得開(kāi)啟，試驗(yàn)后不使用工具能打開(kāi)足夠數(shù)量的車(chē)門(mén)使乘員正常進(jìn)出，燃油系統(tǒng)的泄漏速率不得超過(guò)30g/min［2］。

2、側(cè)碰性能開(kāi)發(fā)機(jī)理

側(cè)碰性能的好壞主要由車(chē)身結(jié)構(gòu)性能、被動(dòng)約束系統(tǒng)性能和假人空間決定。車(chē)身結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)包括B柱和車(chē)門(mén)的侵入速度、侵入量和變形模式，好的車(chē)身結(jié)構(gòu)能夠降低可變形障礙壁碰撞車(chē)輛后B柱和車(chē)門(mén)侵入變形對(duì)人體的直接撞擊力度，降低乘員的傷害。被動(dòng)約束系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括側(cè)氣囊和側(cè)氣簾的充滿(mǎn)時(shí)刻、內(nèi)部壓力，還包括座椅的包裹性、車(chē)門(mén)護(hù)板結(jié)構(gòu)的合理性，好的被動(dòng)約束系統(tǒng)性能能夠緩沖B柱和車(chē)門(mén)的侵入變形對(duì)人體的撞擊，減輕“二次碰撞”對(duì)乘員帶來(lái)的傷害。假人空間的指標(biāo)主要是指頭部空間、胸部空間，好的空間能避免或減輕乘員被侵入的內(nèi)飾件擠壓傷害，給乘員提供足夠的生存空間［3］。

二、側(cè)碰摸底試驗(yàn)結(jié)果及原因分析

某純電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)初期進(jìn)行了法規(guī)側(cè)碰摸底試驗(yàn)，該車(chē)無(wú)側(cè)氣囊和側(cè)氣簾，頭部傷害值HPC達(dá)到1600，超出法規(guī)要求60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿(mǎn)足法規(guī)要求。詳細(xì)的假人傷害值見(jiàn)表1：

表1　某純電動(dòng)車(chē)側(cè)碰摸底試驗(yàn)假人傷害值

經(jīng)分析試驗(yàn)的高速錄像，頭部約在49ms撞擊到門(mén)框上沿的頂棚，隨后頭頸繞X軸發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)，從圖1中的合成加速度曲線可以看出在頭部接觸頂棚后加速度瞬間上升，峰值達(dá)到248g，一般車(chē)型合成加速度峰值不會(huì)超過(guò)100g。合成加速度主要是頭部與內(nèi)飾件發(fā)生撞擊產(chǎn)生，結(jié)合試驗(yàn)錄像分析，可以判斷HPC超標(biāo)是由于頭部撞擊到頂棚并且撞擊力度大所產(chǎn)生，包括三個(gè)要素：頭部撞擊到頂棚、撞擊能量大和撞擊能量大部分由頭部吸收，以下對(duì)三個(gè)要素進(jìn)行分析。

1、頭部撞擊到頂棚

碰撞試驗(yàn)過(guò)程中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)見(jiàn)圖2，由于頭部與門(mén)框上沿高度差不合理，約49ms時(shí)頭部撞擊到左側(cè)頂棚，然后頭頸繞著X軸產(chǎn)生近30度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

頭部與頂棚相對(duì)尺寸示意見(jiàn)圖3，表2對(duì)比了某電動(dòng)車(chē)與其他頭部傷害值HPC很小的車(chē)型，可以看出由于該車(chē)頭部與門(mén)框上沿的Z向重疊達(dá)到60mm，造成頭部撞擊的面積大，導(dǎo)致頭部重心位置采集到的加速度較大。

表2　頭部相對(duì)頂棚尺寸

2、撞擊能量大

3、無(wú)有效緩沖

該車(chē)無(wú)頭部氣囊或氣簾，且頭部撞擊處的頂棚與側(cè)圍鈑金的Y向尺寸很?。▓D3的尺寸D），只有10mm，一般車(chē)型30mm以上，頂棚變形吸能的空間極為有限，頂棚發(fā)生很小變形后就撞擊到側(cè)圍鈑金，導(dǎo)致頭部與頂棚、側(cè)圍鈑金之間無(wú)有效緩沖，頭部撞擊到頂棚且頂棚完全變形后頭部Y向加速度瞬間增大，在頭部運(yùn)動(dòng)速度增大到側(cè)圍侵入速度相同之前，由于兩者速度差產(chǎn)生的沖擊能量均由頭部吸收。

表3　各車(chē)型頂棚內(nèi)腔尺寸

三、側(cè)碰性能優(yōu)化

1、避免頭部撞擊到頂棚

從3.1分析得出，由于頭部與門(mén)框上沿重疊量較大，導(dǎo)致乘員與車(chē)輛相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中頭部撞擊到頂棚，所以為避免頭部撞擊到頂棚需減小頭部與門(mén)框上沿的重疊量。減小頭部與門(mén)框上沿的重疊量可以通過(guò)降低頭部位置和提高門(mén)框上沿位置實(shí)現(xiàn)。

門(mén)框上沿的位置由門(mén)洞尺寸決定，在初次樣車(chē)階段更改周期長(zhǎng)、成本大且影響造型，故門(mén)框上沿位置維持現(xiàn)狀。頭部的高度位置由試驗(yàn)H點(diǎn)高度及試驗(yàn)假人的坐高尺寸決定。試驗(yàn)H點(diǎn)高度由座椅前后行程處于中間時(shí)的高度決定，由總布置決定。降低H點(diǎn)高度將影響視野等法規(guī)和人機(jī)工程要求，同時(shí)座椅下方的地板高度受動(dòng)力電池布置無(wú)法降低，且座椅坐墊厚度已是最小，繼續(xù)減小坐墊厚度將影響乘坐舒適性，故試驗(yàn)H點(diǎn)高度維持現(xiàn)狀。從以上分析可以看出，無(wú)法通過(guò)降低頭部位置和提高門(mén)框上沿位置來(lái)避免頭部撞擊到頂棚。

摸底試驗(yàn)時(shí)座椅H點(diǎn)高度方向在允許公差范圍的上限，為盡量減小頭部撞擊到頂棚的面積，要求座椅在后續(xù)生產(chǎn)時(shí)控制座椅H點(diǎn)的公差在設(shè)計(jì)值和下限之間。

2、減小撞擊能量

從3.2分析得出，頂棚的侵入速度和頭部到頂棚的水平空間較大，導(dǎo)致頭部撞擊到頂棚時(shí)頂棚的能量較大。頂棚的侵入速度由整個(gè)側(cè)圍結(jié)構(gòu)和車(chē)型軸荷、軸距決定。如需降低側(cè)圍侵入速度，會(huì)是一個(gè)系統(tǒng)性的、需反復(fù)驗(yàn)證的優(yōu)化工作，時(shí)間和成本上都無(wú)法接受，故維持現(xiàn)狀。頭部到頂棚的水平空間已由總布置H點(diǎn)決定，故維持現(xiàn)狀。

3、增加有效緩沖

從3.3分析可以得出，由于頭部與頂棚之間缺乏有效緩沖，兩者速度差帶來(lái)的沖擊能量均由頭部吸收。增加有效緩沖的常見(jiàn)做法是增加簾式氣囊［4］，但該車(chē)型的頭部是撞擊到頂棚，而簾式氣囊是從頂棚下方打開(kāi)，不能有效避免頭部撞擊到頂棚，一定程度上削弱了簾式氣囊的頭部保護(hù)效果，且初次樣車(chē)階段增加簾式氣囊會(huì)帶來(lái)側(cè)圍鈑金、側(cè)圍護(hù)板、頂棚和內(nèi)拉手等一系列零件變更，且側(cè)氣簾成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，綜上所述，簾式氣囊不適用于該車(chē)型。另外一種做法是增加頭胸式側(cè)氣囊［5］，一般車(chē)型的側(cè)氣囊是胸式、胸腹式或胸腹臀式。增加的側(cè)氣囊重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域在頭部，要求氣囊在頭部撞擊到頂棚之前完成充氣并覆蓋頭部，見(jiàn)圖6：

側(cè)氣囊完成設(shè)計(jì)并通過(guò)靜態(tài)展開(kāi)驗(yàn)證，驗(yàn)證氣囊能夠正常、及時(shí)展開(kāi)且展開(kāi)區(qū)域能夠覆蓋頭部，然后安排實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，增加側(cè)氣囊后假人所有傷害值都有所減小，其中頭部HPC由摸底試驗(yàn)的1600減小到1100，有明顯的改善，但仍不滿(mǎn)足法規(guī)要求。從圖7可以看出，增加側(cè)氣囊后頭部合成加速度峰值由原來(lái)的248g降低到140g，但仍較高。

經(jīng)分析試驗(yàn)錄像，見(jiàn)圖7，可以看出實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)過(guò)程中氣囊已按要求在頭部撞擊到頂棚前完全充氣并覆蓋頭部，但由于氣囊為頭胸式，當(dāng)假人的頭部與氣囊接觸時(shí)，假人的上臂對(duì)氣袋產(chǎn)生橫向擠壓，同時(shí)車(chē)門(mén)玻璃是否破碎無(wú)法保證，車(chē)門(mén)窗框外翻嚴(yán)重，導(dǎo)致氣袋橫向無(wú)支撐。因氣袋豎直方向沒(méi)有約束，導(dǎo)致頭部區(qū)域的氣袋在上臂的擠壓作用下向下移動(dòng)，使氣袋不能完全覆蓋頭部，頭部上部區(qū)域與頂棚最終仍發(fā)生接觸。

氣袋未受到外力的作用下已能完全覆蓋頭部，且受上方頂棚的限制，氣袋高度方向已是極限，故無(wú)法通過(guò)增大氣袋尺寸以保證氣袋受橫向擠壓后仍能覆蓋頭部。根據(jù)增加有效緩沖的思路，在頭部接觸區(qū)域的頂棚內(nèi)增加緩沖墊塊，結(jié)合布置空間，選擇密度為0.2g/cm3、厚度為10mm的再生PU緩沖墊塊。

增加頂棚緩沖墊塊后的頭部傷害值HPC由1100減小到400，滿(mǎn)足法規(guī)要求且有接近60%的安全余量。詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4：

表4　增加側(cè)氣囊和墊塊后側(cè)碰試驗(yàn)假人傷害值

由圖8可以看出，增加墊塊后頭部合成加速度峰值由原來(lái)的140g降低到101g，說(shuō)明墊塊起到了良好的緩沖作用。

四、結(jié)論及建議

通過(guò)分析某電動(dòng)車(chē)側(cè)碰頭部傷害超標(biāo)的原因，并采取合適的措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終解決了頭部傷害超標(biāo)的問(wèn)題。頭部傷害超標(biāo)的原因是多方面的，包括頭部與門(mén)框上沿重疊量大、頂棚侵入速度高、頭部無(wú)有效的緩沖，設(shè)計(jì)階段需關(guān)注的是控制頭部與門(mén)框上沿的重疊量，通過(guò)優(yōu)化側(cè)圍、車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)控制頂棚的侵入速度?？紤]車(chē)輛配置及成本，增加有效緩沖只能作為補(bǔ)救措施。

［1］2010年中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［J］.公安部交通管理局，2011.

［2］GB20071-2006《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》.

［3］鐘志華，張維剛等，汽車(chē)碰撞安全技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2003.7.

［4］陳鐘洲，周大永等，側(cè)面安全氣簾的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2011年第7期.

［5］馬麟，基于側(cè)面碰撞頭部保護(hù)氣囊的研究與發(fā)展概述，機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010.6.

專(zhuān)家推薦

陳濤：

本文針對(duì)某款電動(dòng)車(chē)在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中暴露出的頭部傷害較大的問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析和對(duì)策研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。從試驗(yàn)結(jié)果看，通過(guò)增加頭胸側(cè)氣囊和頂棚緩沖墊，改善了頭部加速度的峰值，頭部傷害指標(biāo)HPC也有顯著降低。

A Motor Vehicle Designed to Optimize Side-impact Occupant Head Protection

HUANG Qiang，WANG Xing-lei，GUO Gang，WANG Heng，Ding Ling
（DongFeng Motor Corporation Technical Center，WuHan，430058，China）

China's current occupant crash safety regulations are mainly GB11551 "passenger frontal impact occupant protection" and GB20071 "car side impact occupant protection." Beginning of a pure electric vehicle development carried out by Chinese laws and regulations GB20071 side impact test thoroughly and found the dummy head protection does not meet regulations. By analyzing the dummy head injury mechanism to identify the main factors causing head injuries during a side impact head hit the ceiling， while the impact energy， and the energy delivered or absorbed by the head. For these reasons， combined with the actual situation of models developed by increasing head and chest side airbags to protect and increase the ceiling buffer block， and ultimately through the real vehicle test verification of head injuries to meet regulatory requirements. Meanwhile， on the subsequent development of models to provide a valuable experience.

side impact； head protection； side airbag

U467.1+4

A

1005-2550（2015）04-0007-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.002

2015-01-26