前排女性乘員座椅防下潛性能的實驗研究

張滕滕，王大志，卓 鵬，劉軍勇

(上海汽車集團股份有限公司技術中心安全工程與虛擬技術部，上海 201805)

2016208

前排女性乘員座椅防下潛性能的實驗研究

張滕滕，王大志，卓 鵬，劉軍勇

(上海汽車集團股份有限公司技術中心安全工程與虛擬技術部，上海 201805)

鑒于前排女性駕乘人員日益增多，而防下潛又是前排女性乘員安全性的重要問題，本文重點研究前排第五百分位女性乘員座椅的防下潛性能，先后進行了座椅防下潛靜壓實驗、單級和雙級預緊安全帶座椅滑車對比實驗和整個約束系統(tǒng)動態(tài)滑車實驗。結果表明，前排座椅的靜態(tài)剛度是乘員防下潛的基礎條件；而雙級預緊安全帶能有效防止前排第五百分位女性乘員的下潛。

防下潛；靜壓實驗；雙預緊安全帶；前排女性乘員

前言

在現(xiàn)實車輛使用者中，女性駕乘人員的比例逐漸增多，在國內車輛匹配的前排乘員約束系統(tǒng)多數(shù)以第五十百分位男性乘員為基礎設計的，兼顧身材較小的前排第五百分位女性乘員傷害研究較少，在一定程度上不能較好地兼容多類型乘員的安全性能[1]。

在2015年后，歐洲Euro-NCAP(Euro new car assessment program)新增50km/h全寬正面碰撞實驗，且包括駕駛員、前排乘員和后排乘員均使用第五百分位女性假人[2]。其中，防下潛性能對正面碰撞實驗中假人傷害有著較大的影響，直接影響到最后的星級評定。因此前排女性乘員的防下潛性能是整車安全性中重要的考核指標[3]。

下潛是在車輛碰撞減速階段，正常作用在駕乘人員的肩部、胸部和髖部的安全帶，由于駕乘人員的髖部受力不平衡，導致安全帶腰帶發(fā)生滑動，脫離正常的佩戴位置，安全帶從骨盆處滑向腹部，并將相應的負載力直接作用在腹部上，造成腹部軟組織受傷，同時安全帶的肩帶滑離并直接作用于乘員的頸部[4-5]。

本文中以Euro-NCAP 2015版正面100%重疊剛性壁障碰撞工況前排第五百分位女性乘員的安全性能為背景，首先研究約束系統(tǒng)相關實驗設置，其次通過零件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的遞進式防下潛性能的實驗研究，最后研究并確定適用前排第五百分位假人防下潛性能的約束系統(tǒng)安全帶配置，并通過實驗的方法研究前排女性乘員的防下潛性能[6]。

1 前排女性乘員碰撞工況

1.1 前排女性乘員

2015年后的Euro-NCAP，除新增速度為50km/h的碰撞實驗和安放第五百分位女性假人外，還采用新的傷害評價指數(shù)來評價前排女性假人的乘員傷害，定義了頭部，頸部，胸部和大腿的高低性能值。圖1(a)給出了2015版Euro-NCAP工況中全寬正面碰撞工況下假人的配置情況[7]。

圖1 Euro-NCAP全寬正面重疊碰撞工況下假人的配置情況

1.2 下潛的判定

Euro-NCAP 2015版正面全寬碰撞中，前排女性假人下潛的主要判定是根據(jù)在第五百分位女性假人的髂骨力曲線中，在1ms的時間窗內髂骨力有1kN的下降，并結合高速攝像中下潛畫面而確認的。針對前排第五百分位女性假人下潛的罰分，一旦被判定為前排第五百分位女性假人發(fā)生下潛現(xiàn)象，則對應膝部、大腿和髖部這一項罰掉4分。圖2給出女性假人髂骨力傳感器的實物圖和在假人中的安裝位置。

圖2 第5百分位女性假人髂骨力傳感器實物和安裝位置圖

1.3 實驗設置

在正面100%重疊剛性壁障碰撞實驗的車輛準備中，需要在實驗前對前排座椅、安全帶和轉向管柱進行調整[8]。

如果轉向管柱上下可調，則將其置于中間位置；如果轉向管柱前后可調，默認設置為第五百分位女性假人的設計位置，否則將其置于前后中間位置，但務必確保轉向盤的中心與女性假人的最小水平距離為250mm。若此距離小于250mm，將轉向盤調整到最前位置，如果轉向盤在最前位置，此距離仍小于250mm,則將座椅向后移動直至滿足250mm的距離，但在向后移動座椅時，應確保右腳與加速踏板中心接觸。如果安全帶上下行程可調，默認設置為第五百分位女性假人的設計位置，否則將其置于最低位置。實驗前，前排座椅調整見表1。

2 前排座椅防下潛靜壓實驗

參照某車型項目開發(fā)中的座椅，制作一個與第五百分位女性假人臀部相同幾何尺寸(包括假臀曲面)的模型，對座椅進行防下潛特性靜壓實驗。將座椅靠背和坐墊等調整至第五百分位女性假人的設計位置，模型與液壓缸加載軸向連接，以速度為1.67×10-3m/s加載，其方向盡量與碰撞過程中的假臀運動過程中受力方向相近，加載力在車體XOZ平行的平面內，且與垂直Z方向成25°角。

隨著加載的持續(xù)進行，座椅的坐墊泡沫、防下潛桿、滑軌、支撐臂和四連桿擺臂等先后變形，當加載力達到15kN時，停止加載同時液壓缸活塞開始收回，此后，加載過程中變形的機件逐漸反彈，座椅防下潛特性靜壓過程如圖3所示，對應的力-位移曲線如圖4所示。

圖3 前排座椅防下潛靜壓實驗過程圖

圖4 前排座椅防下潛靜壓實驗剛度曲線

由圖3可見，當加載力小于2kN時，為座椅坐墊泡沫的擠壓變形，當加載力大于2kN后，座椅防下潛桿和座椅骨架開始彈塑性變形，直至加載力為15kN時，座椅骨架未出現(xiàn)失效變形。由圖4可見，剛度曲線滿足項目開發(fā)設計要求。從前排座椅防下潛靜壓實驗可知，座椅防下潛剛度實驗可簡化模擬前排座椅動態(tài)防下潛的基本受力過程，前排座椅靜態(tài)防下潛剛度是乘員動態(tài)防下潛性能的基礎。

3 子系統(tǒng)的座椅滑車實驗

針對前排女性乘員的防下潛性能，提出單預緊安全帶和雙預緊安全帶的兩種方案，并進行其滑車試驗，以對比兩種方案的防下潛效果。以項目開發(fā)早期實車的碰撞加速度波形作為防下潛滑車實驗的波形輸入。實驗中無駕駛員安全氣囊，為準確模擬實驗中整車女性乘員上半身的位移，在此僅以提高安全帶限力等級的方法來等效安全氣囊的緩沖力作用。

滑車試驗中的女性假人骨盆兩側裝有髂骨力傳感器，用于測量髖部處的力-時間歷程曲線，作為判定女性假人下潛的主要依據(jù)。

3.1 單級預緊式安全帶的防下潛滑車實驗

滑車實驗前，座椅和安全帶設置均按表1設置，圖5示出滑車實驗中不同時刻的動畫圖。由圖可見：在40ms時，軀干上半身開始運動，假人與安全帶同時前移；在60ms時，假人髖部下移，在80ms時，假人髖部前移和下移皆達到最大，同時安全帶腰帶部分有陷入腹部的趨勢，假人髖部未能有效約束。從動畫錄像分析，假人在約80ms時出現(xiàn)下潛現(xiàn)象。

圖5 單預緊安全帶-防下潛滑車實驗過程圖

圖6 單預緊安全帶-防下潛滑車實驗髂骨力曲線

圖7 單預緊安全帶-防下潛滑車實驗髖部加速度曲線

圖8 單預緊安全帶-防下潛滑車實驗安全帶力曲線

圖6為單預緊安全帶-防下潛滑車實驗髂骨力曲線圖。由圖可見，女性假人左右側髂骨力傳感器均出現(xiàn)了1ms時間窗口內1kN的下降，可以判定為女性假人下潛。圖7為髂部加速度曲線。由圖可見，假人的髖部加速度約在35ms時出現(xiàn)階躍，且髖部X向和Z向加速度出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，可判定假人髖部約束力不平衡。圖8為安全帶肩帶力和腰帶力曲線。由圖可見，安全帶力的變化比較平穩(wěn)，安全帶平緩起作用，未出現(xiàn)突變情況，表明安全帶正常工作未出現(xiàn)滑脫等現(xiàn)象。

3.2 雙級預緊式安全帶的防下潛滑車實驗

本實驗中的雙級預緊安全帶是同時采用錨固點預緊和卷收器預緊，座椅和安全帶均按表1設置。圖9為雙級預緊式安全帶的滑車實驗不同時刻的動畫。由圖可見：在40ms時，軀干上半身開始運動，假人隨安全帶前移；當車身速度達到零時，假人繼續(xù)向前移，直至假人頭部開始反彈；因為此實驗中沒有轉向管柱和駕駛員安全氣囊參與碰撞能量吸收，在100ms后，第五百分位女性假人的頸部彎曲和上半身軀干旋轉運動都較大；在60-80ms，假人髖部得到有效約束，安全帶正常起作用，假人未發(fā)生下潛。

圖9 雙預緊安全帶-防下潛滑車試驗過程圖

圖10為雙預緊安全帶防下潛滑車實驗髂骨力曲線圖。由圖可見，女性假人的左右兩側髂骨力曲線中均未出現(xiàn)1ms內有1kN的髂骨力下降，故女性假人未出現(xiàn)下潛現(xiàn)象。圖11為髂部加速度曲線圖。由圖可見，假人髖部X向和Z向加速度曲線都未出現(xiàn)加速度突變，說明假人髖部受力平衡，未出現(xiàn)下潛。圖12為安全帶力和腰帶力曲線。由圖可見，曲線變化平緩，未出現(xiàn)安全帶力突降現(xiàn)象，說明假人受到安全帶穩(wěn)定約束，未出現(xiàn)下潛。

圖10 雙預緊安全帶-防下潛滑車試驗髂骨力曲線

圖11 雙預緊安全帶-防下潛滑車實驗髖部加速度曲線

圖12 雙預緊安全帶-防下潛滑車實驗的安全帶力曲線

兩次實驗的結果表明，座椅防下潛桿會發(fā)生一定的變形，假人的上肢和下肢運動不同，大腿前部抬高的角度不同，軀干前傾趨勢不同。由于雙級預緊式安全帶的假人髖部約束力較大，結合座椅的坐盆形狀和防潛桿性能，雙預緊安全帶能夠有效預防第五百分位女性假人的下潛風險。

4 約束系統(tǒng)的滑車實驗

根據(jù)子系統(tǒng)的防下潛滑車實驗的結果，僅進行配置雙預緊安全帶的滑車實驗。滑車實驗采用萬能滑車工裝，該工裝可實現(xiàn)對應設計車型的轉向管柱、座椅、安全帶和假人H點相對空間坐標點的準確性，根據(jù)相對安全約束系統(tǒng)樣件的安裝空間坐標，調整萬能工裝安裝點坐標以滿足設計狀態(tài)。

圖13為前排女性假人約束系統(tǒng)滑車實驗不同時刻的動畫。由圖可見，在12ms時，安全帶卷收器預緊點爆；在15ms時駕駛員安全氣囊點爆；在17ms時，安全帶錨固定預緊點爆；在40ms時，駕駛員安全氣囊充滿并達到飽滿狀態(tài)，此時第五百分位女性假人上軀干與氣囊接觸，假人的髖部前移，在70ms時假人髖部停止前移，隨著安全氣囊的排氣孔泄氣和安全帶的限力繼續(xù)起作用，假人上軀干發(fā)生旋轉運動，安全帶繼續(xù)吸收假人殘余碰撞動能。

圖13 前排女性乘員約束系統(tǒng)滑車試驗過程圖

圖14為約束系統(tǒng)滑車實驗的髂骨力曲線圖。由圖可見，女性假人的左右兩側髂骨力均未出現(xiàn)了1ms內1kN的下降，女性乘員未出現(xiàn)下潛現(xiàn)象。圖15為髖部加速度曲線圖。由圖可見，假人的髖部X向和Z向加速度曲線都未出現(xiàn)加速度階躍和突變，假人髖部受力平衡，未出現(xiàn)下潛。

圖14 約束系統(tǒng)滑車實驗的髂骨力曲線圖

圖15 約束系統(tǒng)滑車實驗的髖部加速度曲線

圖16為安全帶力曲線。由圖可見，腰帶力在20ms時已迅速上升并起作用，安全帶肩帶力和腰帶力曲線變化平緩，穩(wěn)定地起作用，未出現(xiàn)安全帶滑脫等現(xiàn)象?？梢婂^固點預緊消除腰帶和骨盆之間的間隙，錨固點預緊和防潛桿為假人骨盆提供有效的約束力，匹配轉向管柱和氣囊的保護作用，有效控制約束假人上肢和下半身的運動，降低假人下潛的風險。

圖16 約束系統(tǒng)滑車實驗的安全帶力曲線

5 結論

本文中針對前排第五百分位女性假人的防下潛性能，進行零件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)3級遞進式的研究，通過建立仿真模型，分別進行座椅防下潛靜壓、子系統(tǒng)滑車、約束系統(tǒng)滑車防下潛性能實驗。研究結果表明：雙預緊安全帶能有效防止前排女性假人的下潛。

安全帶的參數(shù)對假人的防下潛性能有一定的影響，今后需要針對不同的安全帶參數(shù)進行防下潛座椅和安全帶的匹配研究。坐墊角度、安全帶的固定點的空間點位對假人的下潛性能的影響也有待進一步研究。此外，不同的約束系統(tǒng)設計和不同碰撞工況下發(fā)生下潛的傾向不同，也是后續(xù)開展研究的內容。

[1] ROUHANA S W, VIANO D C, JEDRZEJCZAK E A, et al. Assessing submarining and abdominal injury risk in the hybrid III family of dummies[C]. SAE Paper 892440.

[2] EURO-NCAP[EB/OL]. www.enroncap.com/en/for-engineers/protocols/.

[3] TANG L, ZHOU Q. A theoretical study of submarining tendency of a hybrid III 5th percentile female dummy[C]. Proceeding of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2009, IMECE 2009-12567.Lake Buena Vista, Florida, USA. November13-19,2009.

[4] O’CONNOR C S, RAO M K. Dynamic simulations of belted occupant with submarining[C]. SAE Paper 901749.

[5] 鐘志華,張維剛,曹立波,等.汽車碰撞安全技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003,68-105.

[6] 張學榮,劉學軍,陳曉東,等.正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗驗證[J].汽車工程,2007,29(12):1055-1058.

[7] Euro NCAP assessment protocol-adult occupant protection version 7.0.2[S]. Brussels: EuroNCAP Committee,2015.

[8] Euro NCAP full width frontal impact testing protocol version 1.0.1[S]. Brussels: EuroNCAP Committee,2015.

An Experimental Study on the Anti-submarining Performanceof Front-row Seat for Female Occupant

Zhang Tengteng, Wang Dazhi, Zhuo Peng & Liu Junyong

SafetyEngineering&VirtualTech.Dept,SAICMotorTechnicalCenter,Shanghai201805

In view of that female driver and front-row occupant are gradually increasing and submarining is the major safety problem of front-row female occupant, the anti-submarining performance of front-row seat for 5th percentile female occupant is emphatically studied in this paper, with a series tests successively conducted, including seat anti-submarining static compression test, comparative sled tests on seats with single-pretension and dual-pretension safety belts, and dynamic sled test on complete restraint system. The results show that the sufficient static stiffness of front-row seat is the basic condition for the anti-sunmarining of front-row occupant and the safety belt with dual-pretension can effectively prevent the submarining of front-row 5th percentile female occupant.

anti-submarining; static compression test; dual pretension belt; front-row female occupant

原稿收到日期為2015年10月9日，修改稿收到日期為2015年11月23日。