WorldSID假人頸部標(biāo)定試驗(yàn)方法研究

張 毅，商恩義，韓 剛，周大永，劉衛(wèi)國(guó)（浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

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WorldSID假人頸部標(biāo)定試驗(yàn)方法研究

張 毅，商恩義，韓 剛，周大永，劉衛(wèi)國(guó)
（浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

摘要：WorldSID假人是當(dāng)前側(cè)撞假人的升級(jí)，國(guó)內(nèi)只有幾個(gè)，對(duì)其了解較少。為了提高對(duì)WorldSID假人的擬人程度，對(duì)WorldSID假人頸部標(biāo)定試驗(yàn)方法及影響因素進(jìn)行了研究，指出影響頸部標(biāo)定結(jié)果的兩個(gè)主要因素是吸能蜂窩鋁的硬度和頸部本體的強(qiáng)度，該影響因素可通過(guò)調(diào)整吸能蜂窩鋁、頸部緩沖塊進(jìn)行解決。

關(guān)鍵詞：WorldSID假人；頸部標(biāo)定；試驗(yàn)方法；影響因素

引言

WorldSID是Worldwide Side Impact Dummy的縮寫，是一種專門用于測(cè)量汽車乘員在橫向碰撞試驗(yàn)中產(chǎn)生傷害的碰撞假人，該假人是基于人體測(cè)量學(xué)對(duì)全世界人口范圍內(nèi)汽車乘員的尺寸和慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而設(shè)計(jì)成型[1]。Euro-NCAP的側(cè)面碰撞試驗(yàn)包括側(cè)面可變形蜂窩鋁AE-MDB碰撞和柱撞兩種試驗(yàn)，2015版Euro-NCAP中明確規(guī)定在側(cè)面碰撞試驗(yàn)的前排駕駛員側(cè)必須安放WorldSID假人，以評(píng)估側(cè)碰試驗(yàn)中假人的傷害指標(biāo)。在國(guó)內(nèi)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)碰撞實(shí)驗(yàn)室WorldSID假人還并沒(méi)有普及，但隨著我國(guó)碰撞試驗(yàn)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，在C-NCAP的側(cè)面碰撞試驗(yàn)中采用WorldSID假人的日期也不會(huì)很遠(yuǎn)。

基于此，對(duì)WorldSID假人使用特性的研究應(yīng)盡早提到研究日程。假人作為擬人化裝置，其人體擬合性直接影響到測(cè)試車輛的安全性能是否能夠得到正確的評(píng)價(jià)，而確保其擬人性的手段是假人標(biāo)定試驗(yàn)。因此，本文針對(duì)WorldSID假人頸部標(biāo)定的性能指標(biāo)與影響因素進(jìn)行了研究。

1 WorldSID假人頸部構(gòu)造

如圖1所示，WorldSID假人頸部由上下頸部界面金屬板、中間橡膠頸部模型、前后左右緩沖塊組成。在安裝頸部的時(shí)候，頸部緩沖塊分為圓形截面和方形截面兩種類型。圓形截面的緩沖塊裝在左右兩邊各一塊，方形截面的緩沖塊裝在前后各一塊。圓形截面的緩沖塊一端為小型圓柱，另一端為蘑菇狀。蘑菇狀的末端必須在頸部裝配過(guò)程中與頸部界面金屬板壓緊，且末端需突出到金屬板平面上的沉孔里。圓形截面的緩沖塊具有三種不同硬度的型號(hào)，用標(biāo)記紅色、黃色、藍(lán)色為強(qiáng)度遞增區(qū)分[2]，以調(diào)整WorldSID頸部在試驗(yàn)過(guò)程中的彎曲響應(yīng)性能。這一點(diǎn)在頸部標(biāo)定的影響因素中也起到了重要的作用。

2 WorldSID假人頸部標(biāo)定試驗(yàn)準(zhǔn)備

WorldSID頸部標(biāo)定試驗(yàn)準(zhǔn)備與ES-2頸部標(biāo)定相似。主要包括頭-頸部標(biāo)定裝置、頸部擺錘、吸能蜂窩鋁、擺錘加速度傳感器、測(cè)速裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 頭-頸部標(biāo)定裝置

頭-頸部標(biāo)定裝置主要用于保證WorldSID假人在試驗(yàn)與標(biāo)定過(guò)程中頭頸部狀態(tài)的一致性，所以裝置的質(zhì)心和質(zhì)量都得與頭型設(shè)計(jì)的相近。頭-頸部標(biāo)定裝置如圖2所示，包括：頭部替代模塊、頸部、角度傳感器A、角度傳感器B、角度傳感器C、頸部力和力矩傳感器。

2.2 頸部擺錘

頸部擺錘主要用于承載頭-頸部裝置在沖擊端，在一定的高度釋放擺錘后與吸能蜂窩鋁沖擊以取得一定范圍內(nèi)的頸部彎曲運(yùn)動(dòng)性能。頸部擺錘按照NHTSA CFR 572中要求設(shè)定[3]。擺錘詳細(xì)參數(shù)為：長(zhǎng)度為1 835.2 mm，重量為29.6 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是33.2 kg·m2[4]。

2.3 吸能蜂窩鋁

當(dāng)擺錘在一定的高度釋放以自由落體方式撞擊蜂窩鋁時(shí)，蜂窩鋁吸收能量從而產(chǎn)生變形，在短時(shí)間內(nèi)使擺錘速度減至零。其特性必須滿足擺錘與蜂窩鋁緩沖到一定時(shí)間內(nèi)的減速度要求。吸能蜂窩鋁參數(shù)要求：硬度為1.8 lb/cu.ft.，長(zhǎng)度為76.2 mm。

2.4 擺錘加速度傳感器

擺錘加速度傳感器用于采集擺錘與蜂窩鋁作用過(guò)程中的加速度信號(hào)。加速度安裝在距離旋轉(zhuǎn)軸心1 657.4 mm的位置。

圖2　WorldSID頭-頸部標(biāo)定裝置

2.5 測(cè)速裝置

測(cè)速裝置安裝在吸能蜂窩鋁安裝部位上方。測(cè)速裝置由發(fā)射端口和接收端口組成，發(fā)射端口平行發(fā)射出紅外光束，接收端口接收光束。擺錘沖擊面?zhèn)劝惭b有弧狀格柵，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中間斷性地遮擋光束，根據(jù)兩次被遮擋的時(shí)間差以及格柵相鄰的距離，測(cè)速裝置能夠精確計(jì)算出實(shí)時(shí)速度。

2.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)標(biāo)定過(guò)程中加速度信號(hào)、角度信號(hào)、力和力矩信號(hào)、擺錘速度信號(hào)的采集。對(duì)于各個(gè)傳感器的濾波按照ISO 6487或者SAE J211中要求執(zhí)行，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

3 WorldSID假人頸部標(biāo)定試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)要求

3.1.1 擺錘運(yùn)動(dòng)要求

擺錘從開(kāi)始拉升到釋放的時(shí)間間隔不超過(guò)5 min。

擺錘釋放后自由落體至接觸吸能蜂窩鋁的瞬間為采集零時(shí)刻，此時(shí)要求擺錘的速度在3.3～3.5 m/s之間。擺錘的速度曲線應(yīng)滿足表2所示要求。

3.1.2 頸部運(yùn)動(dòng)要求

頸部的性能指標(biāo)主要是考察擺錘接觸吸能蜂窩鋁之后頸部彎曲運(yùn)動(dòng)所反饋出來(lái)的彎曲角度、頸部彎矩。這些指標(biāo)需要滿足表3中所示的作用區(qū)間。

表2　擺錘速度曲線要求

表3　頸部運(yùn)動(dòng)性能要求

在本文2.1節(jié)中提及的頭-頸部標(biāo)定裝置上的角度傳感器A、角度傳感器B和角度傳感器C可直接反饋出ΘA、ΘB、ΘC的角度變化量。通過(guò)圖3所示的擺錘與頭-頸部標(biāo)定裝置、頸部與頭部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何原理，可得出以下公式：

圖3　頸部彎曲角度測(cè)量方式

其中dΘA與dΘC是ΘA、ΘC的導(dǎo)數(shù)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

1）試驗(yàn)前，需將頸部存放在溫度恒為18～22 ℃，濕度為10 %～70 %的環(huán)境下至少4 h。

2）兩次試驗(yàn)的時(shí)間間隔必須保證在30 min以上。

3）首先檢查頸部是否有破裂損壞，橡膠與金屬部分配合是否正常。

4）分別調(diào)整頸部上下金屬平面半球體螺栓的扭矩至10 Nm。

5）將頸部安裝到頭-頸部標(biāo)定裝置，用M6螺栓將上頸部與裝置緊固，下頸部與下頸部安裝底座也通過(guò)M6螺栓與擺錘連接。安裝完畢后，調(diào)整角度傳感器A、B、C的初始值至0 °。

6）將裁剪為20格的吸能蜂窩鋁固定至擺錘沖擊平面，并使用擺錘預(yù)撞擊其表面，保證其與擺錘接觸瞬間為平面。

7）利用小型電動(dòng)吊機(jī)將擺錘提升至與地面成49 °角的傾斜高度后釋放，使之自由落體沖擊吸能蜂窩鋁。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)3.2節(jié)中所述的WorldSID頸部擺錘試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的速度、加速度、動(dòng)量等信息進(jìn)行提取。頸部標(biāo)定達(dá)標(biāo)的要求是采集的各項(xiàng)指標(biāo)需要滿足3.1節(jié)中表2和表3的要求區(qū)間。

如果其中某些指標(biāo)沒(méi)有達(dá)標(biāo)，則就相關(guān)重要指標(biāo)進(jìn)行分析，從而得出調(diào)整的方法。

3.3.1 擺錘加速度

在擺錘高度一定的前提下，其在零時(shí)刻之后采集的加速度主要是與吸能蜂窩鋁作用產(chǎn)生的，也就是擺錘加速度用來(lái)檢驗(yàn)吸能蜂窩鋁受沖擊的強(qiáng)度。所以通過(guò)能量守恒定律，可以得出：加速度過(guò)高，蜂窩鋁偏硬；加速度過(guò)低，蜂窩鋁偏軟。

蜂窩鋁過(guò)硬有可能是以下幾個(gè)因素造成：①蜂窩鋁裁剪格數(shù)過(guò)多；②蜂窩鋁橫向或豎向的安裝方式不對(duì)；③蜂窩鋁結(jié)構(gòu)變形。針對(duì)以上三種影響因素，我們可以采取以下措施進(jìn)行調(diào)整：①適當(dāng)減少蜂窩鋁格數(shù)；②確保蜂窩鋁按照其六邊形紋路豎向安裝；③按要求存放蜂窩鋁，選擇無(wú)擠壓，無(wú)缺陷蜂窩鋁進(jìn)行試驗(yàn)。反之，蜂窩鋁偏軟的因素和調(diào)整方式也一樣。

3.3.2 頸部彎曲指標(biāo)

頸部彎曲指標(biāo)包括頸部扭矩、彎曲角度兩種性能，其實(shí)就是頸部本身的軟硬程度。頸部本身的軟硬程度主要由以下幾個(gè)要素決定：①頸部的新舊程度（頸部本身的橡膠材料）；②頸部緩沖塊的硬度；③標(biāo)定環(huán)境溫度。如果頸部扭矩、彎曲角度在試驗(yàn)后輸出結(jié)果偏高，無(wú)法通過(guò)標(biāo)定，那我們可以進(jìn)行如下幾種方式進(jìn)行調(diào)整：①調(diào)低環(huán)境溫度；②更換頸部緩沖塊至低強(qiáng)度類型；③更換頸部總成。反之亦然。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了WorldSID假人頸部的構(gòu)造，對(duì)該假人頸部的標(biāo)定試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。總結(jié)出以下幾點(diǎn)內(nèi)容：①WorldSID假人頸部構(gòu)造復(fù)雜，需要用特定的頭-頸部裝置承載，與吸能蜂窩鋁、多個(gè)角度傳感器、測(cè)速裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)緊密配合才能完成標(biāo)定工作，使得頸部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)；②標(biāo)定WorldSID假人頸部的試驗(yàn)方法主要概括為擺錘沖擊蜂窩鋁以達(dá)到頸部產(chǎn)生彎曲形變的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。其主要性能指標(biāo)為頸部的彎曲能力；③影響頸部標(biāo)定結(jié)果的兩個(gè)主要因素可歸結(jié)為吸能蜂窩鋁的硬度和頸部本體的強(qiáng)度?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整吸能蜂窩鋁、頸部緩沖塊、環(huán)境溫度等重要參數(shù)，使得頸部達(dá)到標(biāo)定所要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

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中圖分類號(hào)：U467.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）02-0051-04

作者簡(jiǎn)介:

張毅 (1986－)，男(漢)，浙江，工程師。主要研究方向：安全碰撞試驗(yàn)技術(shù)。

Research of WorldSID Dummy Neck Calibration Test Method

ZHANG Yi, SHANG En-yi, HAN Gang, ZHOU Da-yong, LIU Wei-guo
(Zhejiang Geely Automobile Institute Co. Ltd., Hangzhou 311228)

Abstract：TWorldSID dummy is a new updated side impact dummy. There are only several WorldSID dummies in China, so we know about it little. To improve the anthropologic capability of WorldSID dummy, we do the research of dummy neck calibration test method and the effect factor, and we indicate that the two main effect factors of neck calibration result are the rigidity of deformable honeycomb aluminium and the intensity of neck itself, the effect factors can be solved by adjusting the honeycomb aluminium and neck buffer.

Key words：WorldSID dummy; neck calibration; test method; effect factor