TNO-10型碰撞假人的研制

王欣，馬瑞雪，金浩，席梓軒，印炯

（1.重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401120；2.重慶宇杰汽車設(shè)計(jì)有限公司，重慶401122；3.上海冠馳汽車安全技術(shù)有限公司，上海201601）

TNO-10型碰撞假人的研制

王欣1，馬瑞雪1，金浩2，席梓軒2，印炯3

（1.重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401120；2.重慶宇杰汽車設(shè)計(jì)有限公司，重慶401122；3.上海冠馳汽車安全技術(shù)有限公司，上海201601）

詳細(xì)闡述主要用于座椅和安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的TNO-10型碰撞假人的結(jié)構(gòu)、材料和制作工藝，并以小腿部件為例，論述制作過程，為TNO-10假人的制作提出明確思路。

TNO-10；安全帶；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)；碰撞假人；制作工藝

1 假人的總體概述

在汽車道路運(yùn)輸中，座椅和安全帶作為直接與乘員接觸的部件，對(duì)乘員安全起到了重要的保護(hù)作用。如何驗(yàn)證座椅和安全帶的保護(hù)性能，目前最直觀、最可行的辦法就是開展動(dòng)態(tài)碰撞試驗(yàn)。但是在進(jìn)行座椅和安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，常需要用到作為準(zhǔn)確配重用的TNO-10型碰撞假人。當(dāng)座椅或安全帶在試驗(yàn)中失效時(shí)會(huì)導(dǎo)致該假人直接飛出撞擊到地面或者工裝上，對(duì)假人將造成很大損傷；而現(xiàn)在試驗(yàn)中所用的TNO-10假人均從專門生產(chǎn)碰撞試驗(yàn)用假人的美國(guó)HUMANETICS公司進(jìn)口，價(jià)格將近2萬美元，并且假人損傷后的維修費(fèi)用也相當(dāng)高；而在座椅和安全帶設(shè)計(jì)初期開展的動(dòng)態(tài)研發(fā)試驗(yàn)中，樣品失效的概率較高，導(dǎo)致碰撞假人的損傷較多，影響假人的使用壽命，從而導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)成本很高。

如果能夠國(guó)產(chǎn)制作滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的TNO-10假人，就能避免購買國(guó)外昂貴假人、以及購買周期長(zhǎng)的問題；同時(shí)，如果假人在使用過程中發(fā)生損壞，也能夠自行維修，降低使用成本。所以研制國(guó)產(chǎn)假人可以降低產(chǎn)品試驗(yàn)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、縮短開發(fā)周期，還可以促進(jìn)國(guó)產(chǎn)高端儀器設(shè)備的開發(fā)水平。國(guó)內(nèi)除我院外，湖南大學(xué)、上海冠馳公司也在開展TNO-10假人的研制。

項(xiàng)目組依據(jù)與TNO-10假人設(shè)計(jì)要求相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)ECER16[1]（對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB 14166[2]）和TNO-10假人的使用手冊(cè)[3]，對(duì)TNO-10假人的結(jié)構(gòu)、材料和主要部件的制作工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。文中提到的假人均指TNO-10假人。

2 TNO-10型碰撞假人的結(jié)構(gòu)研究

TNO-10假人為無上肢的獨(dú)腿假人，如圖1所示，質(zhì)量約75 kg。本文將假人分為小腿、大腿、軀干、頸和頭部等主要部件。通過對(duì)進(jìn)口假人的部件進(jìn)行掃描，得到假人主要部件的三維模型[4]。

2.1 小腿的結(jié)構(gòu)研究

該假人只有一條小腿。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所示，由三個(gè)元件構(gòu)成：腳底板、薄壁管、膝關(guān)節(jié)套。薄壁管上覆蓋了一層模擬肌肉的聚氨酯材料，一端連著剛性腳板，另一端連著一個(gè)鋼管。

剛性腳板模擬人的腳，薄壁管模擬小腿的腿骨，另一端的鋼管是以膝關(guān)節(jié)套模擬膝部關(guān)節(jié)。小腿可以如同正常人一樣往后運(yùn)動(dòng)，在膝關(guān)節(jié)套上有兩個(gè)限位塊可限制小腿相對(duì)大腿的運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)要求小腿從直線位置能向后轉(zhuǎn)動(dòng)120°。小腿最外層材料為聚氨酯，模擬小腿肌肉皮膚。

在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了小腿骨架的尺寸，但是其內(nèi)部中鋼骨架與肌肉之間的相對(duì)位置還是很不清楚。項(xiàng)目組通過查找資料得到假人小腿骨架和肌肉的相對(duì)關(guān)系，如圖2所示。同時(shí)完成三維模型[5]，如圖3所示。

2.2 大腿的結(jié)構(gòu)研究

TNO-10假人有兩條大腿。大腿由三個(gè)元件組成：膝關(guān)節(jié)套、大腿桿、臀軸套。大腿干的兩端為模擬臀關(guān)節(jié)套和膝關(guān)節(jié)套之間的的鋼管。膝關(guān)節(jié)套是模擬小腿和大腿之間的關(guān)節(jié)部分。大腿桿是模擬大腿骨，臀軸套是模擬大腿和胯骨之間的關(guān)節(jié)連接。

通過X光照射來大致確定假人大腿“骨架”和“肌肉”的相對(duì)關(guān)系，并完成三維模型，如圖4所示。

2.3 軀干的結(jié)構(gòu)研究

軀干主要包括為一層模擬肌肉皮膚的聚氨酯材料和鋼骨架。鋼骨架包括以下元件：模擬軀干和臀部連接的關(guān)節(jié)部分的臀軸套管，模擬人體脊柱的滾子鏈、鏈?zhǔn)竭B接件，模擬胸骨的鋼板，模擬假人脊椎的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，模擬肋骨的鋼板，完成三維模型，如圖5所示。

2.4 頭頸部的結(jié)構(gòu)研究

頭部是空心的，內(nèi)部有一層玻璃鋼模擬頭骨，外面覆蓋一層聚氨酯。頸部由7個(gè)模擬頸椎的聚氨酯套環(huán)組成。頸部的剛度由軀干結(jié)構(gòu)中的滾子鏈的張緊程度來調(diào)整，滾子鏈的張緊程度決定了假人的身高，完成三維模型，如圖6和圖7所示。

2.5 關(guān)節(jié)及其他部件的結(jié)構(gòu)研究

像真人一樣，TNO-10假人也通過關(guān)節(jié)將部件連接起來。有大腿和小腿連接的膝關(guān)節(jié)，軀干和大腿連接的臀關(guān)節(jié)，頭部和頸部的頸椎關(guān)節(jié)，并且對(duì)關(guān)節(jié)之間的摩擦力有嚴(yán)格規(guī)定。這些相關(guān)關(guān)節(jié)的部件都有明確、規(guī)范的尺寸，按照材料要求選材和加工即可。

除了上述主要部件外，其他部件如張緊器總成、張緊板等標(biāo)準(zhǔn)都有明確規(guī)定，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行制作。涉及到的滾子鏈、螺栓和螺母等進(jìn)行外購。圖8為最終的假人三維模型示意圖。

3 TNO-10型碰撞假人的材料及工藝研究

3.1 材料研究

根據(jù)ECER16[1]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，假人的材料主要包括聚氨酯、鋼骨架、聚酰氨和聚苯乙烯泡沫。其中最重要的為皮膚肌肉模擬材料即聚氨酯，下面以該材料為例進(jìn)行研究。

1）密度的測(cè)量。假人的皮膚肌肉材料主要為PU123 CH聚合物，硬度為肖氏A50～60。主要使用范圍包括假人頭部、頸部、假人軀干、肩板、大腿和小腿的覆蓋物、軀干配重塊。據(jù)了解，聚氨酯的密度范圍較大。為了能夠準(zhǔn)確制作假人，需要知道材料的具體密度。利用水溢法測(cè)量幾個(gè)部件的密度，數(shù)字略有差異。為了便于調(diào)制材料，本項(xiàng)目中將假人皮膚肌肉的密度值進(jìn)行統(tǒng)一。

2）材料添加劑的研究。調(diào)研得知一般聚氨酯材料密度很少能達(dá)到該值。為了達(dá)到此密度，項(xiàng)目組在全國(guó)范圍內(nèi)廣為搜索。最后通過多次研制，通過在購置的新型液體聚氨酯材料中添加適量的固化劑[6-7]，可使其密度和硬度均達(dá)到和滿足ECER16[1]的要求。

3.2 制作工藝研究

3.2.1 假人部件的工藝研究

項(xiàng)目組提出了三種關(guān)于假人部件制作工藝的實(shí)施方案[8-9]：鋁合金模具鑄塑成型法、簡(jiǎn)易鐵盒鑄塑及數(shù)控銑床雕刻成型法和ABS模具成型法。下面以小腿部件為例進(jìn)行闡述。

1）鋁合金模具鑄塑成型法。用進(jìn)口TNO-10假人小腿部件來翻制石膏模，再用石膏模鑄造鋁合金模具。將小腿骨架固定在模具中，用聚氨酯材料在130℃～140℃的溫度下進(jìn)行發(fā)泡處理。優(yōu)點(diǎn)：外觀造型準(zhǔn)確；缺點(diǎn)：模具造價(jià)高，工期長(zhǎng)。

2）簡(jiǎn)易鐵盒鑄塑及數(shù)控銑床雕刻成型法。用假人小腿部件的三維模型制作簡(jiǎn)易鐵盒模具，將部件骨架固定在模具中適當(dāng)位置，用聚氨酯材料在130℃～140℃的溫度下，在鐵盒模具中進(jìn)行發(fā)泡處理。再用數(shù)控銑床等設(shè)備，按照假人小腿模型的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行仿型雕銑。優(yōu)點(diǎn)：模具造價(jià)低；缺點(diǎn)：肖氏硬度為50 A的聚氨酯不易雕銑。

3）ABS模具成型法。用小腿部件的三維模型制作ABS模具，將部件骨架固定在模具中適當(dāng)位置并合模，用聚氨酯材料進(jìn)行澆注成型，將澆注好的模具放入烤箱內(nèi)烘烤完成，最后將模具打開取出產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：成本低于鋁合金模具，部件外廓精度高；缺點(diǎn)：模具的使用頻次較鋁合金模具的少。

根據(jù)每種方案的特點(diǎn)，綜合考慮到成本和假人部件外廓的精確性，最終選用ABS模具成型法。為了解決密度差異帶來研制假人部件的質(zhì)量誤差，在利用假人的三維模型制作模具時(shí)，在保證TNO-10假人部件尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，通過微調(diào)模具的尺寸來保證研制假人的部件質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 假人部件的制作

下面以假人下腿部件為例，進(jìn)行制作過程說明。

1）小腿骨架。小腿由三個(gè)元件構(gòu)成：腳底板、薄壁管、小腿膝關(guān)節(jié)套。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，加工了這三個(gè)元件并組裝焊接完成。如圖9所示小腿骨架及整體骨架。

2）小腿外廓。

①開ABS模具。將假人小腿部件分成上下模，數(shù)控加工中心利用小腿三維模型的表面數(shù)據(jù)做出三維模具，如圖10所示。之后利用三維模具的數(shù)據(jù)用減法逐步完成開模，并對(duì)模具進(jìn)行修整、打磨，以確保上下模具貼合緊密和表面光滑，得到如圖11所示模具。將脫模劑噴到上下模的表面。

②澆注聚氨酯成品。首先根據(jù)X光照片和標(biāo)準(zhǔn)，要求在ABS模具上做好位置支點(diǎn)。再根據(jù)假人具體部件的質(zhì)量要求，將液態(tài)澆注料和固化劑按設(shè)定的比例倒入一個(gè)空桶后攪拌均勻，并抽真空后將材料澆注到模具中。將澆注好的模具放入真空注型機(jī)內(nèi)再抽一次真空，完成后放入烤箱烘烤1 h。烘烤完成后，將上下模打開取出成型出假人小腿部件，見圖12。自制假人的小腿部件質(zhì)量為8.9 kg，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的9.0±0.5 kg。

3）參照小腿的制作，分別制作了頭頸部、軀干、大腿等部件，并通過組裝和標(biāo)定[10]最終形成實(shí)體假人，如圖13所示。最后對(duì)研制假人的質(zhì)量、尺寸和質(zhì)心與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)分析，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

Developmentof TNO-10Crash Dumm y

Wang Xin1,Ma Ruixue1,Jin Hao2,XiZixuan2,Yin Jiong3
（1.Chongqing VehicleTest&Research Institute,NationalCoach Quality Supervision&TestCenter,Chongqing 401122,China; 2.Chongqing YujieAutoDesign Co.,Ltd,Chongqing 401122,China; 3.ShanghaiGuanchiAutomobile Safety Technology Co.,Ltd,Shanghai 201601,China)

The authorsput forward thestructuresmaterialsandmanufacture technologiesof TNO-10 crash dummy, and taking the low leg as an example to show themanufacture progress,and provide the clear advice for TNO-10 crash dummymanufacture.

TNO-10;safety belt;dynamic test;crash dummy;manufacture technology

U 463.83+6；U 467.1+2

B

1006-3331（2014）02-0051-03

重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局項(xiàng)目“TNO-10型汽車碰撞用測(cè)試假人的研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2010-KY-07

王欣（1972-），女，碩士；副研究員；主要從事汽車被動(dòng)安全研究工作。