基于膝蓋模型的汽車內飾件強度試驗研究

李策園，林德強，唐輝堯

(中國汽車技術研究中心，浙江寧波 315336)

基于膝蓋模型的汽車內飾件強度試驗研究

李策園，林德強，唐輝堯

(中國汽車技術研究中心，浙江寧波 315336)

汽車內飾件是汽車被動安全中直接與乘員接觸的部分，其性能的好壞直接影響汽車對于乘員的保護。對被動安全中膝蓋與儀表板進行沖擊試驗研究，根據試驗結果分析了影響內飾件性能對乘員膝蓋保護的影響因素，并提出了內飾件的改進方案。

汽車內飾件；膝蓋模型；沖擊試驗

0 引言

隨著我國經濟快速發(fā)展，我國汽車保有量快速增長，截止2015年我國汽車保有量已經達到了1.7億輛，交通事故隨之相應增加，乘員受到二次碰撞傷害的概率越來越大。汽車內飾件在汽車碰撞事故中直接與乘員接觸，內飾件的性能好壞直接影響到乘員的人身安全，因此需要格外重視內飾件性能。

我國從2009年1月1日起強制實施了GB 11552-2009《乘用車內部突出物》。該標準對主機廠和零部件廠的汽車內部部件進行了嚴格要求，目的就是盡量降低在汽車與乘員發(fā)生二次碰撞過程中儀表板對乘員的傷害。為此，各大主機廠和零部件廠在進行零部件設計時，通過仿真手段來研究儀表板特性，優(yōu)化儀表板結構性能，同時借助試驗測試技術來驗證仿真分析結果，最終使內飾件的性能能夠滿足對于內部乘員的保護要求。

1 汽車內飾件

汽車內飾件是汽車上重要的功能件與裝飾件，作為汽車上功能件的載體，設計時內飾件采用的是薄壁結構，同時又必須考慮到其使用的剛度問題，因此汽車內飾件是汽車上比較復雜的零部件。設計汽車內飾件時首先要滿足汽車對于其他功能件的安裝要求，同時還必須考慮其安裝后與汽車內部其他部件之間的和諧美觀，更重要的是要滿足安全要求。

1.1 內飾件的分類

汽車內飾件根據其結構和使用材料的不同，可以分為硬質和軟質內飾件兩大類。硬質內飾件結構簡單，采用直接注塑成型，由同一種材料構成其主體部分，多使用在載貨汽車及客車上，一般不需要表皮材料。軟質內飾儀表板使用多種材料構成，結構上可以分為表層、緩沖層和骨架3個部分，軟質內飾件的常用材料有PU、PP、ABS/PVC合金等，多用于轎車上。還有一種內飾件是由鋼板沖壓成型再焊接、涂裝制造而成，鋼質儀表板外層包覆人造革后制成軟包儀表板、木質儀表板等。

1.2 內飾件的功能要求

在汽車內部結構中，內飾件是汽車內部主要的零部件，很多汽車上的功能件，例如音響開關鍵、空調開關鍵、多媒體部件等都安裝在內飾件上，所以在強度上要求內飾件不僅能承受各種儀表和音響設備以及管線接頭的負荷，而且在前擋風玻璃透射過來的太陽光輻射和發(fā)動機散熱引起的高溫下保持良好的剛度。從安全角度考慮，儀表板必須具有吸收沖擊能量、防眩和良好的熱穩(wěn)定性。為了達到上面的要求，對內飾件的要求如下：

(1)結構上滿足安裝儀表、管路和雜物等需要的剛度要求，同時能抵抗一定的沖擊；尺寸穩(wěn)定性好，不會由于太陽光輻射和發(fā)動機余熱作用產生變形、失效、使用精確度降低等現(xiàn)象。

(2)內飾件外觀上有適當?shù)难b飾性，格調優(yōu)雅，給人寧靜舒適的感覺。

(3)使用過程中的耐久性好，耐冷熱，耐沖擊，耐光照，使用壽命10年以上。

(4)環(huán)保方面，制造內飾件的主要原料與輔助材料均不得含鎘等對人體有害的物質；同時不允許產生使窗玻璃變模糊的揮發(fā)物。

(5)從碰撞安全角度來看，內飾件在受到一定能量沖擊而破損時，破損處應為韌性斷裂，不得有危及乘員或導致乘員嚴重傷害的危險物飛濺出來。

2 沖擊試驗

2.1 膝蓋模擬裝置

針對汽車與乘員二次碰撞試驗中發(fā)生的乘員膝蓋與汽車前部內飾件發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，為評價人體膝蓋受到傷害的程度，設計了一個人體膝蓋模擬裝置。該裝置前部是圓形結構，仿照膝蓋的形狀，其質量為5 kg，該試驗沖擊模塊見圖1。將該模擬沖擊頭安裝在導向設備上，對汽車前部圍板和儲物箱蓋板進行沖擊試驗，并對試驗結果進行比較分析，進而得出產品優(yōu)化的方案，零部件廠商在產品研發(fā)制造的過程中可參考提出的優(yōu)化方案。

圖1 膝蓋模擬裝置

2.2 膝蓋沖擊內飾件沖擊試驗

2.2.1 試驗要求

(1)試驗中調整車頭底部支撐，使試驗樣件保持在汽車正常的行駛狀態(tài)下，模擬汽車發(fā)生碰撞時膝蓋和儀表板的撞擊過程。

(2)試驗要求通過Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人來確定試驗膝部沖擊點的位置，根據H點坐標調整假人位置；調整好假人位置后，將假人沿水平方向向前移動，使假人的膝蓋與汽車內飾件接觸，在內飾件儀表板上確定對應駕駛員和前排乘員左、右膝蓋碰撞測試點的位置。確定膝蓋沖擊點為P1、P2、P3、P4，然后用40 cm×40 cm的正方形標記該撞擊點所在的撞擊區(qū)域。

(3)在沖擊器上安裝經過校準的加速度傳感器。模擬沖擊試驗裝置，如圖2所示。

圖2 試驗裝置

2.2.2 試驗過程

(1)按照試驗要求將安裝了內飾件的車身前部切割件固定在試驗臺上，然后將沖擊器的沖擊模塊裝在沖擊器的發(fā)射裝置上。

(2)連接傳感器，并進行傳感器通信自檢，設置發(fā)射裝置的參數(shù)，將沖擊器的速度設定為18 km/h(5 m/s)。

(3)移動沖擊器，將沖擊頭移至內飾件的碰撞測試位置。

(4)設備歸位，并記錄試驗前內飾件碰撞位置的狀態(tài)，進行沖擊試驗。

(5)試驗結束后記錄碰撞位置的試驗后狀態(tài)和測試點的加速度值，更換試驗處的內飾件，對點P1、P2、P3、P4按照步驟(2)—(5)進行試驗。

更換P2處的內飾件，在點P2處安裝軟緩沖塊，然后對P2處按照步驟(2)—(5)進行試驗；更換P2處的內飾件，在點P2處安裝硬緩沖塊，然后對P2處按照步驟(2)—(5)進行試驗。P2處試驗位置如圖3所示。

圖3 試驗沖擊位置

2.2.3 實驗結果分析

2.2.3.1 分析指標

選取點P2進行試驗分析，分別在點P2處沒有安裝緩沖塊、安裝軟緩沖塊、安裝硬緩沖塊等3種情況下進行試驗，緩沖塊如圖4所示。由于碰撞的能量要保持一致，故需要將膝蓋模擬沖擊頭設置為相同的試驗條件：試驗沖擊速度為5 m/s，沖擊器加速距離為320 mm，飛行距離為220 mm。此外，此試驗進行過程中相對濕度保持在(40±30)%、溫度保持在(20±4)℃。

圖4 吸能緩沖塊

對于試驗結果的數(shù)據判定指標主要有：

(1)峰值減速度。峰值減速度值是試驗數(shù)據中的加速度絕對值的最大值，反映的是實際碰撞過程中，駕駛員膝蓋部位受到內飾件的最大傷害烈度，是個瞬時值。峰值減速度的大小是表明傷害程度的重要指標。

(2)3 ms持續(xù)作用減速度峰值。相較于峰值減速度，它是一個積分量，即為一段連續(xù)且持續(xù)超過3 ms的減速度較大值的積分。根據作者的試驗經驗和大量的數(shù)據分析得知，3 ms持續(xù)作用減速度峰值更能反映出對人體的傷害值，它與撞擊力的作用時間相關，即3 ms持續(xù)作用減速度峰值越大則對駕駛員膝蓋的傷害值也越大。

(3)最大侵入量。即碰撞過程中，沖擊頭從接觸到內飾蓋板開始到內飾件凹陷最大，開始回彈時的位移，反映了實際碰撞過程中的內飾件吸能過程，跟內飾件的材料、結構、位置、安裝有關，故能夠反映出內飾件材料的剛度。最大侵入量評價材料吸能性能的優(yōu)劣以及內飾件到剛性結構之間的吸能空間是否合理。

(4)作用時間。作用時間可以從加速度時間歷程曲線中得到，作用時間越長，則說明這些碰撞能量在更長的時間內被吸收，過程更加平緩，對于乘員的傷害就更小。

2.2.3.2 數(shù)據分析

如圖5所示：在沒有裝置緩沖塊的狀態(tài)下，碰撞點P2處沖擊頭的最大減速度為43.1g，同時3 ms持續(xù)作用峰值減速度為38.7g。從圖5還可以看出：撞擊部位未產生危及乘員或導致乘員嚴重傷害的危險物，但是出現(xiàn)裂紋，說明此時剛度過大。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能有兩點：(1)內飾件材料本身的脆性過大；(2)吸能空間太小。針對以上出現(xiàn)的兩個問題，選取了兩種吸能緩沖塊安裝在膝蓋撞擊處的內飾件里面，緩沖塊如圖4所示。

圖5 點P2處沒有裝置緩沖塊試驗后狀態(tài)

在安裝硬質緩沖塊的狀態(tài)下，對點P2進行碰撞試驗，對比分析的結果如圖6所示：碰撞點P2處沖擊頭的最大減速度為29.8g，同時3 ms持續(xù)作用的峰值減速度為24.6g。特別的一點是，安裝緩沖塊后撞擊過程延遲30 ms才開始作用。這說明安裝緩沖塊后，P2碰撞點相對于沖擊頭的距離增大，換算后增大了150 mm，這個距離就增加了乘員在車輛發(fā)生碰撞時的安全距離。在試驗中，可以通過調整飛行距離補償沖擊頭的發(fā)射速度，以達到能量的統(tǒng)一。

安裝軟質緩沖塊，對點P2進行碰撞試驗，對比分析的結果如圖6所示。安裝緩沖塊后，內飾件的乘員保護性能得到了很大的提升。具體來說，峰值減速度和3 ms峰值減速度下降了20g左右，下降幅度達到了45%之多，所以安裝緩沖塊后，在碰撞過程中內飾件對于駕駛員的膝部傷害也將大幅度地減小，起到了保護人體的作用。

從圖6還可以看出：在安裝軟質緩沖塊的狀態(tài)下，碰撞點P2處沖擊頭的最大減速度為25.1g，同時3 ms減速度為21.3g，減速度值要比硬質緩沖塊時的小，但是軟緩沖塊的侵入量要比硬緩沖塊的侵入量大。侵入量大容易導致內飾件撕裂，這就要求內飾件有一定的強度。安裝軟緩沖塊降低了內飾件對乘員作用的減速度，同時增加了內飾件的抗撕裂性。

圖6 點P2處3次試驗曲線

3 內飾件安全性能優(yōu)化

膝蓋與內飾件的碰撞模擬試驗，試驗后撞擊部位不得有危及乘員或導致乘員嚴重傷害的危險物飛濺出來?；谶@個目標，通過分析碰撞試驗中的加速度變化，研究整個碰撞變形吸能過程后得出以下幾點優(yōu)化方案：

(1)改進內飾件的材料，降低脆性，提高韌性，力求內飾件在碰撞試驗中是潰縮式吸能而非破裂式吸能。

(2)增加蓋板，或者在內飾件后部加裝檔條，以實現(xiàn)二次碰撞，增加峰值數(shù)目，使得吸能過程劇烈程度減小。例如在膝部接觸點后面連接焊接沖壓金屬支架，在沖擊過程中，達到其彎曲屈服點的時候實現(xiàn)二次吸能峰值。

(3)在內飾件后部加裝硬度合適的緩沖塊，以減緩沖擊峰值。這個吸能塊的形狀可進一步設計以達到更好的吸能效果。

4 結論

通過此次膝蓋沖擊內飾件的模擬沖擊試驗，找到了一種減小內飾件在二次碰撞中對人體膝蓋傷害的方法，并且提出了乘用車內飾件吸能性能改進方案。不足之處是，此試驗中緩沖塊的硬度值跟吸能效果的關系還未確定，這需要后續(xù)進行更多的對比試驗才能實現(xiàn)。最好是能找到一種可擬合的線性或者非線性關系，為零部件廠家汽車內飾研發(fā)提供參考。

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Experimental Study on the Strength of Automotive Interior Panel Based on Knee Model

LI Ceyuan, LIN Deqiang,TANG Huiyao

(China Automotive Technology & Research Center，Ningbo Zhejiang 315336,China)

Automotive interior trim panel is part of automotive passive safety in direct contact with the occupant, its performance has a direct impact on the automotive occupant protection. Impact test between knee and the automotive interior trim panel was made. According to the test results, the factors affecting interior trim performance to occupant knee protection were analyzed, and relevant improved program was present.

Automotive interior trim panel; Knee model; Impact test

2016-11-17

李策園(1987—)，男，碩士，研究方向為汽車被動安全等。E-mail：1002856086@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.004

U467.3

B

1674-1986(2017)03-014-04