汽車安全帶預(yù)緊限力系統(tǒng)對前排乘員的保護(hù)性研究

葛如海，肖建中，張?zhí)K秀

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214121)

隨著近年來汽車保有量的增加，交通事故導(dǎo)致的人員傷亡數(shù)目不斷增加。我國2016 年最新的傷亡數(shù)據(jù)顯示，全年交通事故導(dǎo)致的傷亡數(shù)量為大約22萬人[1]。安全帶作為汽車碰撞時最重要的保護(hù)裝備，也是配合安全氣囊使用最有效的裝置[2]。根據(jù)交通部事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：即使在乘用車處于低速行駛時，不配帶安全帶也會發(fā)生乘員死亡；而在佩戴三點(diǎn)式安全帶的情況下，95 km/h以下的車速卻未出現(xiàn)乘員死亡[3]。目前一些零部件廠開發(fā)卷收器、鎖扣以及錨點(diǎn)預(yù)緊限力裝置，在事故發(fā)生之前，通過車輛傳感器向ECU發(fā)送信號，ECU判斷后再向它們傳達(dá)提前預(yù)緊的信號，從而結(jié)合了被動安全技術(shù)和主動安全技術(shù)來改善對乘員的保護(hù)效果。主、被動安全技術(shù)結(jié)合可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，這也成為未來汽車安全主要的發(fā)展趨勢[4]。

文獻(xiàn)[5]利用移動積分窗算法開發(fā)了一種基于制動加速度信號控制的主動式安全帶預(yù)緊裝置。文獻(xiàn)[6]通過仿真手段，采用優(yōu)化預(yù)緊式安全帶各關(guān)鍵參數(shù)的方法，達(dá)到了提高預(yù)緊式安全帶整體防護(hù)效率的目的。文獻(xiàn)[7]針對預(yù)緊安全帶中的齒輪齒條式和滾球式預(yù)緊結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析及對比。文獻(xiàn)[8]針對駕駛員側(cè)安全帶不同預(yù)緊方式的保護(hù)效果進(jìn)行研究。這些文獻(xiàn)主要是對特定的位置以及對駕駛員側(cè)開展研究。采用各種組合的預(yù)緊限力方式可以全方位地考慮對乘員的保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)更好的效果。同時，前排乘員有著比駕駛員更大的危險，這主要是因?yàn)樗麄冊谑鹿室庾R和反應(yīng)上都沒有一直處在戒備狀態(tài)，因此本文主要對前排乘員在不同預(yù)緊限力裝置下通過正面碰撞仿真研究其6種安全帶預(yù)緊限力組合時各種傷害情況，最后采用WIC綜合評價得出最優(yōu)的組合。

1 前排乘員正面碰撞仿真模型的建立及驗(yàn)證

1.1 前排乘員正面碰撞約束系統(tǒng)模型的建立

本文為了讓結(jié)果更加符合實(shí)際情況，采用實(shí)車上的數(shù)據(jù)建立仿真模型，同時刪去一些不必要的實(shí)車模型，減少運(yùn)算中的時間消耗。如圖1所示，模型主要包括局部車內(nèi)環(huán)境模型、安全帶模型、HybridⅢ男性第50百分位橢球假人模型等，同時完成對假人與各部件的接觸和各部件特性的定義[9]。

安全帶模型采用三點(diǎn)式混合式安全帶模型，與假人接觸部分使用有限元模型，以此模擬假人與織帶之間的相對滑動、嵌入效應(yīng)，同時可以保證假人身體不會下潛和滑脫[10]，從而保證結(jié)果的精度。其他部分都是采用多剛體模型來提高計算速度。

本文研究的是在卷收器、鎖扣和錨點(diǎn)上面增加預(yù)緊及限力裝置，因此參照一些實(shí)車上卷收器、鎖扣、錨點(diǎn)的角度和位置，同時依照它們織帶的方向設(shè)定預(yù)緊和限力大致方向，然后通過CATIA軟件建立相關(guān)的模型，再將模型導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將其節(jié)點(diǎn)信息和單元信息導(dǎo)入到MADYMO軟件中進(jìn)行最后仿真分析[11]。

圖1 正面碰撞前排乘員約束系統(tǒng)仿真模型

1.2 前排乘員正面碰撞試驗(yàn)

根據(jù)目前一直采用的2015年版C-NCAP規(guī)定，采用碰撞速度為50 km/h達(dá)到壁障的路線，在橫向任一方向偏離理論軌跡不得超過150 mm，并且前排乘員位置上放置一個HybridⅢ型第50百分位男性假人，如圖2所示。

圖2 實(shí)車試驗(yàn)

1.3 仿真和實(shí)車傷害數(shù)據(jù)對比

建立正面碰撞前排乘客仿真模型，通過計算前排乘客假人的頭部、胸部、骨盆、安全帶肩腰帶力的傷害響應(yīng)曲線，同實(shí)車試驗(yàn)時的假人各部分傷害響應(yīng)曲線進(jìn)行對比[12]，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯悍抡婧驮囼?yàn)的假人的頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度、胸部壓縮量、安全帶的肩帶力、安全帶的腰帶力的主要曲線特征基本吻合，比如形狀、峰值及時刻、脈寬等。假人的傷害值最能體現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的有效性。表1是關(guān)于假人主要仿真指標(biāo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。由于實(shí)車碰撞時前排乘員的部位移動比較復(fù)雜，規(guī)律不能完全地通過仿真來找到，但對其的各種傷害響應(yīng)誤差都在15%以內(nèi)，這就說明建立的仿真模型可以反映真實(shí)的碰撞情況。

圖3 試驗(yàn)與仿真中的假人傷害響應(yīng)曲線的對比

表1 試驗(yàn)與仿真中假人評價指標(biāo)的對比

2 不同預(yù)緊限力器組合形式對前排乘員保護(hù)效果

對于不同的預(yù)緊限力的裝置，首先定義它們的名稱：無預(yù)緊限力的整個裝置稱為W/O；預(yù)緊限力卷收器稱為Retractor(R)；預(yù)緊限力鎖扣稱為PBP；預(yù)緊限力端片稱為PLP。為了更好地反映現(xiàn)實(shí)的需求，避免不符合實(shí)際的研究而浪費(fèi)時間，主要研究W/O、R、R+PBP、R+PLP、PBP+PLP、R+PBP+PLP這6種組合。卷收器、錨點(diǎn)、端片的預(yù)緊方式都是一樣的，即在碰撞發(fā)生18 ms后，安全帶織帶在5 ms內(nèi)預(yù)緊50 mm。限力值都定在3 500 N后對安全帶進(jìn)行釋放，以減少對前排乘員的傷害。

為了綜合評價前排乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)性能，充分考慮到約束系統(tǒng)整體對不同部位的保護(hù)效果，使用加權(quán)的方法對第50百分位男性假人的綜合傷害值進(jìn)行評價，用WIC表示[13]，以此評價整個約束系統(tǒng)的保護(hù)效果。

式中：HIC36為頭部傷害指標(biāo)值；C3ms為胸部3 ms合成加速度值(g)；Ccomp為胸部壓縮變形量(m)；FL、FR分別為左右大腿骨所受最大軸向力(kN)。

表2為6種裝置在前排乘員正面碰撞時仿真得出的傷害值數(shù)據(jù)。

表2 不同預(yù)緊限力方式對前排乘員的傷害值

2.1 頭部傷害指標(biāo)HIC36

從表2的數(shù)據(jù)可以看出：HIC36的傷害值在前排乘員處在預(yù)緊限力卷收器和預(yù)緊限力鎖扣的狀態(tài)下達(dá)到最小值，為233.91；預(yù)緊限力鎖扣和預(yù)緊限力錨點(diǎn)表現(xiàn)次之，為243.05；而在不存在任何預(yù)緊限力的狀態(tài)下，HIC36的傷害值是最大的，已經(jīng)接近最小值狀態(tài)下的2倍，說明預(yù)緊限力安全帶對前排乘客的重要性。同時可以看出：卷收器和錨點(diǎn)安裝預(yù)緊限力的效果和只有預(yù)緊限力卷收器的效果差不多，不過幾種組合方式中只有預(yù)緊限力卷收器在HIC36傷害值方面有所降低，卷收器和鎖扣的預(yù)緊限力組合降低了24.2%，錨點(diǎn)和鎖扣的預(yù)緊限力組合降低了21.2%,三預(yù)緊限力組合降低了8.2%。綜上所述，預(yù)緊限力卷收器和預(yù)緊限力鎖扣對于前排的乘員頭部的保護(hù)效果最好。

2.2 胸部3 ms合成加速度C3 ms

從表2的數(shù)據(jù)可以看出：在預(yù)緊限力鎖扣和預(yù)緊限力錨點(diǎn)下，前排乘客的C3 ms值最小，為24.21，較卷收器預(yù)緊限力降低了24.3%。而在未裝預(yù)緊限力裝置的情況下，C3 ms達(dá)到最大值，為45.32。其他的幾種組合的值都很接近，相比只安裝卷收器預(yù)緊限力的C3 ms降低了12%左右。由此可以看出：預(yù)緊限力鎖扣和預(yù)緊限力錨點(diǎn)的組合在胸部加速度方面的保護(hù)效果是最好的。

2.3 胸部壓縮量Ccomp

從表2可以看出：相比只裝有卷收器預(yù)緊限力，當(dāng)安裝鎖扣和卷收器預(yù)緊限力、錨點(diǎn)和卷收器預(yù)緊限力、鎖扣和錨點(diǎn)預(yù)緊限力時Ccomp卻有所下降，下降幅度分別為6.7%、3.5%、22.9%。而三預(yù)緊限力的效果相比只安裝卷收器預(yù)緊限力上升了4.5%。由此可見：在錨點(diǎn)和鎖扣出預(yù)緊限力時，前排乘客的胸部壓縮量是最小的，而三預(yù)緊限力卻沒有對胸部壓縮量有所改善。

2.4 左右大腿骨所受最大軸向力FL和FR

通過表2可以看出：左右大腿的軸向力在前排乘員處在預(yù)緊限力鎖扣和預(yù)緊限力錨點(diǎn)時達(dá)到最小的值；預(yù)緊限力卷收器和預(yù)緊限力鎖扣的力值卻在其他幾個裝置中表現(xiàn)得比較好，最接近最小值；而預(yù)緊限力卷收器和預(yù)緊限力錨點(diǎn)和三預(yù)緊限力的效果卻稍遜一些。由此看出：在沒有預(yù)緊限力情況下，在左右大腿的軸向力上存在相對很大的力，當(dāng)在鎖扣和錨點(diǎn)加上預(yù)緊限力后，可以最大程度上降低大腿軸向的力，相對只有卷收器預(yù)緊限力而言，左右大腿上的力分別降低了40.1%、37.1%。

2.5 綜合評價指標(biāo)WIC

為了更好地比較出本文的6組方式對前排乘員的保護(hù)效果，采用WIC值均衡上面5個傷害指標(biāo)。從表2可以看出：預(yù)緊限力鎖扣和預(yù)緊限力錨點(diǎn)的組合可以把WIC值降到最低值——0.279，相比只有一種卷收器預(yù)緊限力要降低22.7%，在前排成員的保護(hù)上效果是最好的；卷收器預(yù)緊限力和鎖扣預(yù)緊限力效果僅次之；不采用預(yù)緊限力的效果是最差的，WIC值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他組合。其他的幾種預(yù)緊限力方式在效果上是差不多的。

3 結(jié)論

本文是在實(shí)車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用MADYMO軟件建立前排乘員正面碰撞模型，對于6種組合方式在乘員保護(hù)的效果上進(jìn)行研究，分析了主要的傷害指標(biāo)，同時綜合所有傷害指標(biāo)提出用WIC值進(jìn)行綜合評價，得出以下的結(jié)論：

1) 前排乘員雖然相比駕駛員的傷害值會小，但一般情況下前排都會是一些相對駕駛員在身體素質(zhì)、意識、體態(tài)等方面比較弱的人來乘坐，所以很有必要通過研究盡量減少碰撞對其的傷害。

2) 通過研究發(fā)現(xiàn)：在鎖扣和錨點(diǎn)處增加預(yù)緊和限力能最有效地減少對前排的乘員的傷害，相比只有卷收器預(yù)緊限力而言WIC值降低了22.7%，同時頭部傷害指標(biāo)HIC36，胸部3 ms合成加速度C3 ms，胸部壓縮量Ccomp，左右大腿骨所受最大軸向力FL、FR分別降低了21.2%、24.3%、22.9%、40.1%、37.1%。

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