某車型正面碰撞乘員頸部保護性能提升

黃強 李三紅 李潤晗 李建功 馮杰

摘? 要：某車型在正碰開發(fā)試驗過程中，駕駛員頸部傷害值不滿足正面碰撞的乘員保護法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機理、假人運動情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，得出造成頸部傷害的因素主要是安全帶對假人軀干的約束效果差，正面氣囊剛度偏大。通過取消安全帶限力裝置，調(diào)整正面氣囊的剛度，最終實車試驗驗證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：正面碰撞;頸部;安全帶

中圖分類號：U467.1+4? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0040-05

前言

乘用車正面碰撞的乘員保護法規(guī)GB11551于2014年9月改版發(fā)布，2015年1月開始實施，新版法規(guī)主要增加了頭部3ms合成加速度、頸部NIC傷害指標(biāo)、頸部伸張彎矩和胸部粘性指標(biāo)等新要求[1]，更加完整地考核正碰中前排假人的傷害情況，對車輛的正碰乘員保護性能提出了更高的要求。

某車型開發(fā)初期按中國法規(guī)GB11551進行正面碰撞摸底試驗，發(fā)現(xiàn)駕駛員假人頸部傷害值不滿足法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機理、假人運動情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，找出造成頸部傷害值超標(biāo)的原因主要是安全帶對假人軀干的約束性能差，導(dǎo)致軀干向前位移量較大，同時正面氣囊剛度偏大。針對上述原因，結(jié)合車型開發(fā)的實際情況，通過取消安全帶限力軸和降低正面氣囊的剛度，經(jīng)過實車試驗驗證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。

1? ? 問題描述

某車型為小型SUV車型，前排安全帶有預(yù)緊限力和限力共2種配置，正面氣囊僅根據(jù)預(yù)緊限力安全帶進行仿真優(yōu)化和滑臺試驗優(yōu)化。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗及受試驗資源限制，限力安全帶僅進行了仿真優(yōu)化，摸底試驗頸部伸張彎矩Myi達到60Nm，超過法規(guī)允許的最大值57Nm，不滿足法規(guī)要求。通過試驗采集并計算后的頸部伸張彎矩曲線見圖1，詳細的假人傷害值見表1：

2? ? 原因分析

2.1? ?頸部伸張彎矩傷害機理說明

按法規(guī)及假人傳感器方向文件說明[2]，頸部伸張彎矩考核取負向值，即考核頸部向后伸張產(chǎn)生的彎矩，頸部向后伸張由軀干相對頸部向前運動或頭部相對頸部向后運動產(chǎn)生，見圖2示意。

根據(jù)頸部伸張彎矩產(chǎn)生機理，分別從軀干向前運動和頭部向后運動的情況分析原因。

2.2? ?軀干向前運動分析

軀干向前位移量主要受到車身吸能性能、假人布置和安全帶束縛性能等影響，以下分析摸底試驗上述三個因素的試驗情況。軀干位移量以胸部位移量為代表。

2.2.1 車身吸能性能

車身吸能性能主要通過B柱峰值加速度、碰撞持續(xù)時間、前艙吸能變形空間和乘員載荷指標(biāo)OLC[3]等評估。乘員載荷指標(biāo)OLC為碰撞安全專業(yè)常用的指標(biāo)，能夠較全面地評估車身吸能情況，并評估安全帶和氣囊匹配的難度。OLC越大，說明車身吸能性能越差，車內(nèi)乘員受到的沖擊越大，越不利于安全帶和氣囊匹配以得到較優(yōu)的假人傷害值。見表2，該車前端吸能空間有限，OLC達到32g，遠大于一般車型的28g。

為便于描述說明，本文所研究車型代號為A，其他參考車型代號分別B、C、D和E。

2.2.2 假人布置

見表3，在人機布置中，轎車前排乘員軀干角通常為25°，SUV通常為22°。因為SUV假人軀干角小，導(dǎo)致SUV正碰試驗中假人軀干向前運動比轎車會更早，假人胸部位移量會偏大。從表3數(shù)據(jù)可以看出SUV胸部到方向盤中心的距離比轎車小30mm左右，以上均導(dǎo)致SUV假人頭部與氣囊接觸更早。

2.2.3 安全帶束縛性能

本文所提車型均為限力式安全帶，即安全帶在受到向前運動假人的一定作用力后，會釋放出一段距離的織帶，從而減輕織帶對人體胸部的壓迫[4]。從圖3看出，車型A肩帶力開始增大時刻早于車型B，與2.2.2分析的假人軀干角小，假人開始往前運動時刻早的趨勢一致。

從曲線看，車型A的安全帶功能和性能正常。

2.2.4 座椅防下潛性能

經(jīng)檢查座椅防下潛梁位置，符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范;從試驗后防下潛梁變形情況看，防下潛梁強度符合要求。

2.2.5 胸部位移量

通過合成假人胸部X、Y和Z共三個方向的加速度，并通過積分和換算等方法，得到胸部合成方向的絕對位移量曲線，用同樣的方法得到車體合成方向的絕對位移量曲線，然后胸部合成方向的位移量曲線減去車體曲線，最終近似得到假人胸部相對車體向前的位移量。

從圖4可以看出，車型A的胸部最大位移量達到313mm，車型B只有249mm，相差64mm，車型A的胸部位移量偏大，代表軀干位移量偏大。

2.3? ?頭部向前運動分析

頭部向前位移量，主要受到正面氣囊保護性能、安全帶束縛性能和轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能影響。2.2已分析了安全帶束縛性能，本節(jié)分析摸底試驗中另外兩個因素的試驗情況。

2.3.1 正面氣囊保護性能

從試驗錄像及頭部加速度曲線看，正面氣囊展開正常，頭部無擊穿氣袋的現(xiàn)象。

受2.2.2假人布置的影響，車型A假人頭部與氣囊接觸時刻早于車型B接近6ms，車型A的氣囊與車型B為共用產(chǎn)品，氣體發(fā)生器、氣袋和排氣孔尺寸等均相同。頭部與氣囊接觸時刻過早，同樣的氣囊就會表現(xiàn)為偏硬，一定程度上使假人頭部往前位移量減小，引起頸部拉伸后仰的傷害[5]。

2.3.2 轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能

從試驗后拆解轉(zhuǎn)向管柱試驗樣件看，試驗過程中轉(zhuǎn)向管柱潰縮功能未實現(xiàn)，影響假人頭部向前位移量，不利于頸部伸張彎矩。

2.3.3 頭部位移量

參考2.2.5胸部位移量的計算方法，計算得到圖5頭部相對車體的向前位移量。從圖5看出兩車的頭部位移量相當(dāng)。

2.4? ?分析小結(jié)

通過上述分析，頸部伸張彎矩（向后）過大的主要因素的頭部相對胸部向前位移量小，與假人胸部向前位移量過大直接相關(guān)。

3? ? 解決方案

針對上述原因分析，解決頸部伸張彎矩過大需要增大頭部相對胸部向前位移量，可以通過增大頭部向前位移量或減小胸部向前位移量實現(xiàn)。

3.1? ?增大頭部位移量

基于開發(fā)實際情況，增大正面氣囊排氣孔尺寸為比較可行的方案，一定程度上降低氣囊的剛度，能夠適當(dāng)增大頭部位移量，但需注意防止頭部擊穿氣袋。摸底試驗的氣囊設(shè)計2個排氣孔，每個排氣孔尺寸均為φ30mm，推薦排氣孔尺寸增大到φ35mm和φ40mm，并通過仿真進行評估。

由于轉(zhuǎn)向管柱為平臺沿用產(chǎn)品，考慮相關(guān)因素，不進行更改。

3.2? ?減小胸部位移量

基于該車型開發(fā)的客觀因素，減小胸部位移量最有效和最直接的方法就是增強安全帶的束縛性能。摸底試驗的安全帶限力軸規(guī)格為4KN?；谠撥囆偷拈_發(fā)目標(biāo)為滿足法規(guī)，結(jié)合假人其他部位傷害值情況，可以增大限力軸規(guī)格或取消限力軸，并通過仿真評估方案可行性。

3.3? ?方案說明

根據(jù)3.1和3.2的分析，制定以下方案并仿真計算，安全帶限力軸分別是4KN、5KN和無限力軸，氣囊排氣孔分別是φ30mm、φ35mm和φ40mm，共有9個組合，結(jié)果見表6。

通過表6仿真1的結(jié)果與摸底試驗對比，可以看出仿真的精度欠佳，受車型開發(fā)的客觀因素和開發(fā)周期限制，短期內(nèi)無法通過對標(biāo)等手段提高仿真精度。從頭部傷害值看，氣囊排氣孔越大，頭部傷害值越小，但是基于圖6，需防止實車試驗排氣孔增大后頭部擊穿氣袋，最終確定排氣孔增大到φ35mm為氣囊的改進方案。

表6 改進方案仿真計算結(jié)果

基于該供應(yīng)商安全帶在幾款車的束縛性能情況，結(jié)合摸底試驗胸部壓縮量處于較理想的水平，且從技術(shù)降成本角度考慮，最終確定取消限力軸為安全帶的改進方案，能夠最大程度減小假人胸部位移量，并有利于防止頭部擊穿氣袋。

4? ? 方案驗證

根據(jù)第3.3節(jié)確定的安全帶和氣囊改進方案，按GB11551完成實車碰撞試驗，頸部伸張彎矩由60Nm降低到22Nm，通過試驗采集并計算后的頸部伸張彎矩曲線見圖7，曲線A+為改進試驗的曲線。其他部位傷害值有增大，但仍處于理想水平范圍內(nèi)，詳見表7。試驗驗證上述改進方案有效，且獲得了一定的降成本收益。

從圖8可以看出，取消安全帶限力軸后，胸部

向前位移量減小了40mm左右，且提前5ms達到最大位移量，間接減小了頸部伸張彎矩。曲線A+為改進試驗的曲線。

從圖9可以看出，取消安全帶限力軸和增大氣囊排氣孔后，假人頭頸部相對軀干有明顯的向前彎曲伸張，從而減小了向后伸張的傷害值。

5? ? 總結(jié)

摸底試驗通過仿真及已量產(chǎn)的幾款車型參數(shù)確定安全帶限力軸規(guī)格，未更加深入了解車型之間的車身吸能性能、假人布置等差異，同時仿真分析精度低，仿真對后續(xù)試驗風(fēng)險評估支撐力度不足。

后續(xù)新車型開發(fā)需全面考慮各種影響因素，需通過對標(biāo)等手段提高仿真分析的精度。

本文介紹了頸部伸張彎矩的傷害機理，分析了頸部傷害的相關(guān)影響因素，并采取有效對策，通過試驗驗證降低了頸部傷害值，為后續(xù)車型開發(fā)提供了一定的參考。

參考文獻：

[1]GB11551-2014《乘用車正面碰撞的乘員保護》.

[2]SAE-J-1733-2007 Sign Convention for Vehicle Crash Testing， SAE International， 2007.11.

[3]劉玉濤，吳淼等，TRW正面碰撞波形評價方法及其應(yīng)用，2012年中國汽車安全技術(shù)國際研討會.

[4]鐘志華，張維剛等，汽車碰撞安全技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2003.7.

[5]邱少波.汽車碰撞安全工程，北京理工大學(xué)出版社，2016.1.