DAB開(kāi)發(fā)和檢驗(yàn)中線性沖擊試驗(yàn)應(yīng)用研究

商恩義，李月明，侯福震

(浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司浙江省汽車(chē)安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

0 引言

當(dāng)前，在汽車(chē)被動(dòng)研究領(lǐng)域，線性沖擊試驗(yàn)僅僅在進(jìn)行安全氣囊仿真分析時(shí)，作為安全氣囊對(duì)標(biāo)試驗(yàn)進(jìn)行，即當(dāng)仿真中安全氣囊建模后，通過(guò)線性沖擊試驗(yàn)調(diào)整模型輸入?yún)?shù)[1]。

事實(shí)上，線性沖擊試驗(yàn)可以基于安全氣囊對(duì)頭部x向的吸能作用，在DAB等安全氣囊開(kāi)發(fā)和檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)揮其更大作用。

1 安全氣囊對(duì)假人頭部x向吸能性研究

1.1 假人頭部x向安全氣囊吸能分析

為了便于分析假人頭部所受作用力及產(chǎn)生的加速度，規(guī)定頭部受力和加速度：x向?yàn)榍昂蠓较?，向前為正；y向?yàn)樽笥曳较?，向右為正；z向?yàn)樯舷路较颍蛳聻檎?。?duì)于頸部受力，規(guī)定：軸向?yàn)閦向(張力)，拉伸為正，壓縮為負(fù)；橫向?yàn)閤向(剪切力)，頭向后、胸向前為正。加速度單位用m/s2表示，力的單位用N表示[2]。另外，50%假人頭部質(zhì)量取4.54 kg[3]。

在正面碰撞試驗(yàn)中，當(dāng)配有安全氣囊且安全氣囊無(wú)觸底時(shí)，假人頭部在整個(gè)碰撞過(guò)程中通常只會(huì)受到頸部的阻止作用和安全氣囊的約束作用。將頸部對(duì)頭部的阻止作用力稱(chēng)為內(nèi)力，安全氣囊的約束作用力統(tǒng)稱(chēng)為外力，又碰撞中假人頭部加速度存在，則假人頭部受力存在外力、內(nèi)力和慣性力，分析中可運(yùn)用達(dá)朗貝爾原理[4-5]。

分析假人頭部x方向受力情況：用Fhx、Fx分別表示假人頭部x向所受外力(安全氣囊作用力)、內(nèi)力(頸部剪切力)，用ax、ahx分別表示假人頭部x向加速度和外力作用(安全氣囊作用)下的加速度，則有：

Fhx+Fx+(-4.54ax)=0

(1)

轉(zhuǎn)換有：

Fhx=4.54ax-Fx

(2)

在公式(2)兩端分別除以4.54，有：

ahx=ax-0.22Fx

(3)

ax和Fx在試驗(yàn)過(guò)程中可采集得到。因此，依據(jù)公式(3)，可計(jì)算出試驗(yàn)過(guò)程中假人頭部x向安全氣囊作用產(chǎn)生的加速度。

假人頭部質(zhì)量已知，安全氣囊作用下假人頭部x向加速度可求，并進(jìn)而可積分出速度，則依據(jù)動(dòng)能公式，碰撞過(guò)程中安全氣囊從假人頭部x向吸收的動(dòng)能可求。

1.2 試驗(yàn)方案

某車(chē)型在進(jìn)行50 km/h正面碰撞試驗(yàn)后，采集到駕駛員側(cè)假人頭部x向加速度曲線如圖1，頸部剪切力曲線如圖2，依據(jù)公式(3)求得安全氣囊作用加速度曲線如圖3。

圖2中，頸部剪切力整個(gè)碰撞過(guò)程中基本全程為負(fù)值，在安全氣囊作用階段最大負(fù)向幅值為327 N。在中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)中指定頸部負(fù)向剪切力的高性能限值為1.9 kN，低性能限值為3.1 kN，此次試驗(yàn)中假人頸部剪切力僅僅為高性能限值的17%，表明頸部對(duì)頭部x向的影響不大。

圖3中，安全氣囊作用下的加速度曲線與頭部加速度曲線及頸部作用下的加速度曲線相比較，頭部加速度主要由安全氣囊作用產(chǎn)生。

安全氣囊作用下加速度曲線很好地反映了安全氣囊作用過(guò)程：約t=22 ms時(shí)，曲線發(fā)生波動(dòng)，即安全氣囊罩蓋打開(kāi)，安全氣囊展開(kāi)過(guò)程產(chǎn)生的氣流對(duì)假人頭部帶來(lái)沖擊波動(dòng)；約t=44 ms時(shí)，曲線開(kāi)始正式下行，此時(shí)頭部與安全氣囊開(kāi)始接觸，頭部在安全氣囊作用下開(kāi)始減速；約t=68 ms時(shí)，曲線下行幅值達(dá)到最大，為49g，此后，隨著安全氣囊的快速泄荷，碰撞強(qiáng)度開(kāi)始降低；在約t=108 ms時(shí)，曲線歸零，氣囊約束過(guò)程結(jié)束。

圖1中，t=108 ms后假人頭部x向加速度并不為零，即安全氣囊約束過(guò)程結(jié)束，并不是頭部運(yùn)動(dòng)結(jié)束，此后，假人頭部x向?qū)l(fā)生回彈運(yùn)動(dòng)，但該回彈力是頸部提供的，是隨著身體的回彈、頸部對(duì)頭部產(chǎn)生回拉作用。

碰撞過(guò)程中假人頭部加速度曲線反映了整個(gè)頭部受到各方合力的減速過(guò)程，頭部在安全氣囊作用下的加速度曲線則僅僅反映了安全氣囊作用下的減速過(guò)程，始于零，終于零，所圍面積為安全氣囊對(duì)頭部x向的降速，通過(guò)動(dòng)能公式進(jìn)而可以計(jì)算出安全氣囊對(duì)假人頭部x向所吸收的能量。

將圖3中安全氣囊作用下的頭部x向加速度曲線取反積分成速度曲線如圖4。

圖3 假人頭部x向外力作用加速度曲線

圖4 假人頭部x向外力作用速度曲線

圖4中，速度曲線的最大幅值為15.4 m/s，則分析案例中安全氣囊相當(dāng)于將頭部x向由15.4 m/s的速度通過(guò)吸能降為零，安全氣囊在假人頭部x向所吸收的動(dòng)能為538 J。

2 線性沖擊試驗(yàn)介紹

當(dāng)前，有一套氣動(dòng)式線性沖擊試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)時(shí)，高壓氣源向氣缸充氣，將活塞桿推出，通過(guò)活塞桿將沖擊頭推出并達(dá)到一定速度。沖擊頭通過(guò)滑塊滑軌導(dǎo)向，為了減小導(dǎo)軌摩擦影響，導(dǎo)軌采用單軌，滑塊采用滾動(dòng)軸承。沖擊頭前端為直徑150 mm的球形，質(zhì)量為7.3 kg。

基于當(dāng)前試驗(yàn)條件對(duì)線性沖擊試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行探討。

以23 km/h的速度進(jìn)行一次DAB線性沖擊試驗(yàn)，實(shí)測(cè)速度為22.7 km/h。試驗(yàn)中，沖擊頭與安全氣囊接觸的錄像截圖如圖5，碰撞即將結(jié)束時(shí)刻的錄像截圖如圖6。

圖5 沖擊頭與安全氣囊接觸截圖

圖6 碰撞即將結(jié)束時(shí)刻截圖

圖5中，沖擊頭與安全氣囊接觸前已經(jīng)完全脫離活塞桿推動(dòng)作用，確保碰撞過(guò)程中只受安全氣囊約束作用。另外，為保證沖擊直線性，在碰撞后還留有一段導(dǎo)軌。

圖6中，碰撞結(jié)束后，沖擊頭直接下落，無(wú)反彈現(xiàn)象。

處理沖擊頭加速度曲線于圖7中；以22.7 km/h為初始速度處理沖擊頭速度曲線于圖8中。

圖7 沖擊試驗(yàn)中加速度曲線

圖8 沖擊試驗(yàn)速度曲線

圖7中，頭部加速度曲線在碰撞初期的減速過(guò)程中波動(dòng)明顯，初步分析應(yīng)為沖擊頭受導(dǎo)軌約束產(chǎn)生。當(dāng)碰撞進(jìn)程過(guò)半后曲線已相對(duì)比較光滑，此時(shí)恰恰是沖擊頭已脫離滑軌，處于完全自由狀態(tài)。

圖8中，沖擊頭的速度曲線并未完全歸零，約有0.2 m/s的偏差，鑒于當(dāng)前測(cè)速儀測(cè)量公差僅僅為±0.05 m/s，可排除測(cè)量誤差所至，因此，速度衰減進(jìn)一步確認(rèn)碰撞過(guò)程中滑軌有摩擦吸能作用。

綜合分析圖7和圖8，圖7中加速度曲線始于零、終于零，成對(duì)稱(chēng)三角形，與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中安全氣囊作用下頭部加速度曲線具有較好的相似性；圖8中，速度曲線雖然未歸零，但偏差也只有0.2 m/s，僅為3%，是完全可以接受的。

綜上，從吸收能量等效角度出發(fā)，用沖擊試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)實(shí)車(chē)或臺(tái)車(chē)碰撞過(guò)程中安全氣囊對(duì)頭部的吸能作用是可行的，如果用帶有橡膠表皮，且質(zhì)量為4.54 kg頭型作沖擊頭來(lái)做沖擊試驗(yàn)，可以更直接復(fù)現(xiàn)安全氣囊作用下的加速度曲線，只是曲線光滑度會(huì)有偏差。當(dāng)然，如果條件允許，用行人保護(hù)設(shè)備進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)則更好。行人保護(hù)試驗(yàn)用頭型為標(biāo)準(zhǔn)頭型，且為拋射，碰撞過(guò)程中無(wú)其他干擾，因此，復(fù)現(xiàn)安全氣囊作用下的加速度曲線應(yīng)更理想，只是成本相對(duì)太高。

3 DAB開(kāi)發(fā)過(guò)程中線性沖擊試驗(yàn)應(yīng)用討論

當(dāng)前，DAB開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常要做大量臺(tái)車(chē)試驗(yàn)，用來(lái)調(diào)整氣袋大小、拉帶長(zhǎng)度及布置方式、排氣孔大小及位置、氣囊起爆時(shí)間等[6]。每次臺(tái)車(chē)的試驗(yàn)成本約為4萬(wàn)，每個(gè)車(chē)型的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)費(fèi)用都將需要上百萬(wàn)元。另外，臺(tái)車(chē)試驗(yàn)的試驗(yàn)周期相對(duì)也長(zhǎng)，要一天左右。

事實(shí)上，DAB開(kāi)發(fā)初期的大量臺(tái)車(chē)試驗(yàn)可通過(guò)線性沖擊試驗(yàn)進(jìn)行。

在中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)中，對(duì)頭部的評(píng)價(jià)高性能限值為HIC等于650，即當(dāng)HIC值小于等于650時(shí)為滿分[7]。另外，對(duì)已開(kāi)發(fā)的十余款車(chē)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)假人頭部HIC為450左右時(shí)，安全氣囊作用下假人頭部加速度幅值通常為55g左右，且整個(gè)過(guò)程相對(duì)光滑；速度通常為16 m/s左右。因此，DAB開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)時(shí)，可以以16 m/s作為基準(zhǔn)速度，即初始速度；以幅值為55g左右，且氣囊作用階段無(wú)掃臉?lè)寮?、后期無(wú)觸底尖峰，整個(gè)過(guò)程相對(duì)飽滿、光滑的加速度曲線作為目標(biāo)曲線。通過(guò)安全氣囊拉帶等調(diào)整，當(dāng)以基準(zhǔn)速度進(jìn)行的線性沖擊試驗(yàn)中，安全氣囊作用下的加速度曲線達(dá)到或接近目標(biāo)曲線時(shí)，再進(jìn)行后續(xù)工作。

在約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期通常要進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)，提取開(kāi)發(fā)所需車(chē)身等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，通常裝配相近車(chē)型或通過(guò)仿真等方法初選約束系統(tǒng)進(jìn)行摸底，后續(xù)開(kāi)發(fā)時(shí)，以摸底配置的安全氣囊為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)前，可以以基準(zhǔn)速度為初始速度對(duì)初選安全氣囊進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后，通過(guò)目標(biāo)曲線評(píng)價(jià)其可行性。當(dāng)初選安全氣囊可行時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)車(chē)基礎(chǔ)試驗(yàn)；當(dāng)初選方案不理想時(shí)，優(yōu)化后再進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)?；A(chǔ)試驗(yàn)后，將試驗(yàn)中安全氣囊作用下頭部x向加速度曲線積分成速度，以該速度作為初始速度再進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)，并以該試驗(yàn)下的沖擊頭加速度曲線作為基礎(chǔ)，結(jié)合仿真分析對(duì)安全氣囊再次進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果理想后通過(guò)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。臺(tái)車(chē)試驗(yàn)通過(guò)后，再進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)通過(guò)后，將驗(yàn)證試驗(yàn)中DAB作用下假人頭部x向加速度曲線作為“標(biāo)準(zhǔn)曲線”。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行積分，將所得到的速度定為“標(biāo)準(zhǔn)速度”。

利用線性沖擊試驗(yàn)進(jìn)行研發(fā)，減少了大量臺(tái)車(chē)試驗(yàn)；同時(shí)，仿真試驗(yàn)中的線性沖擊試驗(yàn)結(jié)合安全氣囊作用下頭部x向加速度曲線進(jìn)行，線性沖擊試驗(yàn)的有效性也得到提高。

另外，95%假人的頭部質(zhì)量為4.94 kg，5%假人的頭部質(zhì)量為3.73 kg。為了確認(rèn)最終定型的安全氣囊對(duì)95%和5%假人頭部的保護(hù)作用，還可以做4.94和3.73 kg兩個(gè)沖擊頭[9-10]。分別用4.94和3.73 kg沖擊頭，以標(biāo)準(zhǔn)速度為初速進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后，通過(guò)各自加速度曲線，來(lái)評(píng)價(jià)當(dāng)前DAB對(duì)不同假人的保護(hù)效果。

4 DAB檢驗(yàn)過(guò)程中線性沖擊試驗(yàn)應(yīng)用討論

當(dāng)前，DAB在產(chǎn)品檢驗(yàn)過(guò)程中，通常要做大量靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)[10]，即在靜止?fàn)顟B(tài)下引爆安全氣囊，來(lái)檢查DAB是否在設(shè)計(jì)指定的點(diǎn)火電流下正常起爆；展開(kāi)方式、展開(kāi)及充滿時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。同時(shí)，展開(kāi)過(guò)程中要求：氣袋不能從總成中飛脫(例如，經(jīng)過(guò)灼燒)，氣袋表面不允許有撕裂或燒穿，拉帶無(wú)破裂；氣袋縫合線(不含設(shè)計(jì)中需要撕開(kāi)的縫合線)必須保持完好，不允許有撕開(kāi)現(xiàn)象；氣囊罩應(yīng)按設(shè)計(jì)指定的撕裂線打開(kāi)，且無(wú)散裂；除了泡沫外,沒(méi)有可能造成傷害的飛出物產(chǎn)生；泄氣孔及氣囊表面無(wú)火星噴出；氣體發(fā)生器、固定孔板和固定環(huán)未開(kāi)裂和明顯變形等。另外，對(duì)于氣體發(fā)生器要進(jìn)行大量壓力容器試驗(yàn)，即在指定容積的容器內(nèi)引爆氣體發(fā)生器，采集p-t曲線，與產(chǎn)品定型后確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)范圍相比，確認(rèn)試驗(yàn)樣件的壓力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

事實(shí)上，當(dāng)前的檢驗(yàn)方法缺少對(duì)DAB整體安全性能的直接檢驗(yàn)。分體檢驗(yàn)，且靜態(tài)展開(kāi)過(guò)程中缺少撞擊條件，無(wú)法檢驗(yàn)受撞后的保護(hù)特性，如排氣孔的泄荷功能等。

通過(guò)線性沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)DAB。以標(biāo)準(zhǔn)速度作為初始速度，對(duì)待檢驗(yàn)DAB進(jìn)行線性沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后，在完成靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)所有檢查項(xiàng)的基礎(chǔ)上，將采集到的加速度曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，檢查兩條加速度曲線的一致性。當(dāng)加速度曲線在標(biāo)準(zhǔn)曲線的公差范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)定DAB試驗(yàn)樣件的保護(hù)功能正常，整個(gè)產(chǎn)品合格。

利用線性沖擊試驗(yàn)，不但可以執(zhí)行靜態(tài)展開(kāi)的所有檢查項(xiàng)，通過(guò)判斷加速度曲線的一致性也檢驗(yàn)了氣體發(fā)生器的壓力特性。另外，最主要是檢驗(yàn)了DAB的保護(hù)功能，而保證DAB保護(hù)功能的一致性恰恰是檢驗(yàn)的最終目的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程中安全氣囊x向所吸收碰撞能量和線性沖擊試驗(yàn)中沖擊頭吸能間關(guān)系的研究，最終得出如下結(jié)論：線性沖擊試驗(yàn)中，安全氣囊對(duì)沖擊頭吸能過(guò)程能夠很好反映碰撞中安全氣囊對(duì)頭部的保護(hù)作用。在基礎(chǔ)碰撞試驗(yàn)前，可以通過(guò)線性沖擊試驗(yàn)確認(rèn)及優(yōu)化駕駛員側(cè)安全氣囊(DAB)；在DAB正式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，線性沖擊試驗(yàn)可以取代大量臺(tái)車(chē)試驗(yàn)檢驗(yàn)DAB的保護(hù)性能。同時(shí)，也指出，在DAB檢驗(yàn)過(guò)程中，線性沖擊試驗(yàn)可以取代靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)和壓力容器試驗(yàn)，在涵蓋兩種試驗(yàn)的檢查項(xiàng)的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)DAB保護(hù)性能的檢測(cè)。