正面臺車碰撞試驗標定試驗評價準則研究

商恩義，李月明

(浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州311228)

0 引言

當前，在汽車被動安全約束系統(tǒng)開發(fā)過程中，通常要做大量臺車試驗，用來模擬實車碰撞進行約束系統(tǒng)的優(yōu)化。在正式進行臺車試驗前，首先要進行標定試驗。標定試驗是在臺車白車身中裝配與所要復(fù)現(xiàn)實車相同的安全帶、安全氣囊、座椅等零部件，在碰撞過程中輸入實車碰撞B柱加速度波形，并通過對波形及管柱角度等參數(shù)進行適當調(diào)整，最終確保試驗中假人各傷害與實車結(jié)果接近，之后才可以用臺車試驗替代實車試驗。但作為判斷標定合格的接近程度，當前行業(yè)內(nèi)還沒有具有實際指導(dǎo)意義的準則。

實際工作中，工作人員通常只對假人各部位傷害值及依據(jù)中國新車評價規(guī)程(China New Car Assessment Program，C-NCAP)[1]的評分進行比較，同時，將各對應(yīng)曲線分別進行比對，而后憑借經(jīng)驗對臺車標定結(jié)果進行判斷。因知識底蘊、工作閱歷不同，人與人之間經(jīng)驗差別較大，判定結(jié)果人為因素影響較大。在這種情況下，有必要對標定評價準則進行深入研究。

研究中，規(guī)定假人頭部和胸部加速度方向[2]：前后方向為x向，向前為正；左右方向為y向，向右為正；上下方向為z向，向下為正。對于頸部受力，規(guī)定：軸向為z向(張力)，拉伸為正，壓縮為負；橫向為x向(剪切力)，頭向后，胸向前為正。

1 當前臺車試驗?zāi)芰C述

當前，無論加速臺車還是減速臺車，正面臺車試驗與實車碰撞試驗相比，車身和臺車試驗系統(tǒng)主要存在以下4方面差異：(1)實車碰撞試驗中車身前端發(fā)生嚴重變形，轉(zhuǎn)向管柱、腳踏板等發(fā)生后侵。臺車試驗無此現(xiàn)象。(2)實車碰撞中碰撞點(碰撞核心)高度通常處于該車質(zhì)心之下，造成碰撞后期車尾部伴有上翹(Pitching)。臺車試驗中臺車始終被約束在水平面上，無上翹功能。(3)假人質(zhì)心與碰撞點之間的高度差影響著碰撞中假人前撲強度，臺車試驗中，車身搭建在臺車平臺之上，則假人質(zhì)心相對碰撞點被抬高，且該高度不可調(diào)。(4)實車碰撞中實車一次性使用，而臺車通常要用幾十次，因此，臺車安全帶、座椅等各約束機構(gòu)的安裝點通常都被加固[3]。

上述4方面差異，都將增強碰撞中對假人頭部和胸部的傷害，尤其第(2)點和第(4)點，變相增加了約束，導(dǎo)致安全帶作用增強，對假人而言，增加了胸部傷害，而對臺車而言，往往導(dǎo)致安全帶上導(dǎo)向環(huán)失效或座椅導(dǎo)軌滑脫(帶扣安裝在座椅側(cè)面)。對12個臺車標定結(jié)果進行統(tǒng)計分析，假人頭部和胸部傷害的增幅通常都在15%左右。因此，在制定評價準則時，需要考慮上述影響。

另外，就評價部位而言，臺車試驗受儀表臺等零部件結(jié)構(gòu)通常不完整影響，主要評價部位是假人頭部、頸部和胸部。假人頸部作為頭部和胸部的中間環(huán)節(jié)，其傷害主要是由頭部和胸部發(fā)生相對運動造成，因此，對其評價可以通過對頭部和胸部的評價體現(xiàn)[4]。

綜上，并考慮臺車標定試驗駕駛員側(cè)假人傷害是標定難點，文中研究將針對駕駛員側(cè)假人進行。

2 頭部評價準則探討

臺車試驗與實車試驗相比，在約束系統(tǒng)配置完全一致情況下，假人頭部傷害主要受碰撞中轉(zhuǎn)向管柱角度變化、方向盤變形、吸能管柱潰縮時機和潰縮行程的影響。對于假人頭部，安全氣囊及轉(zhuǎn)向機構(gòu)作用屬于外力，所有影響在頭部外力作用加速度曲線上應(yīng)有所反映。

2.1 假人頭部外力作用加速度的計算

正面碰撞試驗中，當配有安全氣囊且安全氣囊無觸底時，假人頭部在整個碰撞過程中通常只會受到頸部和安全氣囊及轉(zhuǎn)向機構(gòu)的約束作用。將頸部約束作用稱為內(nèi)力，安全氣囊及轉(zhuǎn)向機構(gòu)的約束作用稱為外力。另外，碰撞中假人頭部加速度存在，則假人頭部在碰撞過程中存在外力、內(nèi)力和慣性力。

相關(guān)研究表明，在碰撞過程中，假人頭部傷害主要來自x向[5]。運用達朗貝爾(d’Alembert)原理分析假人頭部x向受力[6-7]。

Fxh+Fx-mhax=0

(1)

則

axh=ax-Fx/mh

(2)

式中：Fxh、Fx分別表示假人頭部x向所受外力、內(nèi)力；ax、axh分別表示假人頭部x向加速度和外力作用加速度；mh表示50%假人頭部質(zhì)量，取mh=4.54 kg。ax和Fx在試驗過程中可采集得到。因此，依據(jù)公式(2)可計算出試驗過程中假人頭部axh。

2.2 假人頭部axh的分析

依據(jù)公式(2)，計算出某次試驗中駕駛員假人頭部axh如圖1所示。圖中：在約70 ms時，axh開始下降；在約80 ms時，axh出現(xiàn)平臺，即假人頭部所受外力支撐作用增強過程中，外力突然放緩導(dǎo)致加速度不再明顯增大；在約87 ms時，axh開始再次增強且持續(xù)至約110 ms；在87～110 ms間，曲線下降的斜率隨著碰撞強度增加并沒有明顯增強，同時，在下降過程中伴有明顯波動。

圖1 某次試驗中外力作用下頭部x向加速度

借助高速攝像分析：在約70 ms時，假人頭部與安全氣囊接觸；在約80 ms時，吸能轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮；在約110 ms時，隨著頭部撞擊速度下降及氣囊泄荷，氣囊作用開始減弱；在87～110 ms之間，轉(zhuǎn)向管柱持續(xù)潰縮，同時，方向盤在胸部撞擊下存在變形情況。

圖1中，axh曲線基本反映了方向管柱潰縮時機、潰縮行程及方向盤變形在碰撞過程中對假人頭部傷害的影響。在臺車標定試驗時，臺車所配約束系統(tǒng)與實車配置一致，因此，axh曲線可作為臺車標定評價準則之一。

2.3 假人頭部axh的應(yīng)用

加速度曲線波動較大，拐點或幅值出現(xiàn)的時間偏差、數(shù)值大小偏差等很難通過統(tǒng)一標準進行評價。如作為臺車試驗輸入條件的B柱加速度曲線，針對其符合性，在《關(guān)于車輛正面碰撞乘員保護認證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECE/R94)[6]中便通過速度進行評價: 在任何點, 由積分獲得的“速度相對于時間的變化”曲線與本附件附錄所規(guī)定的相關(guān)車輛“速度相對于時間變化”的基準曲線相差不超過±1 m/s。因此，對于axh曲線符合性的評價，也可以通過評價其積分后的速度曲線進行。

用vxh表示頭部外力作用下x向速度。以當時實車碰撞速度17.8 m/s為假人頭部x向運動初始速度，將圖1中axh曲線積分成vxh曲線如圖2。圖2中，vxh曲線相對比較光滑，在約70 ms時，開始下降；在約140 ms時，速度歸零，而后反彈，最大反彈速度為0.36 m/s。下降起始時刻反映了安全氣囊的作用時間；下降速度反映了整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)與安全氣囊的共同作用效果，反彈速度反映了氣囊的最后剛度。

圖2 某次試驗中外力作用下頭部x向速度

用a′xh和v′xh分別表示臺車試驗中假人頭部x向外力作用加速度及其積分后速度。當臺車試驗中v′xh與實車試驗中vxh相比較時，結(jié)果差異將能反映出吸能管柱吸能時間的偏差、頭部反彈時安全氣囊的剛度等。因此，臺車標定試驗中，針對假人頭部，可以通過vxh±δ制定評價準則。

3 胸部評價準則探討

正面碰撞試驗中，假人身體各部位的傷害程度及分布與假人運動姿態(tài)密切相關(guān)，而假人或前撲或提臀上翻或下潛或后仰，主要決定于假人胸部受到的安全帶、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、安全氣囊等的約束作用和假人腹部安全帶的約束作用[7-8]，因此，在進行標定結(jié)果評價時，必須考慮安全帶等部件對假人運動的影響。

試驗中，通常用安全帶力傳感器采集假人肩帶力和腰帶力，肩帶力測量位置為上導(dǎo)向環(huán)和肩膀之間，腰帶力測量位置為下導(dǎo)向環(huán)和腹部之間靠近下導(dǎo)向環(huán)側(cè)。某次50 km/h正面碰撞試驗中測得的駕駛員假人肩帶力和腰帶力及其差值曲線如圖3所示，胸部x向和z向加速度如圖4所示。

圖3 駕駛員安全帶肩帶力、腰帶力及差

圖3中，安全帶肩帶力和腰帶力的差值反映了安全帶肩帶和腰帶的作用強弱及其轉(zhuǎn)換關(guān)系。用azc表示實車碰撞中假人胸部z向加速度。圖4中，兩條加速度曲線與安全帶各力及其差值相比，azc與安全帶力差值變化趨勢更有同步性。

3.1 胸部azc曲線的解讀

圖4中，假人胸部azc曲線是假人配置卷收器預(yù)緊加限力安全帶下的典型曲線，基本反映了假人運動的4個階段：A階段，約18～56 ms，卷收器預(yù)緊，安全帶肩帶起主要作用，對假人z向產(chǎn)生向下約束。此階段，azc曲線持續(xù)為正。B階段，約56～80 ms，肩帶作用力上升達到限力值，本來共同作用的肩帶和腰帶，肩帶相對腰帶，其作用力突然停止增長，假人胸部開始加速前撲，安全帶主要作用于假人腹部，上提假人胸部。此過程初始階段，胸部可能因慣性會產(chǎn)生瞬時上沖現(xiàn)象。另外，座椅剛度的影響主要發(fā)生在此階段。此階段，胸部azc曲線將由正向轉(zhuǎn)向負向，個別曲線可能出現(xiàn)正向瞬間加強后再轉(zhuǎn)向。C階段，約80～93 ms，隨著碰撞深入，假人臀部回彈、胸部加速前撲后，肩帶再次成為作用力主體。此階段，azc曲線瞬間加速下降后將由負向轉(zhuǎn)向正向。D階段，約93 ms以后，假人胸部在安全帶、安全氣囊等共同作用下回彈。在B階段和C階段，假人胸部通常與安全氣囊及方向盤緣發(fā)生碰撞、擠壓，是假人胸部受到損傷的主要階段，尤其C階段，當假人臀部回彈時出現(xiàn)提臀上撲現(xiàn)象，往往會加重對胸部壓縮變形傷害。

上述分析表明，假人胸部azc曲線能夠全面反映安全帶、轉(zhuǎn)向機構(gòu)的影響，因此，可以通過將azc曲線積分成速度曲線作為評價臺車標定結(jié)果的另一準則。

3.2 胸部z向速度vzc曲線的應(yīng)用

用vzc表示實車碰撞中假人胸部azc積分后速度。圖4中azc曲線積分成vzc曲線如圖5所示。

圖5 駕駛員假人胸部 z向速度曲線

圖5中，vzc曲線變化復(fù)雜，能夠較好反映假人胸部在各約束系統(tǒng)下的運動變化，同時，曲線又比較光滑，干擾波動少，便于通過指定偏差ε，以vzc±ε制定評價準則。

4 δ和ε的研究

某車型在50 km/h臺車標定試驗時，共進行了6次，經(jīng)過對轉(zhuǎn)向管柱角度、座椅剛度、輸入波形等進行微調(diào)，編號為T006的試驗結(jié)果與實車試驗結(jié)果最為接近，詳細比較如表1所示。

表1 某次標定試驗結(jié)果與實車試驗結(jié)果比較

T006試驗中，頭部HIC36增幅偏大；胸部較好；頸部主要傷害指標伸張彎矩偏低。分析各傷害偏離原因。各采集曲線及處理曲線比較如圖6—圖11所示。

分析假人頭部傷害。圖6中，在86 ms前后，兩條頭部合成加速度曲線達到最大幅值，且幅值基本相等，但過程持續(xù)寬度臺車略寬5 ms。圖7中，頭部x向外力作用加速度曲線，實車試驗中轉(zhuǎn)向管柱潰縮作用明顯，臺車試驗中偏弱。約86 ms后，臺車試驗中安全氣囊及轉(zhuǎn)向機構(gòu)剛度表現(xiàn)偏強，最終造成頭部傷害值偏大。考慮到管柱影響很難完全消除，另外，假人頭部HIC36值，實車試驗中為286，臺車試驗中為342，雖然增幅較大，但增量只有56，因此，就頭部而言，標定結(jié)果可以接受。

分析假人胸部傷害。圖8—圖10中，約80 ms之前，兩個試驗中假人胸部加速度曲線和變形量曲線吻合均較好，但之后，臺車試驗中假人曲線反應(yīng)明顯加劇。胸部z向加速度曲線表明80 ms后假人處于運動的C階段，此后反應(yīng)急劇表明假人前撲速度更快、碰撞強度更大，結(jié)果造成胸部與安全氣囊的擠壓強度增大，胸部變形量出現(xiàn)第二個峰值。

分析假人頸部傷害。圖11中，兩條曲線總體上同步性表現(xiàn)可以，雖然有18.2%的偏差，但符合通常臺車復(fù)現(xiàn)結(jié)果。另外，伸張彎矩低于最高性能限值，處于滿分，當約束系統(tǒng)優(yōu)化后，其結(jié)果不會影響對乘員傷害結(jié)果的評價。因此，頸部的標定結(jié)果也可接受。

T006的試驗結(jié)果中假人傷害值偏離情況全面反映了當前臺車試驗所存在缺陷的影響，且其結(jié)果基本可以接受。因此，接下來以T006試驗結(jié)果為基礎(chǔ)對δ和ε進行研究。

4.1 δ的研究

以13.8 m/s為初始速度，分別對目標實車和T006試驗中假人axh和a′xh進行積分，求得vxh和v′xh曲線。如圖12所示，在vxh曲線基礎(chǔ)上，分別建立vxh+δ曲線和vxh-δ曲線。δ用不同值分別輸入，直至在假人向前碰撞過程中，vxh+δ和vxh-δ曲線中某一條與v′xh曲線相切。

圖12 假人頭部外力作用x向速度關(guān)系

圖12中，當δ=1 m/s時，在約102 ms前基本滿足上述要求。在102 ms后，假人頭部速度超出范圍，但此時，速度為負，假人頭部處于回彈過程中，且假人頭部傷害取值已基本結(jié)束。因此，對于T006臺車標定試驗，δ=1 m/s滿足要求。

4.2 ε的研究

用a′zc和v′zc分別表示假人胸部z向加速度及其積分后速度。分別對目標實車和T006試驗中假人胸部z向加速度進行積分，求得vzc和v′zc曲線。如圖13所示，以vzc曲線為基礎(chǔ)，分別建立vzc+ε曲線vzc-ε曲線。ε用不同值分別輸入，直至其在假人A和B運動過程中(約80 ms前)，vzc+ε和vzc-ε曲線中某一條與v′zc相切。

圖13 假人胸部z向速度關(guān)系

圖13中，當ε=0.22 m/s時，在約88 ms前基本滿足前述要求。在88 ms后，v′zc曲線超出上限。分析表1中假人胸部傷害，只有臺車試驗中胸部變形量的幅值出現(xiàn)在88 ms之后，而該值為胸部變形量曲線的第二個峰值，第一個峰值出現(xiàn)的時刻為67 ms，值為24 mm，與實車極其接近且處于可調(diào)節(jié)區(qū)域，而第二個峰值處于假人運動的C階段，為當前不可調(diào)節(jié)階段?？紤]ε取值應(yīng)主要確保將當前臺車試驗系統(tǒng)及約束系統(tǒng)的極限調(diào)節(jié)能力發(fā)揮極致，ε取0.22 m/s滿足要求。

4.3 驗證與討論

研究表明，T006臺車標定試驗是當前試驗?zāi)芰ο碌牡湫驮囼?。試驗結(jié)果反映了轉(zhuǎn)向機構(gòu)變形、臺車系統(tǒng)固有缺陷所造成的影響，同時，也是該車型多次標定的最佳。因此，基于T006試驗結(jié)果推導(dǎo)出的δ值和ε值具有普遍應(yīng)用意義。

以T006試驗推導(dǎo)的δ值和ε值建立臺車標定評價準則，重新評價曾被認可的5款車型的臺車標定結(jié)果，其中，2款車型的臺車標定試驗不滿足要求。不滿足要求的一個試驗中，假人頭部評價速度曲線超過評價準則下限，評價不通過。結(jié)合高速攝像分析原因：臺車標定試驗中，管柱在臺車被發(fā)射初期發(fā)生瞬間潰縮，后期胸部與之碰撞后方向盤上翻而管柱沒再發(fā)生潰縮，最終導(dǎo)致頭部與氣囊接觸晚約4 ms，及碰撞后期氣囊作用剛度偏大；不滿足要求的另一個試驗中，假人胸部前撲速度過快，在假人運動的B階段初期評價速度曲線超過評價準則下限，評價不通過。分析原因：如圖14所示，該車型車身較大，相對車底盤，假人乘坐位置比一般車型高，在臺車上表現(xiàn)較突出。另外，在臺車搭建過程中，車身下面搭建成縱梁下加橫梁結(jié)構(gòu)，將臺車抬高了150 mm。兩個因素最終導(dǎo)致臺車試驗初始階段假人前翻強度相對實車就開始明顯偏大。

圖14 假人乘坐位置與碰撞點間關(guān)系

針對評價不滿足要求的2個車型，實車驗證時試驗結(jié)果與臺車最終試驗結(jié)果相差較大，相對實車基礎(chǔ)試驗結(jié)果，優(yōu)化后的約束系統(tǒng)沒有明顯改進，大量的臺車試驗卻沒能發(fā)揮其應(yīng)有作用。雖然最終按C-NCAP評價已是滿分，只是因為該2款車型的傷害值基礎(chǔ)試驗時就較低。

通過對5款車型臺車標定試驗結(jié)果的評價，以T006試驗推導(dǎo)的評價準則在當前具有嚴謹性，對臺車試驗?zāi)軌蚱鸬揭欢ǖ闹笇?dǎo)。因此，可以推廣使用。另外，約束系統(tǒng)開發(fā)過程中要進行大量的仿真研究工作，仿真的模型對標與臺車模擬試驗的標定類似，因此，仿真中也可以采用此準則對建模結(jié)果進行評價。

通過對試驗結(jié)果的評價，也指出：為了使臺車標定結(jié)果滿足要求，可以通過微調(diào)方向管柱的安裝角度、安全帶的導(dǎo)向環(huán)位置等實現(xiàn)。另外，為了提高臺車模擬試驗的模擬精度，建議在后續(xù)臺車試驗設(shè)備的改進中，將碰撞點的高度設(shè)計成相對臺車質(zhì)心高度可調(diào)結(jié)構(gòu)。就目前設(shè)備而言，在臺車搭建過程中，應(yīng)盡可能降低假人質(zhì)心相對碰撞點距離。

5 結(jié)論

通過對假人頭部x向所受外力作用加速度和胸部z向加速度進行解讀，以及對臺車T006標定試驗結(jié)果的綜合分析，最終得出臺車標定試驗的評價準則為：當假人頭部在回彈之前、v′xh處于所復(fù)現(xiàn)實車的vxh±1 m/s范圍內(nèi)，假人胸部在運動C階段之前、v′zc處于vzc±0.22 m/s范圍內(nèi)時，臺車標定結(jié)果滿足要求。另外，該準則對仿真的對標工作也具有指導(dǎo)意義。