基于后排乘員胸壓的安全帶固定點位置分析

李君杰，臧 晨，張亞軍

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

0 引言

自從2012版C-NCAP增加對第二排女性假人傷害考察后，降低第二排乘員傷害成為整車碰撞安全開發(fā)中重要的一部分；2015版C-NCAP增加對第二排女性假人發(fā)生下潛情況的罰分；2018版C-NCAP更是增加了第二排女性假人的得分占比。從C-NCAP的發(fā)展趨勢可以看出，我國汽車安全領域正在逐漸增加對后排乘員保護的重視。根據(jù)公安部交管局數(shù)據(jù)顯示：截至2019年上半年，我國汽車保有量2.5億輛，私家車1.98億輛，城市擁堵不斷，同時全社會交通安全問題日益突出。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2017年全國發(fā)生交通事故總數(shù)203 049起，直接造成財產(chǎn)損失121 311萬元，導致209 654人受傷，63 772人死亡［1］。2017年日本警視廳曾經(jīng)出具過一份調(diào)查，指出汽車交通事故中的死亡率分布情況［2］，駕駛座為0.32%，副駕駛座為0.27%，后座則高達0.36%。這則消息的公布，不禁讓駕乘人員更加重視后排乘員安全保護情況，但是，后排乘員保護配置情況遠遠不如前排完善，每年在交通事故中死亡的后排乘員人數(shù)約1萬人［3］，因此，現(xiàn)有后排約束系統(tǒng)配置的保護效率是否能夠充分發(fā)揮顯得尤為重要。

在整車試驗過程中，存在一個比較常見的現(xiàn)象，即后排安全帶上固定點布置不合理，最終導致后排假人胸壓異常增大。究其原因，就是在前期設計中，安全設計工程師對于安全帶上固定點的布置位置缺乏參考依據(jù)，通常僅滿足 “機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng)”這個法規(guī)［4］要求而已，進而其布置位置設計不合理。為此，合理布置安全帶上固定點位置成為必然。

本文作者根據(jù)對10款車型后排安全帶上固定點位置的布置情況進行統(tǒng)計分析，加上CAE仿真驗證，得出安全帶上固定點布置建議，以減小由于安全帶上固定點設計不合理對后排假人胸部傷害的不良影響。

1 安全帶固定點位置不佳產(chǎn)生的影響

根據(jù)C-NCAP 2018版評分體系［5］，某車型整車試驗數(shù)據(jù)顯示，后排女性假人胸部傷害較大，得分較低，最后導致女性假人的總體評價成績較低。

通過檢查試驗后高速錄像發(fā)現(xiàn)：在試驗過程中，后排假人左側肩部區(qū)域出現(xiàn)受力集中的現(xiàn)象，其運動姿態(tài)明顯異常。后經(jīng)詳細分析及仿真再現(xiàn)碰撞過程中假人的運動情況，發(fā)現(xiàn)安全帶肩帶存在滑落假人肩部的現(xiàn)象，進而帶動安全帶包絡向下接觸假人下胸部位置，胸壓傷害加重。

很明顯，試驗中的車輛，其后排安全帶上固定點位置偏低，直接造成碰撞過程中安全帶作用的不穩(wěn)定性，安全帶未能充分發(fā)揮對假人胸部的保護性能，如圖1所示。

圖1 安全帶上固定點位置偏低的影響示意

2 安全帶上固定點布置位置統(tǒng)計分析

2.1 實車安全帶上固定點位置布置統(tǒng)計

本文作者對10款不同型號的車型安全帶上固定點位置進行統(tǒng)計，因涉及不同車型，為方便對比分析，目標值采用安全帶上固定點坐標與后排女性假人理論H點坐標的差值進行對比分析，如表1所示。

表1 安全帶上固定點與后排假人理論H點的差值 mm

2.2 安全帶上固定點不同坐標下傷害值變化

根據(jù)安全帶上固定點3個不同方向的坐標值，對比實車碰撞結果中后排女性假人胸部傷害及得分情況。

首先，根據(jù)Z方向的坐標情況，進行對比分析，如表2所示。

表2 安全帶上固定點Z方向差值對應后排假人胸部傷害情況

根據(jù)安全帶上固定點與后排女性假人H點Z方向的差值，對車型1～車型8進行排序 （固定點位于C柱上，Z向位移差由小到大），得出傷害值的變化規(guī)律。不難發(fā)現(xiàn)：隨著安全帶上固定點位置的提高，后排女性假人胸部壓縮量有明顯減小的變化趨勢，相應得分提高，呈線性變化關系。

車型9和車型10第二排安全帶上固定點位于座椅靠背上，所以Z向差值較小，但二者的變化，依然遵循上述規(guī)律。

文獻 ［6］中指出：安全帶D環(huán)偏下、偏后導致安全帶對假人胸部的約束偏強，對假人腰部的約束偏弱，假人胸部剛度偏低。這與表2中車型1～車型8的變化規(guī)律相對應。但隨后文中又提出，D環(huán)位置布置在C柱上要好于布置在座椅靠背上［6］。通過觀察試驗車型9和車型10不難發(fā)現(xiàn)，“D環(huán)位置布置在C柱上要好于布置在座椅靠背上”的結論存在一定的可推敲性，安全帶固定點Y向距離是否影響后排女性假人胸部傷害，值得進一步分析。

根據(jù)安全帶上固定點與后排女性假人H點Y方向的差值，對車型1～車型10實車碰撞結果中后排女性假人胸部傷害及得分情況進行對比分析，如表3所示：隨著安全帶上固定點與后排女性假人H點Y方向的差值變化，假人胸部傷害不是明顯的線性變化關系，但隨Δy的增大，整個傷害趨勢走向呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，如圖2所示。

表3 安全帶上固定點Y方向差值對應后排假人胸部傷害情況

圖2 安全帶上固定點Y方向變化對應胸部傷害變化

車型9和車型10第二排安全帶上固定點位于座椅靠背上；車型4后排安全帶固定點位于C柱與后風窗橫梁交點位置，介于C柱和座椅靠背的中間位置，車型4安全帶固定點位置如圖3所示。所以，無論第二排安全帶固定點是布置在C柱上，還是布置在座椅靠背附近，均需要充分考慮安全帶上固定點Y向距離，以減小因安全帶布置因素對假人胸部傷害的不良影響。

由于安全帶上固定點位于座椅靠背附近時，其X向受到座椅靠背上邊緣的限制，研究意義不大，所以對于Δx，文中只分析第二排安全帶上固定點位于C柱的情況，如表4所示。

圖3 車型4安全帶上固定點位置

表4 安全帶上固定點X方向差值對應后排假人胸部傷害情況

由表4可知：隨著安全帶上固定點與后排女性假人H點X方向差值的增大，假人胸部傷害無規(guī)律性變化，但胸壓傷害值較小區(qū)域集中在Δx較小的區(qū)域內(nèi)，這表明，當D環(huán)安裝位置在C柱上時，第二排安全帶固定點的位置偏向前方略好，但對于此無明顯規(guī)律的情況，后續(xù)還需仿真手段輔助獲取進一步的變化規(guī)律。

3 后排安全帶上固定點布置位置仿真驗證分析

為驗證上述實車試驗顯示的規(guī)律，同時尋求第二排安全帶固定點布置范圍，故進行仿真驗證，觀察假人胸部傷害變化規(guī)律。仿真驗證采用簡化二階梯形波加載整車模型進行驗證。簡化二階梯形波如圖4所示。Δx、Δy、Δz的調(diào)節(jié)范圍參考女性假人H點距離肩部的尺寸，如圖5所示。

圖4 簡化二階梯形波

圖5 H點距離肩部邊緣的尺寸

仿真驗證矩陣見表5。

表5 仿真驗證矩陣 mm

由表5可知：

（1）隨著第二排安全帶固定點距假人H點Z方向距離的增大，第二排女性假人胸部壓縮量呈現(xiàn)減小趨勢，所以Δz越大越有利，但是需要考慮實車安裝的可行性。結合實車安全帶固定點布置情況，得出第二排安全帶上固定點Z方向布置的參考范圍為600～700 mm。此范圍適用于安全帶上固定點位于C柱上的情況，不包含安全帶上固定點位于座椅靠背上的情況；

（2）隨著第二排安全帶固定點距假人H點Y方向距離的增大，第二排女性假人胸部壓縮量呈現(xiàn)增大趨勢，所以Δy越小越有利。結合實車安全帶固定點布置情況，得出第二排安全帶上固定點Y方向布置的參考范圍為150～300 mm；

（3）隨著第二排安全帶固定點距假人H點X方向距離的增大，第二排女性假人胸部壓縮量呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，其變化規(guī)律近似U形，存在最佳可選范圍，非線性變化。即在一定范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出安全帶上固定點越靠前、越有利，比如430～580 mm這個區(qū)域；但是超過一定范圍，隨著安全帶上固定點繼續(xù)前移，胸壓反而增大，這是因為，安全帶固定點過度向前，肩帶更容易滑落肩部，加大安全帶對假人胸部的載荷，進而加重胸部傷害，比如230～400 mm這個區(qū)域。綜合考慮兩段變化規(guī)律，得出第二排安全帶上固定點X方向布置的參考范圍為 300～480 mm。

胸部壓縮量曲線變化如圖6—圖9所示。

圖6 胸部壓縮量響應Δz變化

圖7 胸部壓縮量響應Δy變化

圖8 胸部壓縮量響應Δx變化——情況1

圖9 胸部壓縮量響應Δx變化——情況2

4 結論

通過對實車第二排安全帶上固定點的布置情況進行統(tǒng)計，以降低第二排女性假人胸部傷害為目的，分別對安全帶上固定點X、Y、Z三個方向與第二排女性假人H點之間的距離差進行研究，同時結合CAE仿真驗證其統(tǒng)計的變化規(guī)律，從中得到以下結論：

（1）第二排安全帶上固定點布置在C柱上時，其布置在較高位置好于較低位置。結合實車安全帶固定點布置情況，得出第二排安全帶上固定點Z方向布置的參考范圍為600～700 mm。

（2）第二排安全帶上固定點Y方向接近假人的位置好于遠離假人的位置。結合實車安全帶固定點布置情況，得出第二排安全帶上固定點Y方向布置的參考范圍為150～300 mm。

（3）第二排安全帶上固定點X方向距離Δx線性變化，在一定范圍內(nèi)，安全帶上固定點在C柱上靠前位置好于靠后位置，但在另一范圍內(nèi)，其情況相反，所以存在最優(yōu)范圍。綜合考慮不同的變化規(guī)律，得出第二排安全帶上固定點X方向布置的參考范圍為300～480 mm。