行人保護氣囊設計與驗證*

胡帥帥，呂曉江，2，張曉天，張海洋，洪 丹，周大永

（1.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，吉利汽車研究院，杭州 311228；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 3.奧托立夫（上海）汽車安全系統(tǒng)研發(fā)有限公司，上海 201807）

前言

行人和自行車騎行者與電動兩輪車的騎乘者等弱勢道路使用者與汽車混合的道路交通現(xiàn)狀是我國交通的一大特色，特別是近年來共享自行車和電動自行車的大量普及，使這一特色尤為凸顯。

2011-2018年我國交通事故深入研究項目共統(tǒng)計了4 613個案例，涉及11 824人，包括傷亡5 753人。在這些案例中，涉及弱勢道路使用者的案例占78.8%，其中機動兩輪車和機動三輪車共占54.7%，自行車占6%，行人占18.1%［1］。以上交通事故中，弱勢道路使用者受傷部位最多的是頭部，其次是下肢；另有研究表明，交通事故中頭部最容易出現(xiàn)嚴重損傷［2］。因此弱勢道路使用者頭部的保護尤為重要。

包括我國［3］在內的各國汽車法規(guī)和新車評價規(guī)程逐漸提高了對弱勢道路使用者頭部的保護要求。在我國新車評價規(guī)程（C-NCAP）中，行人保護最高得分15分，其中頭部占12分，由此可見對弱勢道路使用者頭部保護的重要性。

為提升汽車對弱勢道路使用者頭部的保護性能，文獻［4］中基于頭型和車身的仿真結果，利用自適應響應面法對關鍵結構參數(shù)進行優(yōu)化，得出更優(yōu)的發(fā)動機罩的剛度和材料匹配方案，使頭部損傷HIC（head injury criterion）降低約 10%；文獻［5］中設計了一套雙搖桿式發(fā)動機罩彈起裝置，并以發(fā)動機罩彈起速度最快為目標，以機構在發(fā)動機艙的空間布置為約束，對彈起機構進行了優(yōu)化，使頭型的加速度峰值降低約25.1%，頭部損傷 HIC降低約66.4%；文獻［6］中同樣從彈起式發(fā)動機罩著手提升汽車對行人頭部的保護效果。以上方式都是針對發(fā)動機罩進行改進，對頭部的保護范圍局限于發(fā)動機罩區(qū)域，未考慮行人與發(fā)動機罩后側其它區(qū)域的碰撞。而弱勢道路使用者保護氣囊（下簡稱行人氣囊）技術恰好能彌補這一缺陷，能對行人與發(fā)動機罩后緣、通風蓋板、風窗玻璃根部和A柱下側區(qū)域的碰撞提供有效的保護，國外曾進行過相關的研究［7-8］，并應用在沃爾沃V40車型上，以提升其行人保護性能。

然而，國內鮮有研發(fā)機構對行人氣囊進行過相應的正向研發(fā)工作，對開發(fā)流程沒有具體的說明，對功能效果沒有具體的驗證。本文中基于某款A級車型，對行人氣囊進行了正向設計開發(fā)，通過仿真和試驗驗證了行人氣囊的保護效果。開發(fā)流程如圖1所示。

1 行人氣囊的設計

1.1 氣囊包型的設計

行人氣囊的作用是在覆蓋區(qū)域范圍內保護頭部，降低頭部傷害。因此氣囊包型設計首先考慮頭型沖擊目標得分，基于車型傳統(tǒng)頭型沖擊得分圖和失分格點分布，進行氣囊覆蓋區(qū)域設計，定義氣囊包型。

圖1 行人氣囊開發(fā)流程

基于某款A級車開發(fā)行人氣囊，目標是配置行人氣囊后，頭型沖擊得分達到C-NCAP五星+要求。C-NCAP五星+要求行人保護得分率達到75%以上，即頭部得分至少達到9分。

基礎車型在未配置行人氣囊前，傳統(tǒng)頭型沖擊得分圖如圖2所示，頭部得分是7.35分，得分率是61.2%，未達到C-NCAP五星+要求。相應的頭型沖擊格點分布如圖3所示。

圖2 未裝行人氣囊時的格點沖擊成績

圖3 每排格點對應的位置

由圖2和圖3可見，第9排及之后的沖擊格點基本都位于發(fā)動機罩后緣后側，且得分較差，頭部傷害HIC15都大于650。因此須設計行人氣囊包型，使其展開后覆蓋第9排及其后的所有格點，如圖4所示。

圖4 行人氣囊包型

1.2 氣囊模塊的布置

目前行人氣囊模塊布置位置一般分為兩種：布置在通風蓋板下側和布置在發(fā)動機罩后緣下側。本研究以安裝在發(fā)動機罩后緣下側的行人氣囊模塊為例。該種類型的行人氣囊模塊需要與彈起式發(fā)動機罩配合使用。彈起式發(fā)動機罩的特點是：它不僅能像普通發(fā)動機罩那樣從前端繞著后沿抬起，以方便發(fā)動機等部件的維護，且能從后端繞著前沿抬起。給行人氣囊從發(fā)動機罩后緣下方伸出展開創(chuàng)造空間，同時增加了發(fā)動機罩下方的緩沖空間。

根據(jù)現(xiàn)有車身模型，定義行人氣囊模塊安裝位置，并校核模塊環(huán)境件。行人氣囊模塊環(huán)境件在發(fā)動機罩閉合狀態(tài)和頂起狀態(tài)下，均不能和模塊產生干涉；同時在氣囊展開過程中，環(huán)境件不能阻礙氣囊的展開。因此要求發(fā)動機罩后邊緣與行人氣囊模塊外殼后邊緣在X向和Z向保持合適的距離，既不能阻礙氣囊的正常展開，又要保證安裝方便等。圖5為車身斷面圖。實線是指車身結構，虛線P是指行人氣囊模塊輪廓。車身結構中，A是發(fā)動機罩內外板，B是雨刮軸和雨刮，C是通風蓋板總成，D是前風窗玻璃。根據(jù)車型等級、行人氣囊覆蓋面積等，預估行人氣囊模塊三向尺寸和形狀；根據(jù)行人氣囊模塊輪廓，定義模塊大體安裝位置；根據(jù)模塊大體安裝位置，對發(fā)動機罩內板、通風蓋板和雨刮電機等環(huán)境件進行校核，進一步定義模型詳細安裝位置和尺寸等，如圖6所示。

圖5 車身XZ斷面和模塊位置示意圖

圖6 行人氣囊模塊環(huán)境件校核

1.3 行人氣囊頭型沖擊仿真分析

1.3.1 仿真模型的搭建

根據(jù)定義的行人氣囊覆蓋區(qū)域和設計的氣囊包型，搭建行人氣囊有限元模型。氣袋采用織布材料，氣袋壓強設為50 kPa，發(fā)生器用Airbag Load Curve模擬，建立的行人氣囊有限元模型展開后如圖7所示。將氣囊進行折疊并裝配至發(fā)動機罩后緣下側，即上述氣囊模塊布置位置。

圖7 行人氣囊有限元模型

1.3.2 行人氣囊頭型沖擊仿真

頭型沖擊分析工況和評價標準與C-NCAP保持一致。C-NCAP在頭部保護測試中，對于WAD1700之后的格點，用4.5 kg的成人頭型沖擊，沖擊速度為40 km／h，沖擊角度為65°；以HIC15值代表頭部傷害的大小，HIC15＞650時，表示已對頭部造成傷害；HIC15＞1700時，表示已對頭部造成嚴重的傷害。HIC15計算公式為

式中：a為測量出的頭型合成加速度；t1和t2為在沖擊過程中的某兩個時刻，在（t2-t1）時間間隔內HIC值最大（t2-t1≤15 ms）。

此次行人氣囊頭型沖擊工況中，發(fā)動機罩是靜態(tài)的，即預先將發(fā)動機罩后側抬起至一定高度，并約束固定，然后點爆行人氣囊模塊。行人氣囊完全展開后，頭型撞擊氣囊上A（10，1）格點。該工況旨在分析氣囊是否順利展開、展開過程是否穩(wěn)定、展開到位時間、氣囊覆蓋區(qū)域是否符合設計要求、氣囊厚度和壓強是否合適、氣囊對頭部的保護效果等。

仿真結果如圖8所示。由圖可見：行人氣囊模塊能夠順利展開；展開到位時間約為77 ms；氣囊完全展開后，能覆蓋所關注的格點，覆蓋區(qū)域符合設計要求；頭型撞擊時，未擊穿氣囊，氣囊厚度和壓強合適；但是展開過程對稱性相對較差。

圖8 靜態(tài)頭型撞擊仿真結果

基于第一輪仿真結果，對仿真模型進行調整。首先改變氣囊充氣方向，然后根據(jù)氣囊材料特性和其它氣囊開發(fā)經(jīng)驗，修改氣囊本身的自接觸摩擦因數(shù)，修改氣囊與車身環(huán)境件摩擦因數(shù)，同時適當縮短仿真迭代時間步等?；谙嗤r再次進行仿真，結果如圖9所示。

圖9 行人氣囊靜態(tài)展開仿真結果

由圖可見，氣囊展開過程基本對稱。由于模型中省略了鉸鏈結構，故氣囊一側出現(xiàn)“甩尾”現(xiàn)象，但不影響整體性能的評估。在本輪仿真中，氣囊展開到位時間為58 ms，氣囊展開后能覆蓋全部目標格點，氣囊未被頭型擊穿。

A（10，1）點是雨刮軸附近一點，屬于行人保護頭部測試中很難得分的格點。配置行人氣囊前后，A（10，1）格點頭型加速度曲線如圖10所示。配置行人氣囊之前，A（10，1）點頭型加速度峰值為174g；配置行人氣囊后，A（10，1）點頭型加速度峰值降低至71g。根據(jù)式（1），頭部傷害HIC15不僅與加速度峰值有關，且與（t2-t1）時間段內的加速度分布有關，因為它影響式（1）中的積分值。因此頭部傷害HIC15并非與加速度峰值完全成正比。經(jīng)計算，未配置行人氣囊時，A（10，1）點頭部傷害 HIC15為 1 681.72；配置行人氣囊后，降至557.74，即降低了66.84%，保護效果明顯，該點頭型撞擊得滿分。

圖10 A（10，1）格點頭部模型撞擊加速度曲線

1.4 行人氣囊與彈起式發(fā)動機罩聯(lián)動仿真

行人氣囊完整的作用原理是：當汽車前端以一定的速度撞到行人或自行車等弱勢道路使用者時，前保險杠附近的加速度傳感器或壓力傳感器甚至汽車前目攝像頭會探測到碰撞對象、碰撞速度和力等信息，并將該信息傳遞給汽車控制模塊進行分析；當分析判定碰撞對象是弱勢道路使用者，且碰撞程度達到閾值時，發(fā)指令使彈起式發(fā)動機罩點爆彈起（后側彈起）；然后控制器命令行人氣囊點爆展開，展開后的氣囊覆蓋發(fā)動機罩后緣、通風蓋板、前風窗玻璃根部和A柱下側等危險區(qū)域。當弱勢道路使用者頭部碰撞在這些危險區(qū)域時，氣囊將行人頭部與車身隔開，提供明顯的緩沖，對頭部起到良好的保護作用。

在整個過程中，涉及彈起式發(fā)動機罩與行人氣囊的配合問題。汽車控制模塊先給彈起式發(fā)動機罩發(fā)送點爆命令，發(fā)動機罩后側彈起。經(jīng)過時間b，控制模塊給行人氣囊發(fā)送點爆命令，氣囊點爆后從發(fā)動機罩下側伸出并展開。因此給彈起式發(fā)動機罩發(fā)送點爆命令和給行人氣囊發(fā)送點爆命令的時間間隔b及其變化范圍是一個關鍵參數(shù)。行人氣囊點爆時刻過早，發(fā)動機罩還未抬起足夠的空間避讓氣囊，容易阻礙氣囊的展開；行人氣囊展開時刻過晚，會導致氣囊還未完全展開時，弱勢道路使用者頭部已碰撞到氣囊上，影響對頭部的保護效果。因此須對兩個點爆命令之間的時間間隔b進行計算分析。

計算分析方法如圖11所示。根據(jù)分析和試驗得出彈起式發(fā)動機罩后端抬升高度與時間的關系曲線，再從仿真計算出行人氣囊點爆后的氣囊展開高度和時間的比值（即該曲線斜率）。根據(jù)該斜率畫出與發(fā)動機罩彈起過程中抬升高度曲線相近的直線，即為氣囊展開高度曲線，它與橫坐標的交點即為行人氣囊點爆時刻，也即相對頂升器點爆的延遲時間b1。假設汽車碰撞弱勢道路使用者時刻為零點，從該時刻到弱勢道路使用者頭部沖擊在行人氣囊上的這段時間為HIT，傳感器和控制器等系統(tǒng)反應時間為ST，行人氣囊完全展開所需時間為DT，則行人氣囊的點爆延遲時間b的范圍為

圖11 行人氣囊點爆時刻分析圖

取b1作為行人氣囊點爆延遲時間，代入仿真中，分析行人氣囊與彈起式發(fā)動機罩聯(lián)動工況，確保行人氣囊點爆延遲時間值合適。仿真結果如圖12所示。由圖可見，彈起式發(fā)動機罩正常彈起，行人氣囊正常展開，兩者未產生干涉。經(jīng)推算，行人氣囊完全展開時刻早于弱勢道路使用者頭部撞在行人氣囊覆蓋區(qū)域上的時刻。因此可以認定，分析的行人氣囊點爆時刻合適。

圖12 行人氣囊和彈起式發(fā)動機罩聯(lián)動仿真結果

2 行人氣囊試驗驗證

2.1 行人氣囊展開驗證

行人氣囊靜態(tài)展開試驗結果如圖13所示。氣囊可順利展開，展開到位時間約為58 ms，展開過程同樣存在稍許不對稱的現(xiàn)象，與仿真過程相似。氣囊展開到位時間與仿真相近；展開過程比較順利，下一步對發(fā)生器位置進行微調，改善氣囊展開過程的對稱性。

圖13 行人氣囊展開試驗

2.2 行人氣囊頭型撞擊驗證

行人氣囊靜態(tài)展開頭型撞擊驗證，旨通過試驗進一步探究氣囊內氣壓大小是否合適、氣囊展開后厚度是否合適以及氣囊的保護效果。

理想氣體狀態(tài)方程為

式中：p為氣體壓強；V為氣體體積；n為氣體量（摩爾數(shù)）；R為氣體常量；T為氣體溫度。

由式（3）和 a＝pS／m的關系可推導出頭型加速度：

式中：m為頭型質量；S為頭型在速度矢量方向的受力面積。根據(jù)式（4），可通過控制氣囊展開體積和發(fā)生器產生的氣體量，近似定量地控制頭型撞擊氣囊時的加速度峰值。

參考行人氣囊靜態(tài)展開試驗的工況設置氣囊、車輛和工裝等，同時設置行人氣囊0時刻點爆，頭型在70 ms時刻左右撞擊氣囊上A（10，1）點。試驗過程如圖14所示。

圖14 行人氣囊頭型撞擊試驗

由圖可見，試驗中行人氣囊展開順利，展開過程對稱性得到改善。頭型未將氣囊擊穿，證明氣囊內壓強和氣囊展開厚度均較合適。

計算分析試驗中頭型加速度如圖15所示。頭部傷害 HIC15為 559.27，仿真中該點 HIC15為557.74，仿真與試驗相比誤差為0.27%。圖16為A（10，1）點頭型加速度仿真與試驗曲線對比。兩者趨勢和峰值基本吻合。由此可證明，行人氣囊仿真模型準確度較高，分析結果可信。

圖15 試驗中A（10，1）點加速度曲線

圖16 A（10，1）點頭型加速度曲線對比

根據(jù)試驗結果，該車配置行人氣囊后，A（10，1）點頭部傷害降低66.74%，行人氣囊對頭部保護效果非常明顯。

2.3 行人氣囊聯(lián)動展開頭型撞擊驗證

行人氣囊聯(lián)動展開頭型撞擊試驗是模擬行人氣囊系統(tǒng)包括信號傳遞的整個作用過程。如a時刻頂升器點爆，彈起式發(fā)動機罩展開；（a+b）時刻行人氣囊點爆，氣囊撕裂模塊外殼，伸出發(fā)動機罩外展開；（a+b+c）時刻，頭型開始撞擊行人氣囊上某一點。整個作用過程中，主要通過試驗探究以下3點：（1）行人保護氣囊和彈起式發(fā)動機罩的協(xié)調程度；（2）頭型撞擊到行人氣囊覆蓋區(qū)域前，氣囊是否能完全展開；（3）該工況下，頭型加速度曲線和傷害值。

將車身通風蓋板區(qū)域改制，給行人氣囊模塊避讓空間；其次將行人氣囊模塊按照設計位置安裝在發(fā)動機罩后緣下側，如圖17所示。

圖17 安裝有行人氣囊模塊的車身

行人氣囊模塊安裝完畢，對頭型定位。本次撞擊點選擇風窗玻璃根部接近A柱上一點A（10，5），也是行人氣囊保護區(qū)域中不易得分的格點。由上述分析已判斷出行人氣囊點爆相對于彈起式發(fā)動機罩的最短延遲時間約為9 ms，保留30%余量，試驗中設定延遲時間為11.7 ms，設置頭型撞擊時刻為75 ms；A（10，5）格點對應的 HIT約為126 ms，實際汽車系統(tǒng)的ST基本不大于35 ms。因此根據(jù)式（2），本次試驗中，如果氣囊能在頭型撞擊到A（10，5）點前完全展開，則對應的在實際交通事故中，氣囊能在弱勢道路使用者頭部碰撞前完全展開。按照上述分析設置試驗控制器，進行行人氣囊聯(lián)動展開頭型撞擊試驗。試驗結果如圖18所示，頭型加速度曲線如圖19所示。

根據(jù)高速攝像可觀察出行人氣囊和彈起式發(fā)動機罩協(xié)調較好，氣囊和發(fā)動機罩未發(fā)生干涉現(xiàn)象，證明分析得出的行人氣囊點爆延遲時間b1滿足要求；試驗中頭型接觸到行人氣囊時，氣囊基本完全展開，證明實際交通事故中，在弱勢道路使用者頭部碰撞到行人氣囊覆蓋區(qū)域時，行人氣囊完全能夠展開到位，實現(xiàn)有效保護；根據(jù)圖19得到頭部傷害值HIC15為658.6，該車未配置行人氣囊時 A（10，5）點頭部HIC15為1 638，因此行人氣囊使該點的頭部傷害值降低了59.8%，保護效果明顯。

綜上分析與驗證，行人氣囊裝置使C-NCAP頭部測試中最易失分的格點 A（10，1）和 A（10，5）由紅色變?yōu)榫G色，依次類推，行人氣囊覆蓋區(qū)域的格點在測試中均為綠色，頭型撞擊得分可高達10.97分，得分率達93，1%，滿足五星+對行人保護得分率不低于75%的要求。

圖18 行人氣囊聯(lián)動展開頭型撞擊試驗結果

圖19 A（10，5）點頭型加速度曲線

3 結論

基于一款A級車，對行人氣囊進行正向設計，并進行了一系列的仿真和試驗驗證。結果表明：

（1）基于該車型的行人氣囊包型、布置、體積和壓強等設計合理，能與彈起式發(fā)動機罩有效配合，并發(fā)揮對頭部的保護效果；

（2）行人氣囊能顯著提升汽車在C-NCAP行人保護測試中的頭型撞擊得分率，滿足五星+要求；

（3）行人氣囊能在實際交通事故中，對弱勢道路使用者頭部進行及時、有效地保護，頭部傷害可降低近60%。