正面碰撞時(shí)安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)作用分析

龐 璐

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

隨著汽車(chē)保有量的急劇增長(zhǎng)，汽車(chē)的安全性越來(lái)越重要[1]。在汽車(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)，乘員約束系統(tǒng)是最重要的被動(dòng)安全系統(tǒng)，而安全氣囊是乘員約束系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分[2-3]。

本文將某國(guó)產(chǎn)車(chē)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行兩次正面碰撞試驗(yàn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)用EVAlution軟件進(jìn)行對(duì)比分析，研究安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果。

1 汽車(chē)正面碰撞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)依托于某實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)有全長(zhǎng)400米的室內(nèi)試驗(yàn)路面，主要試驗(yàn)設(shè)備有固定壁障、牽引系統(tǒng)、照明裝置、假人、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)方法

本文按照標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2014《乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的正面碰撞形式是剛性固定壁障碰撞，在這種條件下，車(chē)身的碰撞能量很大，車(chē)內(nèi)乘員易受到較大程度的損傷[4]。因此，本試驗(yàn)為分析安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果提供了優(yōu)良條件。

汽車(chē)正面碰撞試驗(yàn)方法為：

（1）車(chē)輛準(zhǔn)備：車(chē)輛在進(jìn)行試驗(yàn)前，所有裝備都進(jìn)行正常安裝，保證其能夠正常工作，并保證提交試驗(yàn)的車(chē)輛質(zhì)量為整備質(zhì)量。

（2）放置車(chē)輛：在試驗(yàn)車(chē)輛上焊接掛鉤，與牽引系統(tǒng)掛鉤連接。

（3）安放假人：在前排座椅上按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定放置50%Hybrid Ⅲ假人，將假人頭部、身體軀干、手臂、腿、腳及H點(diǎn)安放在固定位置，并使用安全帶進(jìn)行約束。

（4）驅(qū)動(dòng)車(chē)輛：利用電力牽引裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，當(dāng)車(chē)輛達(dá)到固定速度時(shí)，與牽引系統(tǒng)分離，以規(guī)定速度撞擊到固定壁障上。

（5）數(shù)據(jù)采集：在假人重要部位安裝不同類型的傳感器，如在頭部安裝3軸加速度傳感器，在頸部安裝6軸載荷傳感器。本試驗(yàn)采用DTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

1.3 乘員損傷性能指標(biāo)

在發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，乘員會(huì)受到一定程度的傷害，GB11551-2014《汽車(chē)正面碰撞乘員保護(hù)》中規(guī)定了發(fā)生碰撞后乘員受到損傷時(shí)重要部位的性能指標(biāo)及要求，見(jiàn)表1。

表1 身體各部位的性能指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)分析

本文使某乘用車(chē)以40 km/h的速度進(jìn)行兩次正面碰撞試驗(yàn)，一次為安全氣囊未打開(kāi)，另一次為安全氣囊打開(kāi)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入EVAlution軟件，對(duì)假人的頭部、胸部和頸部性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 頭部性能指標(biāo)分析

頭部加速度—時(shí)間曲線如圖1所示，圖a）為安全氣囊未打開(kāi)，b）為安全氣囊打開(kāi)。圖a）中頭部合成加速度Max（0.1004s）=1117 m/s2，在峰值附近急劇上升；圖b）中頭部合成加速度Max（0.0751s）=481.5 m/s2，峰值附近曲線變化較為平緩，并且最大加速度發(fā)生時(shí)間也提前了，這是因?yàn)榘踩珰饽以诎l(fā)生碰撞的瞬間彈出，在乘員與車(chē)內(nèi)飾組件之間形成氣墊，減輕了碰撞對(duì)乘員造成的巨大沖擊。

圖1 頭部3向及合成加速度—時(shí)間曲線圖

對(duì)碰撞過(guò)程中的加速度值進(jìn)行積分，得到氣囊未打開(kāi)時(shí)的頭部性能指標(biāo)HPC值為636，氣囊打開(kāi)時(shí)的HPC值為286，降低了55.03%。由此可見(jiàn)，氣囊對(duì)乘員頭部有明顯的保護(hù)效果。

2.2 胸部性能指標(biāo)分析

胸部位移—時(shí)間曲線如圖2所示，圖a）中胸部位移Min=31.96 mm；圖b）中胸部位移Min=56.44 mm。

圖2 胸部位移—時(shí)間曲線圖

當(dāng)安全氣囊打開(kāi)時(shí)，胸部壓縮量增加了43.37%，這是因?yàn)榘l(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊瞬間彈出，作用于乘員胸部的壓力較大，超過(guò)了安全氣囊未打開(kāi)時(shí)安全帶對(duì)乘員的束緊力，導(dǎo)致胸部壓縮量變大。當(dāng)乘員體形較小或較脆弱時(shí)，安全氣囊的相對(duì)壓力尤其大，極有可能使乘員受到傷害[6]。

2.3 頸部性能指標(biāo)分析

頸部X軸向剪切力力Fx—時(shí)間曲線如圖3所示，圖a）中頸部X軸向力Max=1224 N，圖b）中頸部X軸向力Max=574.6 N。頸部對(duì)Y軸彎矩—時(shí)間曲線如圖4所示，圖a）中頸部對(duì)Y軸彎矩Max=22.62 N·m，Min=-23.39 N·m；圖b）中頸部對(duì)Y軸彎矩Max=34.62 N·m，Min=-30.28 N·m。

圖3 頸部X軸向剪切力Fx—時(shí)間曲線圖

圖4 頸部對(duì)Y軸彎矩—時(shí)間曲線圖

在圖3中，上方折線為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的頸部前后向剪切力的極限值，下方曲線為試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)。對(duì)比圖a）與圖b）可知，安全氣囊被觸發(fā)時(shí)，乘員頸部受到的剪切力減小了53.06%。

在圖4中，對(duì)比圖a）與圖b）可以明顯看出，當(dāng)安全氣囊打開(kāi)時(shí)，頸部Y軸彎矩比安全氣囊未打開(kāi)時(shí)變化劇烈，并且最大值和最小值的絕對(duì)值均較大。

在碰撞過(guò)程中，安全氣囊打開(kāi)雖然會(huì)使頸部前后向剪切力減小，但是會(huì)使頸部對(duì)Y軸的彎矩變大，所以，安全氣囊有可能對(duì)頸部造成一定程度的傷害，需進(jìn)行深入研究分析。

3 結(jié)論

本文通過(guò)兩次正面碰撞對(duì)比試驗(yàn)，分析了安全氣囊對(duì)乘員頭部、頸部、胸部的影響，得出結(jié)論：在正面碰撞的過(guò)程中，安全氣囊打開(kāi)可以使乘員頭部傷害降低55.03%，使頸部受到的剪切力降低53.06%，同時(shí)也使胸部壓縮量增大43.37%，頸部對(duì)Y軸的彎矩增大20%以上。

由此表明，安全氣囊對(duì)乘員身體重要部位有著至關(guān)重要的保護(hù)作用，但是當(dāng)碰撞強(qiáng)度較大或者彈出安全氣囊的能量等級(jí)較高時(shí)，安全氣囊有可能對(duì)乘員的胸部造成一定程度的損傷。