乘用車前排人員膝部傷害測(cè)試方法的研究

吳剛，孫偉東，徐浩

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

高性能限值：大腿壓縮力為3.8 kN，膝蓋滑動(dòng)位移為6 mm；

低性能限值：大腿壓縮力為9.07 kN @ 0 ms,7.56 kN @ ≥10 ms，膝蓋滑動(dòng)位移為15 mm[5]。

目前國內(nèi)各試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)于汽車儀表板膝部沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)方法主要有以下兩種[6]。

(1)采用實(shí)車或臺(tái)車碰撞。這一類試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，假人膝部可以以正確的試驗(yàn)條件沖擊儀表板上正確的位置，缺點(diǎn)是需要提供整車或者白車身來進(jìn)行試驗(yàn)，成本大、試驗(yàn)設(shè)置復(fù)雜、試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長，特別是對(duì)儀表板廠家來說，需要在研發(fā)前期提供試驗(yàn)所需要的其他部件及參數(shù)較為困難。

(2)采用剛性模型的臺(tái)架沖擊試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方法是利用一套發(fā)射設(shè)備，在發(fā)射設(shè)備上安裝一個(gè)近似膝部的剛性模型，對(duì)準(zhǔn)儀表板上膝部的接觸位置，按一定的速度進(jìn)行沖擊，最后通過安裝在剛性模型上加速度傳感器所采集到加速度數(shù)據(jù)來計(jì)算出沖擊力。目前該試驗(yàn)方法使用率最為廣泛，尤其是對(duì)于儀表板廠家，其優(yōu)點(diǎn)是只需要提供儀表板總成，樣品準(zhǔn)備簡單、試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)成本低，缺點(diǎn)是因剛性模型與假人膝部的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，往往得到的沖擊力較大。

綜合以上兩種試驗(yàn)方法，本文作者采用臺(tái)架沖擊試驗(yàn)方法并使用50% Hybrid III型假人的腿部模塊作為沖擊模塊，通過分析實(shí)車碰撞中前排假人膝部與儀表板的碰撞情況來決定臺(tái)架試驗(yàn)的碰撞速度與方向。

1 模擬臺(tái)架試驗(yàn)條件的研究

沖擊速度的大小是膝部沖擊試驗(yàn)中最為關(guān)鍵的因素，因此需要找到確定沖擊速度合理正確的方法。

在實(shí)車正面碰撞過程中，由于假人上半身有約束系統(tǒng)的作用，以及假人腳跟與車輛地板的作用，可認(rèn)為假人大腿的慣性向前移動(dòng)與假人臀部的向前移動(dòng)是一致的，因此，骨盆處所采集的加速度數(shù)據(jù)具有重要價(jià)值，可視為假人大腿的向前加速度，圖1為某一車型正面碰撞中假人骨盆處在整個(gè)實(shí)車正面碰撞過程中的加速度曲線。從曲線上可以看出，在實(shí)車碰撞過程中，假人腿部因慣性力作用向前加速度逐漸增大直至膝部碰到前面的儀表板。

圖1 某車型正面碰撞假人骨盆的加速度曲線

通過對(duì)某一車型正面碰撞中車內(nèi)的高速攝像進(jìn)行分析，從實(shí)車開始碰撞時(shí)刻假人腿部因慣性移動(dòng)，到假人膝部剛接觸到前面儀表板的時(shí)間段為整個(gè)假人腿部的加速過程。圖2和圖3分別為假人腿部開始移動(dòng)時(shí)刻和假人膝部剛接觸到儀表板時(shí)刻，整個(gè)加速時(shí)間為50 ms。

圖2 假人腿部開始移動(dòng)時(shí)刻的高速攝像

圖3 假人膝部剛接觸到儀表板時(shí)刻的高速攝像

在實(shí)車的正面碰撞過程中，假人腿部從相對(duì)靜止到慣性力作用下達(dá)到最大速度碰到儀表板后減速。在以上加速度曲線中，從產(chǎn)生加速度開始，截取一段時(shí)間為50 ms的加速度曲線，作為膝部在碰到儀表板前的加速度曲線，再根據(jù)速度公式v=at(v為速度、a為加速度、t為加速時(shí)間)，將該加速度曲線對(duì)加速時(shí)間進(jìn)行積分，得出腿部從開始移動(dòng)到膝部碰到儀表板前的速度曲線，如圖4所示，曲線上的最大值即為膝部在碰到儀表板前的速度，其最大值為2.46 m/s。

圖4 膝部在碰到儀表板前的速度曲線

為保證膝部沖擊試驗(yàn)中的膝部沖擊更接近于實(shí)車正面碰撞中的狀況，需通過能量公式將實(shí)車正面碰撞中膝部的最大移動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為膝部沖擊試驗(yàn)中的膝部沖擊速度。表1為50% Hybrid III假人中所考慮的各部件的質(zhì)量，即假人臀部及以下部分不包含腳，總質(zhì)量為42 kg；表2為直線沖擊上滑軌支架、腿部模型和連接裝置的質(zhì)量，總質(zhì)量為22 kg。根據(jù)動(dòng)能公式E=1/2mv2

表1 假人中所考慮的各部件的質(zhì)量

表2 直線沖擊上滑軌支架、腿部模型和連接裝置的質(zhì)量

式中：E為動(dòng)能(J);m為移動(dòng)質(zhì)量(kg);v為移動(dòng)速度(m/s)。

得出實(shí)車正面碰撞中假人膝部在碰到儀表板前的最大動(dòng)能為127 J，即假人雙腿對(duì)前面儀表板的總沖擊能量，而單個(gè)膝部對(duì)儀表板的沖擊能量可視為其1/2等于63.5 J，最后再根據(jù)動(dòng)能公式計(jì)算出膝部沖擊試驗(yàn)中的膝部沖擊速度為2.4 m/s，即8.6 km/h。

2 模擬臺(tái)架試驗(yàn)方法

根據(jù)在實(shí)車放置50% Hybrid III假人或CAD模型中測(cè)量出假人H點(diǎn)的坐標(biāo)、踝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)、膝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)以及儀表板上某一安裝點(diǎn)坐標(biāo)作為參考點(diǎn)，如圖5所示，以便于在膝部模型沖擊試驗(yàn)中確定腿部模型的沖擊時(shí)的角度和位置。

圖5 假人H點(diǎn)的坐標(biāo)、踝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)、膝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)示意

在試驗(yàn)開始之前，腿部模型中需安裝兩個(gè)傳感器，一個(gè)是力傳感器，用來測(cè)量沖擊過程中大腿的壓縮力，記錄大腿受到正面沖擊時(shí)的損傷情況；另一個(gè)是位移傳感器，用來測(cè)量沖擊過程中膝蓋的滑動(dòng)位移，記錄膝關(guān)節(jié)受到撕裂及脫臼時(shí)的損傷情況。

文中采用的發(fā)射裝置是西班牙ENCOPIM公司生產(chǎn)的直線沖擊設(shè)備。該裝置的高度調(diào)節(jié)范圍為1 625 mm，角度調(diào)節(jié)范圍為-10°～90°，可根據(jù)項(xiàng)目中駕駛員或前排乘員實(shí)際的乘坐位置來進(jìn)行高度和角度的調(diào)節(jié)。該設(shè)備最大發(fā)射質(zhì)量為40 kg，最大發(fā)射速度為45 km/h，最大發(fā)射動(dòng)能為1 500 J。控制器上配的是HBM公司的QuantumX MX840A型通用測(cè)量放大器模塊，可采集多種傳感器信號(hào)。該模塊具有8個(gè)通道，通道上采用的是D-Sub-HD 15芯接口。因其采用先進(jìn)的即插即測(cè)技術(shù)，能自動(dòng)識(shí)別并配置傳感器，并具有高精度、靈活等特點(diǎn)，可減少傳感器配置的時(shí)間，大大增加了測(cè)量的效率。

文中還設(shè)計(jì)了50% Hybrid III假人膝部模型與直線沖擊設(shè)備的連接裝置，該連接裝置保有了Y軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)與假人H點(diǎn)相重合，更加符合人體實(shí)際碰撞時(shí)的情況，如圖6所示。

圖6 假人與直線沖擊設(shè)備連接裝置

安裝好一套某一車型的全新的儀表板樣品總成，假人腿部模型的膝部對(duì)準(zhǔn)駕駛員左側(cè)位置，如圖7所示，開始儀表板膝部沖擊試驗(yàn)。

圖7 膝部傷害模擬臺(tái)架試驗(yàn)

3 模擬臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用HBM公司的QuantumX數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到此次儀表板沖擊試驗(yàn)的時(shí)間-大腿壓縮力曲線和時(shí)間-膝蓋滑動(dòng)位移曲線，如圖8所示，大腿壓縮力的最大值為1 972 N，膝蓋滑動(dòng)位移的最大值為0.53 mm。

圖8 某車型模擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

圖9為該車型正面碰撞中所采集的駕駛員左腿的時(shí)間-大腿壓縮力曲線和時(shí)間-膝蓋滑動(dòng)位移曲線，大腿壓縮力的最大值為1 578 N，膝蓋滑動(dòng)位移的最大值為0.54 mm。

圖9 某車型正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果

圖10為該車型CAE分析后儀表板變形量-大腿壓縮力曲線和時(shí)間-膝蓋滑動(dòng)位移曲線，大腿壓縮力的最大值為2 800 N，膝蓋滑動(dòng)位移的最大值為0.3 mm。

圖10 某車型CAE碰撞試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)以上三組數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)膝部沖擊試驗(yàn)與實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)的兩組數(shù)據(jù)相當(dāng)接近，而兩組曲線的差異也不大。CAE分析因?yàn)榕c具體試驗(yàn)的條件有一些差異，所以分析出的結(jié)果有一定的偏差。因而可以得出結(jié)論，此項(xiàng)目的儀表板膝部沖擊試驗(yàn)所得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)是具有參考價(jià)值的，可以通過該試驗(yàn)預(yù)先了解假人膝部在實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)中的結(jié)果。

4 結(jié)論

文中通過對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的分析，確定采用帶有力傳感器和位移傳感器的50% Hybrid III假人的左腿總成作為直線沖擊模塊，并在ENCOPIM直線滑軌發(fā)射設(shè)備上設(shè)計(jì)了一套連接裝置，能夠?qū)⒓偃送炔磕Ｐ屠喂痰毓潭ㄔ诎l(fā)射設(shè)備上。通過對(duì)整車碰撞數(shù)據(jù)的分析，確定了模擬臺(tái)架試驗(yàn)條件。同時(shí)，通過對(duì)控制器放大器模塊接口、數(shù)據(jù)連接線和傳感器接口的定義的了解，準(zhǔn)確地將傳感器接入放大器模塊上，并通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，在軟件內(nèi)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行配置和標(biāo)定，確定了儀表板膝部沖擊的試驗(yàn)方法。最后得出的數(shù)據(jù)曲線與實(shí)車正面碰撞膝部碰撞的曲線相當(dāng)接近。為國內(nèi)外零部件廠商提供了一種高效、精確以及經(jīng)濟(jì)的乘用車前排乘員膝部傷害的試驗(yàn)方法。