王立民,田威,張斌
中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300
側(cè)面氣簾是現(xiàn)代乘用車內(nèi)重要的約束系統(tǒng)和被動(dòng)安全保護(hù)裝置之一。特別是在柱碰、車對(duì)車側(cè)面碰撞和側(cè)翻等事故形態(tài)中,對(duì)車內(nèi)乘員有著至關(guān)重要的保護(hù)作用。當(dāng)車輛遭受側(cè)面碰撞和傾翻事故時(shí),乘員整體或部分由車窗被甩出的危險(xiǎn)性很高,乘員頭、胸、腹部和骨盆等部位也面臨著巨大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。側(cè)面氣簾能有效降低乘員被拋出和頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS統(tǒng)計(jì),車輛配備側(cè)氣簾后側(cè)面碰撞的死亡率降低了45%。
在研發(fā)階段對(duì)氣簾實(shí)施高效精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)能有針對(duì)性地幫助改善氣簾性能。側(cè)氣簾評(píng)價(jià)方法一方面使得氣簾單品的開發(fā)有章可依、有跡可循,還能幫助車企為廣大消費(fèi)者提供更安全的氣簾產(chǎn)品和整車匹配效果,推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,側(cè)面氣簾評(píng)價(jià)方法及體系不斷豐富完善,各國或以法規(guī)的形式或在NCAP規(guī)程中加入側(cè)氣簾評(píng)價(jià)方法。氣簾的保護(hù)性能具體可分為以頭部損傷指標(biāo)來體現(xiàn)的吸能性、以拋出緩沖性能來體現(xiàn)的保壓性和與整車結(jié)合的匹配性,氣簾評(píng)價(jià)方法基本圍繞這些具體性能制定。統(tǒng)觀各國標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于側(cè)氣簾性能的評(píng)價(jià)可分為基于整車碰撞試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和零部件級(jí)評(píng)價(jià)。
氣簾通常在縱向上卷曲收縮成“布卷”狀,由螺釘固定在車頂側(cè)邊區(qū)域。圖1展示一組卷形疊袋的氣簾。與其他安全氣囊類似,其工作方式在于,當(dāng)側(cè)碰傳感器收到足夠的碰撞信號(hào)后,控制器向氣體發(fā)生器發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)。氣體發(fā)生器點(diǎn)爆后迅速產(chǎn)生大量氣體并在幾十毫秒內(nèi)充滿整個(gè)氣簾。氣簾點(diǎn)爆并展開后,在車窗內(nèi)部,從頂棚往下形成穩(wěn)定且充滿彈性的充氣區(qū)域。該充氣區(qū)一方面能有效阻擋乘員被甩出車外,同時(shí)在乘員頭部與硬質(zhì)危險(xiǎn)源之間,如車窗玻璃、從側(cè)面侵入的硬柱或車輛、翻滾中經(jīng)過的地面等,搭建彈性緩沖區(qū)域,防止頭部直接撞擊硬物,大大降低頭部損傷。
圖1 卷形疊袋氣簾
側(cè)面氣簾與其他安全氣囊的主要區(qū)別有以下3點(diǎn):
(1)氣簾在縱向上的尺寸較大
氣簾通常由A柱貫穿乘員艙覆蓋至C柱,形成常見的“前后一體式氣簾”,對(duì)前后排乘員都能實(shí)施保護(hù)。
(2)氣簾上一般沒有泄氣孔
DAB、PAB和膝部氣囊上通常都有泄氣孔的存在。當(dāng)乘員撞到這些氣囊上后,通過氣孔的排氣節(jié)流形成阻尼吸收乘員動(dòng)能。而氣簾表面積較大,一般不再制造泄氣孔,反而需要選擇密封性好的簾布材質(zhì)并改善加工工藝來提高氣簾保壓性能。
(3)氣簾上存在非充氣區(qū)域
氣簾上會(huì)根據(jù)需求設(shè)計(jì)出一定面積的非充氣區(qū)域。對(duì)整個(gè)氣簾來說,不是所有區(qū)域都必須充滿氣體,如乘員不易撞到的B柱附近。利用縫線、膠粘等工藝制造出非充氣區(qū)域,一方面為氣簾塑形,做出各位置的進(jìn)氣通道,也使得氣簾在相同進(jìn)氣量下能夠在需要的位置更快地形成更高的壓力值。
基于整車碰撞試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)需要借助實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行,如裝有可變形蜂窩鋁的臺(tái)車從側(cè)面撞擊試驗(yàn)車和試驗(yàn)車在飛行地板被拖拽撞擊剛性柱。通過這些試驗(yàn)后得到的假人數(shù)據(jù)、視頻、照片等資料分析氣簾保護(hù)性能。
頭部傷害指標(biāo)(head injury criterion,HIC)是常用的評(píng)估側(cè)面碰撞假人的傷害指標(biāo),是各類碰撞試驗(yàn)均會(huì)采集的基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在側(cè)碰試驗(yàn)中,側(cè)面氣簾主要承接保護(hù)前后排假人頭部,能有效降低值。各類側(cè)面碰撞試驗(yàn)中的值是氣簾性能的重要參考指標(biāo),體現(xiàn)了氣簾的吸收頭部沖擊能量的特性。表1列出了不同NCAP(new car assessment program)定義的側(cè)面碰撞類型。表2列出了不同法規(guī)定義的側(cè)面碰撞類型。
表1 不同NCAP定義的側(cè)面碰撞類型
表2 不同法規(guī)定義的側(cè)面碰撞類型
繼Euro NCAP之后,C-NCAP在2018版評(píng)價(jià)規(guī)程中引入了側(cè)氣簾評(píng)價(jià),制定方法單獨(dú)對(duì)側(cè)面氣簾實(shí)施針對(duì)性檢測。該評(píng)價(jià)包括外觀尺寸、展開形態(tài)和動(dòng)態(tài)保護(hù)3個(gè)方面,其中展開形態(tài)和動(dòng)態(tài)保護(hù)依托側(cè)碰試驗(yàn)開展。通過車載高速攝像,觀察氣簾展開期間氣簾與假人頭部、氣簾與車身上相鄰部件的相互關(guān)系。
展開形態(tài)要求:氣簾在展開期間不能勾掛到車身內(nèi)飾件;不能因氣簾劃到車身零件銳利邊緣而導(dǎo)致破裂;不能卡在頂棚或B柱上飾板內(nèi)導(dǎo)致氣簾無法展開或展開延遲。氣簾在展開期間,頂棚等部件會(huì)被撐開,要求內(nèi)飾件發(fā)生脫落或斷裂后,不應(yīng)產(chǎn)生銳邊、尖角及毛刺等會(huì)傷害乘員的特征。側(cè)面碰撞發(fā)生時(shí),車輛一方面受到外部劇烈沖擊,內(nèi)飾也會(huì)受到來自內(nèi)部,氣簾點(diǎn)爆時(shí)產(chǎn)生的沖擊。氣簾周邊的零部件可能出現(xiàn)脫落并在乘員艙內(nèi)飛濺,如果飛濺物砸到假人會(huì)造成一定程度的二次傷害。C-NCAP要求側(cè)氣簾展開期間不能出現(xiàn)硬質(zhì)飛濺物。允許出現(xiàn)軟質(zhì)飛濺物,單片質(zhì)量應(yīng)不大于3 g,合計(jì)質(zhì)量不超過5 g。
假人頭部側(cè)面在指定位置涂有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的油彩。通過視頻觀察碰撞期間假人頭部與氣簾的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況和接觸情況,并結(jié)合試驗(yàn)后氣簾上顏色印記的照片,判斷假人頭部與氣簾的接觸位置是否落在充氣區(qū)域內(nèi)。由于氣簾上存在一定面積的非充氣區(qū)域,如果在碰撞發(fā)生時(shí),假人頭部沒有被充氣區(qū)域穩(wěn)妥承接,反而砸向非充氣區(qū)域,那么氣簾則沒能發(fā)揮應(yīng)有的保護(hù)效果。動(dòng)態(tài)保護(hù)旨在從真實(shí)碰撞環(huán)境下,在整車層面上考察乘員與氣簾的匹配效果。
一般來講,某種側(cè)碰試驗(yàn)采用的假人基本固定。因此,基于實(shí)車碰撞的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)只能得到一種體征假人與氣簾的適配情況,還需要檢驗(yàn)方法來評(píng)估氣簾對(duì)不同身材乘員的普適情況。C-NCAP側(cè)氣簾評(píng)價(jià)中的靜態(tài)評(píng)價(jià)給出了一種評(píng)價(jià)氣簾對(duì)更廣范圍乘員適用性的方法。首先應(yīng)根據(jù)頭部質(zhì)心換算公式得到乘坐該座椅下5th假人和95th假人頭部質(zhì)心的坐標(biāo)值(僅以前排為例)。
(1)
(2)
式中:Δ為座椅5th人體設(shè)計(jì)位置至座椅行程中間偏后20 mm的位置;Δ為座椅行程中間偏后20 mm的位置座椅至95 th人體設(shè)計(jì)位置。
由公式(2)計(jì)算出5th假人和95th假人頭部質(zhì)心坐標(biāo)后,根據(jù)圖2所示尺寸向外擴(kuò)展,則得出理論評(píng)價(jià)區(qū)間,其中82 mm的設(shè)定來源于50th假人頭部半徑為82 mm。該區(qū)間從理論上涵蓋了體征尺寸在5th至95th內(nèi)乘員頭部可能撞擊接觸到的范圍。
圖2 側(cè)氣簾頭部理論評(píng)價(jià)區(qū)間示意
利用側(cè)碰試驗(yàn)后相對(duì)完好的非碰撞側(cè),外接氣簾點(diǎn)爆線并手動(dòng)點(diǎn)爆非碰撞側(cè)氣簾。借助專業(yè)測量軟件Polyworks和柔性三坐標(biāo)測量儀掃描車窗玻璃膠條上邊緣和車門膠條內(nèi)邊緣。兩線相交得到車窗的透光區(qū)域,這也是乘員最容易被甩出車外的區(qū)域。在展開后的非碰撞側(cè)氣簾上連接充氣設(shè)備和氣壓表后,將氣簾充氣至氣壓達(dá)到制造商推薦值。之后沿氣簾上非充氣區(qū)域的邊界線繼續(xù)掃描得到氣簾的外廓邊界線和內(nèi)部非充氣區(qū)域的尺寸特征。
透光區(qū)域和圖所示理論評(píng)價(jià)區(qū)域在平面上投影后相交得到最終評(píng)價(jià)區(qū)域。該區(qū)域代表了乘員頭部最容易撞擊和甩出車外的區(qū)間。
側(cè)面氣簾應(yīng)完整地覆蓋此區(qū)域,氣簾地外廓邊界不能小于此最終評(píng)價(jià)區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)部允許出現(xiàn)氣簾上設(shè)計(jì)的非充氣形狀,但尺寸應(yīng)滿足下列要求:
(1)充氣區(qū)域間的接縫寬度不超過15 mm;
(2)非充氣區(qū)域的直徑不大于50 mm或等效面積不大于625π mm。
圖3展示了完整的氣簾靜態(tài)評(píng)價(jià)掃描線圖。
圖3 氣簾靜態(tài)評(píng)價(jià)掃描線圖
Euro NCAP中包含對(duì)側(cè)面氣簾靜態(tài)尺寸的評(píng)價(jià),方法與C-NCAP基本一致。同時(shí)作為一種主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目,會(huì)通過試驗(yàn)視頻和試驗(yàn)后狀態(tài)對(duì)側(cè)面氣簾的展開情況進(jìn)行檢查。ASEAN NCAP中同樣包含對(duì)氣簾的靜態(tài)尺寸評(píng)價(jià),但在前排理論頭部保護(hù)區(qū)域的設(shè)定上與C-NCAP和Euro NCAP不同。ASEAN NCAP中規(guī)定,前排假人頭部質(zhì)心投影到車身坐標(biāo)系平面后,以此為基準(zhǔn)沿軸車頭方向200 mm,沿軸向下160 mm后得到一個(gè)矩形區(qū)域,該區(qū)域與C-NCAP中的理論頭部評(píng)價(jià)區(qū)域類似,與車窗透光區(qū)域邊界線相交后得到的區(qū)域即為實(shí)際最終評(píng)價(jià)區(qū)域,如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)要求最終評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)應(yīng)被氣簾充氣區(qū)域覆蓋,非充氣區(qū)域尺寸要求與C-NCAP和Euro NCAP一致。
圖4 ASEAN NCAP前排頭部保護(hù)區(qū)域
據(jù)美國高速公路管理局NHTSA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,雖然美國翻滾事故發(fā)生率僅為2%~4%,但翻滾事故造成的死亡率卻超過30%。造成如此高死亡率的原因在于車輛翻滾期間,假人整體或部分被甩出車外。側(cè)面氣簾因其展開位置緊鄰車窗,對(duì)于防止乘員沖出車窗能夠發(fā)揮重要作用。2011年1月,NHTSA正式發(fā)布聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS226,主要考察側(cè)面氣簾對(duì)固定沖擊頭型的緩沖限制能力。試驗(yàn)中,18 kg的沖擊頭型由乘員艙內(nèi)部向外發(fā)射,標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)車窗應(yīng)達(dá)到4個(gè)沖擊試驗(yàn)位置,目的在于盡可能地覆蓋整個(gè)車窗,沖擊頭型的外表面不能超過零位移平面100 mm。試驗(yàn)條件有以下兩種:
(1)氣簾展開1.5 s后,頭型以20 km/h的速度沖擊氣簾,對(duì)應(yīng)快速翻滾工況;
(2)氣簾展開6 s后,頭型以16 km/h的速度沖擊氣簾,對(duì)應(yīng)多翻滾工況。
影響氣簾拋出緩沖性能的因素主要有3點(diǎn),分別是氣簾保護(hù)面積、氣簾內(nèi)部壓力值和氣簾保壓性能。由于頭型沖擊位置的選擇會(huì)盡可能地考慮翻滾事故發(fā)生時(shí)頭部撞擊位置的隨機(jī)性,4個(gè)沖擊位置會(huì)按目標(biāo)位置選取方法廣泛分布,覆蓋整個(gè)車窗,如圖5所示。如果氣簾充氣區(qū)域不夠,保護(hù)區(qū)域無法完整阻擋所有沖擊位置,則未能覆蓋位置的頭型偏移量可能會(huì)超出限值。
圖5 沖擊頭型撞擊位置
一般來講,氣簾內(nèi)部壓力值越高,氣簾充氣區(qū)域的硬度越高,氣簾整體剛性越強(qiáng),對(duì)于沖擊頭型的阻擋限制性能更好。然而過高的氣壓值會(huì)對(duì)假人頭部損傷情況帶來不利影響。假人頭部撞到過硬的氣簾上會(huì)導(dǎo)致值增高。在同一種氣簾形式下,氣簾壓力值的增高使得拋出緩沖性和頭部傷害值呈負(fù)相關(guān)。
考慮到氣簾表面積大,內(nèi)部氣體泄漏會(huì)導(dǎo)致壓力值快速降低。而對(duì)于可能出現(xiàn)的外圈翻滾,需要?dú)夂熌軌蛱峁┹^長時(shí)間的保護(hù),即充氣區(qū)域能在更長時(shí)間內(nèi)維持一定的壓力值,為乘員提供持久保護(hù)。FMVSS226中規(guī)定了在氣簾點(diǎn)爆后6 s時(shí)的頭型沖擊試驗(yàn),目的也是考察氣簾的保壓性能,在點(diǎn)爆6 s后能否維持穩(wěn)定氣壓阻擋頭型沖擊。
隨著汽車安全領(lǐng)域?qū)Ψ瓭L工況的不斷重視和FMVSS226的推行,汽車廠商對(duì)氣簾保壓性能的重視程度越來越高。2021版C-NCAP也在2018版氣簾評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上引入了對(duì)氣簾保壓性能的評(píng)價(jià)。對(duì)于配置側(cè)面氣簾的車輛,若滿足FMVSS226或氣簾內(nèi)部壓力保持性能要求,可獲得2分的加分。若參與評(píng)價(jià)的廠家選擇FMVSS226執(zhí)行,則向C-NCAP管理中心提供相關(guān)報(bào)告審核即可。下面重點(diǎn)介紹氣簾壓力保壓測試的內(nèi)容。
選取側(cè)碰試驗(yàn)后的車輛,與18版直接點(diǎn)爆非碰撞側(cè)氣簾不同,點(diǎn)爆前要對(duì)氣簾進(jìn)行一系列預(yù)處理工作,保壓性能測試具體操作流程如下:
(1)一般來講,需要先移除非碰撞側(cè)A、C柱飾板。
(2)在首尾兩端將卷曲的氣簾適當(dāng)放下鋪平。
(3)找到氣簾前后第一個(gè)固定點(diǎn),從該位置向下,在距縫線40 mm的位置開口。
(4)在前后開口處安裝氣管接頭及墊布、墊片、螺母等相關(guān)配件。
(5)在接頭位置充分涂膠密封后靜置12 h以上,使膠水充分凝固粘接,如圖6所示。
圖6 密封好的氣孔接口
(6)在氣管接頭上安裝導(dǎo)氣管,氣管另一端連接氣壓傳感器。
(7)連接數(shù)采、觸發(fā)同步器、點(diǎn)火器等設(shè)備,點(diǎn)爆氣簾的同時(shí)采集氣簾內(nèi)壓力值。
圖7展示了氣簾保壓試驗(yàn)設(shè)備連接簡圖。對(duì)采集的氣壓數(shù)據(jù)按CFC180進(jìn)行濾波。氣簾在點(diǎn)爆后40 ms左右基本充氣完畢,因此將40~70 ms內(nèi)壓力的平均值作為氣簾的工作壓力。按C-NCAP要求,若點(diǎn)爆后70~6 000 ms內(nèi)氣壓的最小值大于工作壓力的50%,則認(rèn)為保壓性能合格。
圖7 氣簾保壓試驗(yàn)設(shè)備連接簡圖
圖8展示了某氣簾40~70 ms壓力曲線,圖9展示了同組數(shù)據(jù)0~6 s的內(nèi)壓力曲線,圖10展示了同組數(shù)據(jù)的0~200 ms內(nèi)壓力曲線。保壓測試評(píng)價(jià)方法與國際前沿檢測方法密切接軌,在一些參數(shù)的設(shè)置上直接對(duì)標(biāo)FMVSS226。目前,歐洲尚無對(duì)氣簾保壓性能的檢測方法。
圖8 某氣簾40~70 ms壓力曲線
圖9 某氣簾0~6 s內(nèi)壓力曲線
圖10 某氣簾0~200 ms內(nèi)壓力曲線
結(jié)合圖9、圖10分析可得出下列氣壓曲線特征:
(1)氣簾點(diǎn)爆初期,壓力值出現(xiàn)極高的尖峰。此時(shí)氣簾整體進(jìn)氣量不高,但是爆炸會(huì)對(duì)氣簾腔體產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊力,同時(shí)氣簾處于展開初始階段容積極小。兩種因素疊加造成壓力值較高的尖峰。氣簾制造商應(yīng)控制此壓力峰值,避免因壓力的突變導(dǎo)致氣簾損壞。
(2)氣壓曲線在40 ms前波動(dòng)劇烈,原因在于氣簾初始處于卷收狀態(tài),隨著展開過程,氣簾腔體容積迅速擴(kuò)大。因此,在前40 ms氣簾腔體處于進(jìn)氣量和容積雙增長的狀態(tài),同時(shí)這兩個(gè)變量的增長并非線性,導(dǎo)致前40 ms內(nèi)氣壓曲線極不穩(wěn)定。
(3)40 ms左右,氣簾基本展開完全,腔體內(nèi)部容積處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí),隨進(jìn)氣量的增加,氣壓值穩(wěn)步增長至162 ms左右達(dá)到峰值。
某氣簾內(nèi)部壓力衰減曲線如圖11所示。
圖11 某氣簾內(nèi)部壓力衰減曲線
圖11展示了某氣簾內(nèi)部氣壓從峰值開始衰減至6 s的曲線,從曲線形式上可以看出衰減曲線呈下凸樣式,氣壓衰減速率隨時(shí)間推移不斷降低。衰減速率與氣壓值呈正相關(guān),即氣壓值越高衰減速率越高,氣壓越低衰減速率越低。衰減曲線整體較為平緩,衰減趨勢接近線性。連接曲線首末兩點(diǎn)得到氣壓曲線的線性擬合,可算出從峰值氣壓到6 s時(shí)刻氣壓衰減的平均速率。圖中虛線曲線為實(shí)測衰減曲線的指數(shù)擬合,可發(fā)現(xiàn)實(shí)測氣壓衰減曲線形式上與指數(shù)函數(shù)曲線更為接近。指數(shù)函數(shù)更能表征氣簾氣壓隨時(shí)間變化函數(shù)。
對(duì)實(shí)測氣簾氣壓衰減曲線微分處理后得到氣簾氣壓衰減速率曲線,如圖12所示。其中虛線曲線是根據(jù)高級(jí)濾波后的實(shí)測氣壓隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)微分得到,雖然實(shí)際微分曲線不甚光滑,仍能觀察到氣壓衰減速率隨時(shí)間推移逐漸減小的趨勢。為該微分曲線匹配擬合曲線,發(fā)現(xiàn)與對(duì)數(shù)函數(shù)曲線形式最為匹配,圖中實(shí)線曲線為氣壓衰減速率對(duì)數(shù)擬合曲線。
圖12 氣簾氣壓衰減速率曲線
綜上所述,在氣簾開發(fā)階段,內(nèi)部氣壓值的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮拋出緩沖性能和假人傷害值來確定,不宜過低或過高。在此適宜工作氣壓的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)氣簾的保壓性能,使氣簾提供持續(xù)穩(wěn)定的壓力值。
分析氣簾氣壓隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),氣簾氣壓衰減曲線接近指數(shù)函數(shù)形式。氣壓衰減速率隨時(shí)間增長逐漸減小,氣壓衰減速率曲線接近對(duì)數(shù)函數(shù)形式。
隨著消費(fèi)者對(duì)車輛安全性能的不斷重視和2018版C-NCAP的穩(wěn)步實(shí)施,我國車輛側(cè)面氣簾的配置率越來越高。作為中國汽車行業(yè)安全領(lǐng)域檢測標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)者,C-NCAP在2018版的基礎(chǔ)上引入了氣簾保壓性能的評(píng)價(jià),進(jìn)一步豐富了側(cè)面氣簾評(píng)價(jià)體系,為氣簾開發(fā)人員提供新思路、新方法的同時(shí),有力推動(dòng)著我國汽車安全水平的進(jìn)步。目前,2021版C-NCAP已經(jīng)形成了靜態(tài)尺寸、展開形態(tài)、動(dòng)態(tài)保護(hù)和保壓測試四位一體的側(cè)氣簾評(píng)價(jià)方法,對(duì)側(cè)氣簾性能的檢測更加完整,更加嚴(yán)格。