離位工況下側(cè)面氣囊展開對(duì)Hybrid Ⅲ 3兒童假人損傷的研究

胡雷，周揚(yáng)，柳惠君，李月明

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

側(cè)面碰撞是交通事故中較為常見一種碰撞形式，根據(jù)CIDAS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)乘用車碰撞事故中，側(cè)面碰撞占比為31.6%。車輛在側(cè)面碰撞過程中,乘員的頭部、胸部、腹部及骨盆容易受到傷害。為了減少車內(nèi)乘員在側(cè)面碰撞過程中的傷害風(fēng)險(xiǎn)，越來越多的企業(yè)采用側(cè)面安全氣囊，該裝置的引入可以降低側(cè)面碰撞中乘員受到嚴(yán)重傷害的發(fā)生率。但是安全氣囊也會(huì)在碰撞中引入新的能量，在某些情況下會(huì)加劇而不是改善受傷的可能性，例如對(duì)于離位(out-of-position，OOP)兒童以及5%成年女性來說，由于其身材較小，乘坐位置靠近安全氣囊，而且正常乘坐的乘客也可能會(huì)因碰撞前的事件(如剎車)而被迫離開初始位置[1]。在此情形下，安全氣囊的展開會(huì)導(dǎo)致其損傷甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)。為此，側(cè)面氣囊離位損傷技術(shù)工作組(TWG)通過試驗(yàn)結(jié)果確定Hybrid Ⅲ 3兒童假人、HybridⅢ6兒童假人、SIDⅡs和HybridⅢ型5%成年女性假人具備必要的耐久性和重復(fù)性，因而選用作為測(cè)試對(duì)象。通過適當(dāng)定位假人，使力傳感器的方向與部署安全氣囊的力方向一致，可以對(duì)離位傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)研究結(jié)果制定了測(cè)試要求和假人損傷參考指標(biāo)，以指導(dǎo)生產(chǎn)廠家在側(cè)面氣囊方面的開發(fā)。

1 Hybrid Ⅲ 3兒童假人的側(cè)面氣囊離位測(cè)試方法

1.1 Hybrid Ⅲ 3兒童假人測(cè)試工況

目前市場(chǎng)上主要采用的氣囊有安裝在側(cè)圍上端的側(cè)氣簾(CAB)、座椅外側(cè)的側(cè)氣囊(SAB)，也存在少數(shù)車輛將氣囊安裝在車門上(Door-AB)。為減輕車上乘員在側(cè)面碰撞過程中的傷害,TWG工作組對(duì)上述3種氣囊進(jìn)行了試驗(yàn)研究，Hybrid Ⅲ 3兒童假人側(cè)面氣囊OOP試驗(yàn)工況見表1。Hybrid Ⅲ 3兒童的試驗(yàn)乘坐姿態(tài)如圖1所示。

圖1 Hybrid Ⅲ 3兒童的試驗(yàn)乘坐姿態(tài)

1.2 假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)

側(cè)面氣囊OOP損傷技術(shù)工作組定義兩組假人傷害數(shù)據(jù)，即：損傷參考值和損傷研究值。其中，具有充分科學(xué)依據(jù)的數(shù)值被歸類為傷害參考值(表2)。目前由于科學(xué)支持較少或試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足，無法完全確定其準(zhǔn)確性的損傷值被歸類為損傷研究值(表3)。供應(yīng)商在設(shè)計(jì)氣囊過程中需要根據(jù)傷害參考值進(jìn)行設(shè)計(jì)，即假人在試驗(yàn)過程中的傷害值不能超過該參考值。為了給乘客提供更好的保護(hù)，供應(yīng)商在側(cè)面氣囊的OOP試驗(yàn)開發(fā)中，對(duì)傷害參考值要求更為嚴(yán)苛。側(cè)面氣囊OOP損傷技術(shù)工作組建議供應(yīng)商同時(shí)在設(shè)計(jì)的側(cè)面氣囊系統(tǒng)時(shí)也盡可能的考慮損傷研究值，并在可行的情況下將其納入這些設(shè)計(jì)中。

表2 側(cè)面氣囊OOP試驗(yàn)Hybrid Ⅲ 3兒童假人損傷參考值

1.2.1 頭部損傷

HIC是目前最廣泛接受的衡量頭部傷害風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。HIC值根據(jù)下面的公式來進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：t2和t1為在碰撞加速度曲線中任意的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，s;a為加速度，用重力加速度(以g為單位)的倍數(shù)衡量，計(jì)算時(shí)采用的是三向合成加速度。

對(duì)于側(cè)面氣囊展開對(duì)人體損傷采用HIC15，也就是在15 ms的時(shí)間差情況下的HIC值。Hybrid Ⅲ 3兒童假人HIC指標(biāo)是根據(jù)50%的男性HIC最大不超過700的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮放獲得。

1.2.2 頸部損傷

頸部傷害的評(píng)價(jià)參考指標(biāo)主要由頸部力FZ和Nij組成。Nij采用了FMVSS08里面的正面氣囊OOP頸部評(píng)價(jià)項(xiàng)，計(jì)算公式為：

(2)

式中：FZ和Mocy分別為軸向力和矢向彎曲力矩;FZc和Myc分別為其相應(yīng)的臨界截距值。

因?yàn)镹ij包含軸向力和彎曲力矩，軸向力包含壓縮和拉伸兩種情況，彎曲力矩包括前彎曲和后彎曲兩種情況。因此為評(píng)價(jià)所有可能的載荷情況必須考慮以下4個(gè)不同的指標(biāo)：Nte用于拉伸和后彎曲，Ntf用于拉伸和前彎曲，Nce和Ncf分別用來代表壓縮和后彎曲以及壓縮和前彎曲的值。

1.2.3 胸部損傷

胸部損傷主要考查的是胸壓量和胸壓速率。胸壓量直接通過假人胸部位移傳感器獲得,胸壓速率通過胸壓量求導(dǎo)計(jì)算獲得。

2 Hybrid Ⅲ 3兒童假人側(cè)面氣囊離位試驗(yàn)損傷分析

2.1 頭部傷害HIC

Hybrid Ⅲ 3兒童假人傷害值匯總見表4。常見的4種工況中，前朝向坐姿的兒童假人HIC值最高，達(dá)到107.22，但比參考值570小，因此在本車型中對(duì)Hybrid Ⅲ 3兒童假人造成的傷害較小。如圖5所示，通過假人頭部加速度曲線可以看出，合成加速度峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的X向和Z向的頭部加速度均比較大，造成頭部HIC的傷害主要是由于SAB和CAB共同作用假人頭部造成。

表4 Hybrid Ⅲ 3兒童假人傷害值匯總

圖2 Hybrid Ⅲ 3兒童假人前朝向頭部加速度曲線

2.2 頸部傷害

2.2.1 頸部Nij

由表4可知，4種工況中平躺座椅工況下頸部的Nij值最大。通過圖3的Nij曲線可看出，平躺工況下，假人頸部Nce的傷害指標(biāo)最大，即試驗(yàn)過程中假人受到的頸部壓縮力和向后彎矩最大。結(jié)合視頻分析，在假人平躺姿態(tài)，頭部平躺在座墊上。試驗(yàn)過程中CAB并未與假人接觸，假人頸部傷害主要由于SAB的展開造成，如圖4所示。SAB在展開過程中作用于假人頭部，造成假人頭部拉伸力和后彎曲扭矩達(dá)到最大，即Nce值最大。

圖3 Hybrid Ⅲ 3兒童假人平躺頸部Nij

圖4 Hybrid Ⅲ 3兒童平躺Nij視頻截圖

通過4次試驗(yàn)可看出，頸部Nij值均小于參考值1。根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，Nij>0.2有受到AIS1長(zhǎng)期損傷的風(fēng)險(xiǎn)，Nij>0.16有受到AIS1短期損傷的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，盡管4種工況傷害值小于1，但均存在受到AIS1長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)的損傷。

2.2.2 頸部拉伸力

由表4可知，4種工況中頭靠扶手平躺的工況下，假人頸部的拉伸力最大。試驗(yàn)過程中，CAB的展開直接作用于假人頭部，對(duì)上頸部造成較大的拉伸作用，如圖5和圖6所示。拉伸載荷過大容易造成枕骨錯(cuò)位、韌帶損傷和骨折等[2]。

圖5 Hybrid Ⅲ 3兒童假人頭靠扶手平躺頸部拉伸力

圖6 Hybrid Ⅲ 3兒童頭靠扶手平躺拉伸力視頻截圖

2.2.3 頸部壓縮力

由表4可知，4種工況中平躺座椅的工況下假人頸部的壓縮力最大。SAB在展開過程中，氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體通過噴嘴噴射到氣袋內(nèi)，由于氣體的流動(dòng)和擴(kuò)散使氣袋膨脹展開[3]，迅速作用于假人的頭頸部，并填充假人頭部與門內(nèi)飾之間的間隙。在填充完假人頭部和門內(nèi)飾之間間隙過程中，SAB會(huì)繼續(xù)擠壓假人頭部，而此時(shí)由于假人頭頸部受到坐墊的約束，造成其頸部壓縮力增大,如圖7和圖8所示。

圖7 Hybrid Ⅲ 3兒童假人平躺頸部壓縮力

圖8 Hybrid Ⅲ 3兒童平躺壓縮力視頻截圖

2.3 胸部傷害

由表4可知，4種工況中后朝向的假人胸壓量和胸壓速率略高于其他3種工況，但均遠(yuǎn)小于參考值。4種工況中，僅有后朝向的工況假人胸部會(huì)直接與SAB接觸，其余工況假人胸部都未與SAB和CAB有直接接觸的可能性。試驗(yàn)過程中假人未受到其他相關(guān)約束，在CAB和SAB展開作用于假人的胸部時(shí)，假人會(huì)沿著展開的方向運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)假人的胸壓量和胸壓速率都比較小，故離位工況下SAB和CAB對(duì)假人的胸部傷害不明顯，如圖9至圖11所示。

圖9 Hybrid Ⅲ 3歲兒童后朝向胸壓量

圖10 Hybrid Ⅲ 3歲兒童后朝向胸壓速率

圖11 Hybrid Ⅲ 3兒童假人后朝向視頻截圖

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)對(duì)離位乘員的保護(hù)尚處于起步階段，相關(guān)研究較少。本文按照TWG的測(cè)試要求，針對(duì)Hybrid Ⅲ 3兒童假人進(jìn)行了離位工況下側(cè)面氣囊的展開試驗(yàn)，并對(duì)Hybrid Ⅲ 3兒童假人的傷害值進(jìn)行研究分析，得出了以下結(jié)論：

(1)Hybrid Ⅲ 3兒童假人前朝向坐姿頭部受到SAB和CAB的共同作用，造成其HIC值在4種工況中最高；平躺座椅工況中頸部的受到SAB的作用Nij值達(dá)到最大；頭部靠近扶手的工況中頸部的拉伸力最大；后朝向試驗(yàn)工況中假人未受到其他相關(guān)約束，在CAB和SAB展開作用于假人的胸部時(shí)，假人會(huì)沿著展開的方向運(yùn)動(dòng)，因此其對(duì)胸部傷害不明顯。

(2)基于TWG的離位試驗(yàn)涉及Hybrid Ⅲ 3、Hybrid Ⅲ 6、SID-IIs 3類假人，一輪試驗(yàn)涉及不低于15種試驗(yàn)工況，試驗(yàn)量大、試驗(yàn)數(shù)據(jù)多以及試驗(yàn)周期長(zhǎng)。通過對(duì)假人在試驗(yàn)過程中的傷害研究，為優(yōu)化試驗(yàn)次數(shù)提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)成本減少和開發(fā)周期縮短。

(3)基于TWG的離位試驗(yàn)要求中，假人定位缺少可量化的具體要求，因此在定位過程中受試驗(yàn)工程師的主觀性和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)影響比較大。不斷總結(jié)和積累相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)提升OOP試驗(yàn)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)一致性非常重要。