正面碰撞中車體B柱加速度與安全帶選配間的關(guān)聯(lián)性研究

商恩義 師玉濤 楊勁松 張世凱

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 前言

在C-NCAP星級評價體系中，正面碰撞試驗前排假人考核部位規(guī)定為頭部、頸部、胸部、大腿和小腿，其中，胸部傷害評價指標(biāo)為胸部壓縮變形量和胸部加速度cum.A3ms[1]，規(guī)定假人胸部分值為5分，并指出胸部壓縮變形量22 mm為滿分點(diǎn)，50 mm為零分點(diǎn)，中間值通過差值法計算。當(dāng)前，胸部壓縮變形量是碰撞中假人主要失分點(diǎn)，該失分與車體碰撞中B柱x向加速度形狀及安全帶的選擇密切相關(guān)。

2 預(yù)緊限力式安全帶的作用

2.1 安全帶作用與假人胸部傷害間關(guān)系

安全帶在通過約束對乘員整體起保護(hù)作用的過程中，通常會對配帶者胸部造成直接擠壓傷害，該擠壓傷害程度與安全帶的選配關(guān)系密切。假人胸部作為彈性結(jié)構(gòu)，具有一定剛度，該剛度與安全帶的作用力和作用速度等相關(guān)。以50km/h正面碰撞試驗中50%假人胸部為例[2]，在普通安全帶作用下，剛度為300N/mm左右，不易變形，但最終作用力大，直接傷害較高；在預(yù)緊限力式安全帶作用下，剛度為200N/mm左右，相對易變形，但最終作用力幅值小，直接傷害小。因此，結(jié)合成本考慮，卷收器預(yù)緊限力式安全帶當(dāng)前被普遍采用，且考慮到胸部壓縮變形量的滿分點(diǎn)為22mm，限力值通常定在4kN左右（經(jīng)過上導(dǎo)向環(huán)之后的測量值）。在實際碰撞過程中，安全帶除了直接作用對乘員胸部造成擠壓傷害之外，若選配不當(dāng)，還可能造成間接擠壓傷害，如當(dāng)選配的安全帶限力值過低時，可能會因其約束力不足，乘員胸部碰撞后期撞擊到轉(zhuǎn)向盤盤緣上，或與安全氣囊形成擠壓，造成瞬間超強(qiáng)傷害。

2.2 預(yù)緊限力式安全帶分類及作用效果

根據(jù)預(yù)緊器所在位置不同，安全帶預(yù)緊方式分為卷收器（retractor）預(yù)緊式、帶扣(buckle)預(yù)緊式和錨點(diǎn)(anchor)預(yù)緊式，以及卷收器預(yù)緊加帶扣預(yù)緊、卷收器預(yù)緊加錨點(diǎn)預(yù)緊的雙級預(yù)緊方式。相關(guān)研究表明[3]，同等條件正面碰撞試驗中，假人骨盆前、后位移量反映出的安全帶腰帶作用強(qiáng)度依次為雙級預(yù)緊＞帶扣預(yù)緊＞卷收器預(yù)緊＞無預(yù)緊。碰撞中后期，假人胸部前、后位移量反映出的安全帶肩帶作用強(qiáng)度依次為雙級預(yù)緊＞卷收器預(yù)緊＞帶扣預(yù)緊＞無預(yù)緊。因此，在雙級預(yù)緊作用下，假人向前運(yùn)動的相對速度最低，且胸部明顯表現(xiàn)為平動；在帶扣預(yù)緊作用下，假人將表現(xiàn)為平動加胸部繞骨盆軸線轉(zhuǎn)動；在卷收器預(yù)緊作用下，假人將出現(xiàn)平動加胸部轉(zhuǎn)動，但胸部轉(zhuǎn)動的強(qiáng)度將低于帶扣預(yù)緊作用。

3 不同B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

碰撞試驗中，假人所受傷害與假人相對車體的運(yùn)動密不可分。指定加速度x向為前、后方向，向前為正[4]，分析假人x向相對車體的運(yùn)動時，通常用假人骨盆該方向加速度減去車體B柱該方向加速度作為假人相對加速度[5]。該相對加速度波形基本是一個正弦波，加速部分以車體B柱加速度波形為主，減速部分以假人骨盆的加速度波形為主，因此，對不同B柱加速度波形而言，同類型安全帶對假人胸部的保護(hù)效果將完全不同。本文根據(jù)正面碰撞試驗中車體B柱加速度波形的近似程度，將其分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，分別選取其中駕乘人員配帶4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶的試驗結(jié)果進(jìn)行研究。

3.1 前高后低B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

某L車前端剛度偏大，碰撞中B柱加速度波形可視為前高后低階梯形，前排乘員配帶4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶，試驗所采集相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 中，B柱加速度曲線前高后低，高平臺平均為-40 g左右，低平臺平均為-15 g左右；骨盆加速度曲線幅值達(dá)到-65 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，安全帶有效作用階段處于B柱加速度曲線高平臺結(jié)束之后。

圖2中，胸部壓縮變形量曲線呈前低后高階梯狀，低平臺值約為26 mm，時間為50～63 ms；高平臺值約為32 mm，時間為73～83 ms；低平臺到高平臺過渡時間為63～73 ms。低平臺值為安全帶直接作用產(chǎn)生，比預(yù)計偏高4 mm，表明此次碰撞試驗中乘員假人胸部剛度偏低。在假人高速標(biāo)定和低速標(biāo)定試驗中，對試驗結(jié)果的規(guī)定反映出假人受到?jīng)_擊時，速度越高，胸部剛度越低[6，7]。 因此，此次試驗中安全帶獨(dú)立作用階段假人胸部剛度偏低原因可能是假人相對車體運(yùn)動速度過高所致；另外，高平臺值應(yīng)為安全帶選配不當(dāng)造成胸部與安全氣囊發(fā)生沖擊所致。

對骨盆加速度和B柱加速度取差值計算出相對加速度曲線如圖3所示，相對速度曲線如圖4所示，相對位移曲線如圖5所示。

圖3 中，假人相對加速度曲線加速和減速部分絕對幅值都達(dá)到40 g；圖4中，相對速度幅值達(dá)到7.4 m/s，成對稱結(jié)構(gòu)，相對速度在 63 ms時趨于平緩進(jìn)而轉(zhuǎn)向；圖5中，在63 ms前、后出現(xiàn)近似平臺。

綜合分析圖4和圖5可知，碰撞中假人相對速度幅值達(dá)到7.4 m/s，與通常5.5 m/s左右相比明顯過高，與圖2中的初步分析相符；在63 ms時假人相對速度下降至0.7 m/s，為最低，可認(rèn)為此時向前直線相對運(yùn)動結(jié)束，后續(xù)可能發(fā)生上挺、下潛等運(yùn)動情況。

綜合分析圖2和圖4，圖2中，從63 ms開始，胸部壓縮變形量發(fā)生突變，結(jié)合圖4可確認(rèn)突變發(fā)生在假人相對運(yùn)動結(jié)束階段。

依據(jù)上述分析可知，假人相對速度幅值高、結(jié)束快，加速和減速過程對試驗中假人都將形成較大沖擊。為進(jìn)一步分析沖擊影響，建立胸部壓縮變形量與假人相對車體位移的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 中，胸部壓縮變形量從低平臺向高平臺發(fā)生突變，從26 mm增至32 mm過程對應(yīng)假人相對位移為210～220 mm，即骨盆向前10 mm，胸部壓縮變形量增加6 mm。圖2中，該過程對應(yīng)時間為63～73 ms。整個突變過程表明，假人骨盆即將達(dá)到最大位移時，假人胸部前沖與安全氣囊發(fā)生10 mm左右擠壓沖擊，最終導(dǎo)致胸部壓縮變形量超標(biāo)嚴(yán)重。依據(jù)C-NCAP規(guī)定，胸部壓縮量為26 mm時可得4.3分，胸部壓縮量為32 mm時只可得3.2分，胸部后續(xù)擠壓沖擊造成額外損失1.1分。

總體分析可知，本次案例中所選擇安全帶碰撞時反應(yīng)不及時，即約束作用滯后性過強(qiáng)，且約束力不夠，導(dǎo)致假人相對加速度過大，相對速度過高，不但假人沒能被及時拉住，而且在加速和減速過程中都形成了沖擊。

3.2 前低后高B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

某M車前端剛度偏小，隨著碰撞深入，變形累積后剛度偏高，故碰撞中B柱加速度波形可視為前低后高階梯形，駕駛員側(cè)為4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶。

碰撞試驗后，所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

圖7 中，B柱加速度曲線視為前低后高階梯形，低平臺可看作-15 g左右，高平臺可看作-40 g左右；骨盆加速度曲線幅值達(dá)到-55 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，前期作用較好，但后期滯后明顯。

圖8中，胸部壓縮變形曲線呈三角形，未出現(xiàn)安全帶直接作用平臺。安全帶限力作用開始后，第55 ms時胸部壓縮變形量出現(xiàn)瞬間回彈，變形值為21 mm，為安全帶直接作用產(chǎn)生。安全帶限力后，假人胸部壓縮變形量快速增加，在約70 ms時達(dá)到29.5 mm，此結(jié)果應(yīng)為假人胸部與安全氣囊等產(chǎn)生沖擊造成。在約70 ms后，胸部壓縮變形量急速下降，借助高速攝像分析，此時吸能管柱潰縮吸能，胸部沖擊得到緩解。

取骨盆加速度和B柱加速度差值計算出相對加速度曲線如圖9所示，相對速度曲線如圖10所示。

圖9 中，相對加速度曲線加速部分幅值約為15g，持續(xù)時間約為58 ms；減速部分幅值約為-30 g，持續(xù)時間約為32 ms；圖10中，相對速度幅值為5.2 m/s，速度歸零時刻為第82 ms，減速開始至歸零用時24 ms，不足加速時間一半，降速相對較快。圖9和圖10綜合分析表明，假人相對速度最終幅值不高，但加速過程持續(xù)時間較長，即假人遲遲不能被安全帶約束住，最終導(dǎo)致假人與前方發(fā)生沖擊，在沖擊過程中結(jié)束相對運(yùn)動。

為進(jìn)一步確認(rèn)此碰撞過程，計算出假人相對位移如圖11所示，相對位移與胸部壓縮變形量之間關(guān)系如圖12所示。

圖11 中，在82 ms時，假人相對位移最大，為202 mm，一段時間后，在109 ms時回彈至190 mm。

圖12中，假人骨盆從即將達(dá)到最大位移至反彈初期，假人胸部受到明顯擠壓，持續(xù)時間較長，產(chǎn)生的胸部壓縮變形過程近似半球形。此結(jié)果進(jìn)一步證明假人胸部與安全氣囊發(fā)生碰撞過早，此時，安全氣囊剛度較大。假人胸部前沖擠壓到一定程度后，伴隨安全氣囊泄荷、方向管柱潰縮吸能，胸部沖擊才得以緩解；在胸部受阻及安全帶作用下，假人回彈，即假人回彈與胸部受到安全氣囊的沖擊作用密不可分。

綜合分析可知，本案例中安全帶約束效果一般，造成假人胸部運(yùn)動姿態(tài)較差，最終導(dǎo)致胸部與安全氣囊產(chǎn)生沖擊擠壓。

4 B柱加速度波形與安全帶選配間的關(guān)聯(lián)性研究

4.1 理想B柱x向加速度波形研究

對B柱2種階梯形加速度波形的研究表明，安全帶作用效果對B柱加速度波形的依賴程度較高，因此，為了提高安全帶作用效果及約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化可調(diào)整空間，車體需要在碰撞過程中出現(xiàn)一種理想的B柱加速度波形，使假人在常用的卷收器預(yù)緊限力式安全帶作用下，相對運(yùn)動平緩、無沖擊。

考慮到安全帶腰帶對骨盆的作用結(jié)果通常為前低后高近似階梯形，理想B柱加速度波形也應(yīng)為前低后高階梯形。另外，在安全帶腰帶作用后應(yīng)確保假人在整個相對運(yùn)動過程中無沖擊，因此，應(yīng)產(chǎn)生如下結(jié)果：假人骨盆相對位移在200 mm左右，整個相對動作時間為80 ms左右，相對速度基本為對稱三角形。

依據(jù)相對位移為200 mm、運(yùn)動時間為80 ms，計算出理想最大相對速度為5.5 m/s。相對速度基本為對稱三角形，則其加速度波形也基本對稱，時間歷程均為40 ms左右。

相對加速度加速部分以車體B柱加速度波形低平臺為主，時間歷程應(yīng)為15 ms左右。將低平臺部分看作梯形，以加速度幅值為高，以40 ms為下底、15 ms為上底，以速度5.5 m/s為面積，則可估算出加速度幅值為-20 g?？紤]到被骨盆加速度曲線取差值后會有所減弱，故理想B柱加速度曲線的低平臺應(yīng)為-23 g左右。

相對加速度的減速部分以骨盆加速度為主，主體部分通過骨盆加速度高平臺與理想B柱加速度曲線高平臺取差值獲得?？紤]到骨盆加速度的幅值通常在-55 g左右，差值后欲得到-20 g的平臺，B柱梯形波的第2個平臺幅值應(yīng)為-35 g左右。

依據(jù)上述分析，建立理想B柱階梯形加速度波形，結(jié)合試驗中假人骨盆加速度波形建立比較關(guān)系如圖13所示，相對加速度波形如圖14所示。

圖13 中曲線反映了理想加速度波形與卷收器預(yù)緊限力式安全帶腰帶作用結(jié)果之間的關(guān)系，其中，時間軸不局限于此；圖14中，相對加速度波形加速部分和減速部分基本對稱，平臺絕對幅值在20 g左右，即加速和減速過程都較平緩，碰撞中可減少或避免假人因沖擊造成的傷害。

4.2 不同階梯形B柱加速度波形下安全帶的選配

對于已開發(fā)完成且B柱加速度波形不是理想波形的車型，在安全帶選配上，為提高假人胸部保護(hù)效果，應(yīng)結(jié)合理想B柱加速度波形及前高后低、前低后高波形綜合考慮進(jìn)行。對于前高后低及前端平臺明顯高于23 g的階梯形波，考慮到單預(yù)緊限力式安全帶約束作用滯后性過強(qiáng)，應(yīng)盡可能選用雙級預(yù)緊限力式安全帶，以提高對假人整體約束作用，降低假人相對運(yùn)動速度，同時減少胸部與前方安全氣囊及轉(zhuǎn)向盤等的碰撞強(qiáng)度。另外，為確保安全帶對假人胸部有足夠約束作用，安全帶限力值應(yīng)不低于4 kN。

對于前低后高且前端平臺明顯低于23 g的階梯形波，應(yīng)提高安全帶腰帶約束作用，同時，確保假人胸部前撲、頭部前甩，最終使安全氣囊對假人頭部盡早起阻尼作用，且使頭部砸在氣囊中部，避免胸部在碰撞后期與安全氣囊發(fā)生過強(qiáng)接觸。因此，此種情況下應(yīng)盡可能采用帶扣預(yù)緊結(jié)合卷收器限力方式。

5 結(jié)束語

將正面碰撞試驗中車體B柱加速度波形分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出理想波形，并就3種波形下預(yù)緊限力式安全帶的選配進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：在安全帶選配時，應(yīng)充分考慮B柱加速度波形的影響，以腰帶作用能夠平衡假人相對運(yùn)動、肩帶能夠調(diào)整假人運(yùn)動姿態(tài)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選配，對于23～35 g理想B柱階梯形波形，可選配卷收器預(yù)緊限力式安全帶；對于前高后低及前端平臺明顯高于23 g的階梯形波，應(yīng)盡可能選用雙級預(yù)緊限力式安全帶；對于前低后高且前端平臺明顯低于23 g的階梯形波，應(yīng)盡可能采用帶扣預(yù)緊結(jié)合卷收器限力的安全帶組合。

1 中國汽車技術(shù)研究中心 (天津).中國新車評價規(guī)則（C—NCAP）,2009.

2 商恩義,張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車技術(shù)，2010，10:18～21.

3 張學(xué)榮,劉學(xué)軍,陳曉東,等.正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗驗證.汽車工程，2007，12:1055～1058.

4 SAE J211-1,Instrumentation for Impact Test– Part1–Electronic Instrumentation,REV.MAR95,2003.

5 商恩義,李洪梅.車體“剛度”在正面碰撞中對人體傷害影響的研究.汽車技術(shù)，2010，2:12～15.

6 USER′S MANUAL FOR THE 50th PERCENTILE MALE HYBRID III TEST DUMMY，SAE Engineering Aid.1998.

7 SAE J2779-2003.HIII 50th男性假人低速胸部碰撞試驗程序，2003.

8 GB14166.機(jī)動車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng).2003.