正面碰撞中基于新型前排安全座椅的后排約束系統(tǒng)優(yōu)化研究*

洪 亮，葛如海

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

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2015217

正面碰撞中基于新型前排安全座椅的后排約束系統(tǒng)優(yōu)化研究*

洪 亮，葛如海

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

提出了一種新型汽車前排安全座椅，以實現(xiàn)正面碰撞中對后排乘員的約束保護。首先，采用碰撞仿真軟件MADYMO建立了某轎車后排約束系統(tǒng)模型，進行仿真和試驗驗證，并利用該模型，分析確定能使乘員獲得較好的保護的扭簧轉(zhuǎn)動剛度為10N·m/(°)。接著通過靈敏度分析，選出5個較為敏感的參數(shù)。最后，以該5個參數(shù)為優(yōu)化變量，由頭部傷害指標(biāo)HIC15、胸部壓縮量D和枕骨伸張彎矩峰值Myoc加權(quán)構(gòu)成的綜合傷害指標(biāo)最小化為優(yōu)化目標(biāo)，通過響應(yīng)面分析進行優(yōu)化。優(yōu)化后，后排女性乘員安全性顯著提高，HIC15，D和Myoc分別降低了37.76%，4.72%和56.08%。

正面碰撞；新型前排安全座椅；后排約束系統(tǒng)；優(yōu)化

前言

汽車座椅是汽車安全的重要部件之一[1]，主要由坐墊、靠背和頭枕組成，坐墊約束乘員的向下運動，靠背約束乘員的向后運動，頭枕約束乘員頭部的向后運動。當(dāng)今汽車座椅對乘員的保護研究主要集中在座椅對自身乘員的保護上：例如在正面碰撞中，座椅前后位置、坐墊剛度和坐墊傾角與乘員傷害、“下潛”運動的關(guān)系研究[2-4]；在追尾碰撞中，座椅頭枕幾何位置、頭枕剛度、靠背剛度以及靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度等與駕駛員頸部“鞭傷”的關(guān)系研究[5-8]；在側(cè)面碰撞中，座椅靠背側(cè)氣囊、頭枕側(cè)氣囊對乘員傷害的影響研究[9]。然而有關(guān)汽車座椅對非自身乘員保護的研究很少。由于轎車后排座位空間相對狹小，在正面碰撞中，后排乘員頭部在碰撞慣性力的作用下，易與前排座椅發(fā)生二次碰撞，導(dǎo)致傷害。本文中提出了一種新型汽車前排安全座椅，該座椅能夠在后排乘員頭部撞擊前排座椅頭枕時，對后排乘員提供有效保護。

根據(jù)2012年中國新車評價規(guī)程中關(guān)于正面碰撞后排乘員安全性的相關(guān)規(guī)定，研究新型汽車前排安全座椅對后排女性乘員傷害的影響，并利用靈敏度分析法，確定采用該新型座椅時，后排約束系統(tǒng)中影響女性乘員傷害的主要因素，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，從而為該類型約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能的改進提供參考，同時為新型約束系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù)。

1 新型汽車前排安全座椅

1.1 新型汽車前排安全座椅的工作原理

新型汽車前排安全座椅主要由座椅頭枕、頭枕導(dǎo)桿、靠背骨架、U形頭枕導(dǎo)套、縱板、扭簧和橫桿等組成，如圖1所示。U型導(dǎo)套包括兩端的豎直桿和中間的水平桿；頭枕導(dǎo)桿可插入兩端的豎直桿中，用于調(diào)節(jié)頭枕高度；U型導(dǎo)套的水平桿下方固定有兩個縱板；固定在靠背骨架上的一橫桿穿過縱板中的圓孔而與之形成轉(zhuǎn)動鏈接；縱板間設(shè)有一扭簧，套裝于橫桿上，其自由長度略大于兩縱板間的距離，使彈簧有一定的壓縮量。扭簧的兩端分別卡在兩個縱板的小孔中。當(dāng)頭枕帶動U型導(dǎo)套和縱板向前轉(zhuǎn)動時，扭簧將產(chǎn)生反扭矩。

新型汽車前排安全座椅的工作原理是在轎車正面碰撞中，后排乘員頭部在慣性力的作用下撞擊該座椅頭枕時，扭簧的兩端在縱板的壓力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，這樣縱板就繞靠背骨架中的橫桿向前轉(zhuǎn)動一定角度，同時U型導(dǎo)套、導(dǎo)桿與頭枕向前轉(zhuǎn)動一定角度，從而吸收碰撞能量，有效減輕后排乘員受到的傷害。當(dāng)碰撞結(jié)束后，后排乘員在安全帶的拉力作用下向后位移，縱板失去后排乘員頭部撞擊力的作用，不再給扭簧施加扭力；此時扭簧恢復(fù)原有狀態(tài)，帶動縱板繞橫桿恢復(fù)原始狀態(tài)，同時U型導(dǎo)套、導(dǎo)桿和頭枕恢復(fù)原來位置，正常保護前排乘員頭和頸部安全。

1.2 正面碰撞后排乘員約束系統(tǒng)仿真模型的建立與驗證

以某型轎車乘員區(qū)域相關(guān)尺寸和性能參數(shù)為依據(jù)，采用碰撞仿真軟件MADYMO建立了包括車內(nèi)環(huán)境模型、Hybrid Ⅲ女性第5百分位橢球假人模型和三點式安全帶模型在內(nèi)的后排乘員約束系統(tǒng)仿真模型，并定義了各部件的載荷特性和各部件之間的接觸。

所建立的仿真模型須經(jīng)實際正面碰撞試驗的驗證。試驗獲得的假人各部位傷害響應(yīng)曲線與仿真計算的假人傷害響應(yīng)曲線的對比如圖2所示，假人主要傷害指標(biāo)的對比見表1。

從圖2看出，試驗與仿真得到的假人傷害響應(yīng)曲線吻合較好。表1表明仿真計算得到的假人各傷害指標(biāo)與試驗結(jié)果相比，雖存在一定的誤差，但誤差均小于10%，因此可將此仿真模型作為基本模型進行深入研究。

表1 假人傷害指標(biāo)的試驗與仿真對比

1.3 正面碰撞中新型前排安全座椅對后排女性乘員保護效果的分析

在所建立的正面碰撞仿真模型中，將前排駕駛員座椅靠背與頭枕導(dǎo)桿間的原固定鏈接改為轉(zhuǎn)動鉸鏈接。轉(zhuǎn)動鉸位于圖1中扭簧的位置，用于模擬新型前排安全座椅中扭簧的作用。并進一步分析4種扭簧(轉(zhuǎn)動鉸)轉(zhuǎn)動剛度對后排女性乘員的保護效果，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著新型前排安全座椅中扭簧的轉(zhuǎn)動剛度降低，乘員頭部、胸部以及頸部損傷值逐漸降低，胸部壓縮量和髖部合成加速度變化不大。當(dāng)扭簧的轉(zhuǎn)動剛度為10N·m/(°)時，繼續(xù)減小轉(zhuǎn)動剛度已不能顯著改善頭部和胸部的損傷值，并且太小的剛度值容易引起汽車正常行駛中頭枕誤動，不利于其自身乘員的乘坐舒適性。因此確定扭簧的最佳轉(zhuǎn)動剛度為10N·m/(°)。采用新型汽車前排安全座椅時，后排女性乘員的運動姿態(tài)如圖3所示。

表2 4種扭簧轉(zhuǎn)動剛度對后排女性乘員的保護效果

2 后排乘員約束系統(tǒng)整體優(yōu)化

采用新型汽車前排安全座椅，對后排女性乘員有較好的保護效果，但改變了后排乘員約束系統(tǒng)的約束特性，因此有必要對原約束系統(tǒng)進行優(yōu)化，為女性乘員提供最佳保護。

2.1 主要優(yōu)化因素的確定

首先進行后排約束系統(tǒng)各影響參數(shù)的靈敏度分析，以確定主要的優(yōu)化參數(shù)。

經(jīng)分析，影響后排女性乘員頭、頸部傷害的主要參數(shù)有：前排座椅頭枕后部剛度、前排座椅靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度、后排安全帶剛度(實際是延伸率，下同)、安全帶上掛點高度、安全帶摩擦因數(shù)等。影響胸部傷害的主要參數(shù)有：前排座椅靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度、前排座椅靠背后部剛度、安全帶剛度、安全帶上掛點高度、安全帶卷收器的鎖止特性、安全帶摩擦因數(shù)等。影響髖部及大腿傷害的主要參數(shù)有：前排座椅靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度、前排座椅靠背后部剛度、安全帶剛度、后排座椅坐墊剛度、后排座椅坐墊摩擦因數(shù)等。

因此，共選擇了前排座椅頭枕后部剛度、前排座椅靠背后部剛度、前排靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度、后排座椅的坐墊剛度、安全帶剛度和安全帶上掛點高度等6個參數(shù)，采用MADYMO軟件進行靈敏度分析仿真，參數(shù)如表3所示。

由表3可見，前4個參數(shù)，即前排座椅頭枕后部剛度、前排座椅靠背后部剛度、前排靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度和后排座椅的坐墊剛度的變動范圍皆取原值的±40%，而后座的安全帶剛度和安全帶上掛點高度則分別變動±30%和±15%。

表3 靈敏度分析仿真參數(shù)

仿真結(jié)果見表4。根據(jù)仿真結(jié)果，按下式計算各傷害指標(biāo)對諸參數(shù)的靈敏度，結(jié)果如表5所示。

100%

由表5可見，6個傷害指標(biāo)對后排座椅坐墊剛度最不敏感，對其靈敏度比對其它5個參數(shù)的靈敏度小一個數(shù)量級(按絕對值平均)至兩個數(shù)量級(按平均值)，因此將其剔除。最終確定優(yōu)化參數(shù)為前排座椅頭枕后部剛度、前排座椅靠背后部剛度、前排靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度、后排安全帶剛度以及安全帶上掛點高度等5個參數(shù)，取值范圍同表3中所示的上下限。

表4 各傷害指標(biāo)對諸參數(shù)的靈敏度分析仿真結(jié)果

表5 各傷害指標(biāo)對諸參數(shù)的靈敏度 %

2.2 約束范圍

選擇胸部3ms合成加速度T3MS，上頸部剪切力與軸向力以及左、右大腿力作為約束變量，約束條件為：T3MS低于40g，上頸部剪切力峰值F1和軸向力峰值F2分別低于1 200和1 700N，左、右大腿力峰值Fleft和Fright都低于3 200N。

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

2012中國新車評價規(guī)程中，規(guī)定正面碰撞后排女性乘員的頭部傷害指標(biāo)HIC15須小于700，胸部壓縮量D須小于48mm，枕骨伸張彎矩峰值Myoc須小于49N·m。將HIC15，D和Myoc3個評價指標(biāo)用加權(quán)的方式綜合在一起，提出了新的全面評價后排女性乘員損傷程度的綜合傷害指標(biāo)WIC作為優(yōu)化目標(biāo)：

2.4 優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)面分析

頭部傷害指標(biāo)HIC15、頸部枕骨伸張彎矩峰值Myoc、胸部壓縮量D與各優(yōu)化參數(shù)的響應(yīng)面分析如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以得出，HIC15和Myoc對后排安全帶剛度和安全帶上掛點高度的變化相當(dāng)敏感，對其它參數(shù)一般敏感；隨著安全帶剛度的降低和安全帶上掛點高度的下降，HIC15和Myoc大幅減??；減小前排頭枕后部剛度、前排靠背后部剛度和前排靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度，也可一定程度地降低HIC15和Myoc。D對后排安全帶剛度和安全帶上掛點高度的變化相當(dāng)敏感，而對前排頭枕后部剛度、靠背后部剛度和靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度的變化反應(yīng)平緩；D與HIC15和Myoc的變化趨勢相反，隨著后排安全帶剛度的降低，安全帶上掛點高度的下降，D隨之變大。

2.5 優(yōu)化效果

經(jīng)過響應(yīng)面分析后，最終確定各參數(shù)最優(yōu)值為：前排頭枕后部剛度為30N/mm，前排靠背后部剛度為36N/mm，前排靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度為66N·m/(°)；后排安全帶剛度為13%，后排安全帶上掛點高度下降至0.85m。優(yōu)化后的約束系統(tǒng)對后排女性乘員的保護效果如表6和圖7所示。

由表6可知，相對于優(yōu)化前，優(yōu)化后HIC15和Myoc顯著降低，分別降低了37.76%和56.08%，左、右大腿力峰值分別降低了14.90%和19.98%，胸部壓縮量D和髖部合成加速度峰值也有一定程度地降低，其他傷害值變化不大，綜合傷害指標(biāo)WIC由0.76降至0.51，下降幅度為32.89%。

3 結(jié)論

在采用新型汽車前排安全座椅的后排乘員約束系統(tǒng)中，使用靈敏度分析法確定影響女性乘員頭部、頸部和胸部等部位傷害的主要因素。在材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸允許范圍內(nèi)對其進行優(yōu)化，優(yōu)化后約束系統(tǒng)的安全性較優(yōu)化前有很大程度的提高。

優(yōu)化后，女性乘員頭部傷害指標(biāo)HIC15、頸部枕骨伸張彎矩峰值Myoc、左右大腿力峰值顯著降低，下降幅度分別為37.76%，56.08%，14.90%和19.98%。此外新定義的綜合傷害指標(biāo)WIC由0.76降至0.51，降低了32.89%，其它傷害值變化不大。

綜上所述，本研究為新型后排乘員約束系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

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A Research on the Optimization of Rear Seat Restraint Systemwith a New Front Safety Seat for Frontal Crash

Hong Liang & Ge Ruhai

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In this paper, a novel vehicle front safety seat is put forward to achieve the constraint and protection of rear seat occupants in vehicle frontal crash. Firstly MADYMO is used to establish a model for the rear seat restraint system of a car, a simulation is conducted and verified by tests, and the rotational stiffness of torsional spring is determined by analysis to be 10N·m/(°) for the better protection of rear seat occupants. Then five more sensitive parameters are selected by a sensitivity analysis. Finally with these 5 sensitive parameters as design variables and minimizing the combined injury criterion as objective function, composed of weighted head injury criterionHIC15, chest compressionDand the peak stretch bending moment of occipital boneMyoc, an optimization is performed through response surface analysis. After optimization, the safety of rear seat female occupants is significantly enhanced withHIC15,DandMyocreduced by 37.76%,4.72% and 56.08% respectively.

frontal crash; new front safety seat; rear seat restraint system; optimization

*江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0631)和吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室開放基金(20091106)資助。

原稿收到日期為2014年3月31日，修改稿收到日期為2014年5月12日。