乘用車正面碰撞中假人膝部碰撞的研究與應(yīng)用

孫濤+王熙泉+陳鈞

摘 要：在乘用車正面碰撞過程中，為了保護(hù)乘員避免受到下肢韌帶斷裂，癱瘓等嚴(yán)重傷害，中國新車評價規(guī)程（C_NCAP）設(shè)定了評價假人大腿部位的損傷指標(biāo)。為了提高在C_NCAP汽車碰撞試驗(yàn)中的大腿部位得分，本文展開了假人腿部傷害機(jī)理、影響因素，分析方法的研究，并著重介紹了儀表板子系統(tǒng)膝碰評價方式，同時還以某車型膝碰問題改善為例介紹了膝碰研究成果在實(shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：C_NCAP；正面碰撞；膝部碰撞；CAE；儀表板

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0080-06

The Research and Application of Knee Impact in Vehicle Frontal Crash

SUN Tao， WANG Xi-quan， TAO Jun

（Dongfeng Yanfeng Automotive Trim Systems Co.， Ltd， Wuhan430056， China）

Abstract： In order to protect the occupant from serious injuries such as rupture and paralysis of lower limb ligaments during the frontal collision of passenger cars， the C_NCAP （Chinese New Car Assessment Program） sets the injury criteria of the dummy's femur and knee. In order to improve the score in the C_NCAP， the injury mechanism＼the influencing factors and the analysis method of the dummy knee impact are studied in this paper. The instrument panel subsystem evaluation method of the knee impact is also introduced， and citing a trouble shooting as an instance to introduce the application of knee impact research in practice.

Key Words： C_NCAP； Frontal crash； Knee impact； CAE； Instrument panel

1 引言

在中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）中[1]， 50km/h正面碰撞和64km/h偏置碰撞試驗(yàn)中對假人大腿部位進(jìn)行評分，得分分別是2分和4分（圖1）。假人大腿性能指標(biāo)通過大腿壓縮力和膝蓋滑動位移兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價，大腿壓縮力和膝蓋滑動位移的高低性能限值如圖2所示。

為了提高車輛在新車評價規(guī)程中的得分，各大主機(jī)廠在車輛被動安全開發(fā)過程中越來越關(guān)注乘員的膝部保護(hù)，因此展開假人膝碰研究具有重要意義。

2 假人大腿部位傷害機(jī)理及影響因素

2.1 假人大腿部位傷害機(jī)理

在目前C-NCAP的正面偏置碰撞試驗(yàn)中，前排采用的是Hybrid III 50百分位男性假人，假人的膝蓋結(jié)構(gòu)和傳感器布置如圖3所示[2]，大腿壓縮力是由假人大腿骨上的軸向載荷傳感器測量（圖4），負(fù)責(zé)記錄大腿受到正面沖擊時的損傷情況，膝蓋滑動位移是由安裝在膝蓋關(guān)節(jié)處的拉繩位移傳感器測量（圖5），負(fù)責(zé)記錄膝關(guān)節(jié)受到撕裂及脫臼時的損傷情況。通常碰撞試驗(yàn)中，假人的腿部會沖擊到儀表板上，在假人膝蓋和小腿區(qū)域產(chǎn)生大小不同的接觸反力。一般來說，當(dāng)腿部與儀表板之間的接觸反力主要集中在假人膝蓋區(qū)域時，假人大腿壓縮力與接觸反力基本相同；當(dāng)腿部與儀表板之間的接觸反力主要集中在假人小腿區(qū)域、或小腿區(qū)域的接觸反力過大時，大腿就會相對小腿產(chǎn)生明顯的相對滑動，導(dǎo)致很高的膝蓋滑動位移。

2.2 假人大腿部位傷害影響因素

研究發(fā)現(xiàn)，整車試驗(yàn)中假人腿部的碰撞過程是個復(fù)雜的瞬間運(yùn)動過程，眾多因素影響著假人腿部的傷害指標(biāo)，例如儀表板造型，儀表板內(nèi)部結(jié)構(gòu)，假人坐姿，座椅強(qiáng)度，氣囊安全帶約束系統(tǒng)，車體加速度，車身前圍侵入，地毯等等。對上述各因素綜合分析，假人大腿部位撞擊儀表板所受到的傷害影響因素大致可歸納為三類：第一類因素主要是影響假人腿部撞擊儀表板的能量，如車體加速度等；第二類因素主要是影響假人腿部撞擊儀表板的接觸作用方式（包括假人腿部不同部位的接觸順序，接觸反力分布及大?。缂偃俗?，儀表板造型，儀表板內(nèi)部結(jié)構(gòu)等；第三類因素是既影響假人腿部撞擊儀表板的能量又同時影響接觸作用方式的，如氣囊安全帶約束系統(tǒng)。

3 儀表板子系統(tǒng)膝碰試驗(yàn)方法

在大多數(shù)乘用車正面碰撞試驗(yàn)中，假人大腿的傷害主要來自于假人膝部、小腿對座艙系統(tǒng)中儀表板的撞擊，因此展開儀表板對腿部傷害的研究是提升車輛乘員膝部保護(hù)性能的重要著力方向。目前常用研究乘員膝部碰撞的方法是實(shí)車碰撞試驗(yàn)、滑車試驗(yàn)及其CAE仿真，雖然實(shí)車和滑車方式對假人膝碰影響因素考察的更加真實(shí)全面，但實(shí)車和滑車方式對其實(shí)施輸入條件要求多，且成本高，時間長，不利于展開儀表板膝碰性能研究。為了降低這些不利因素，研發(fā)出一套僅包含儀表板子系統(tǒng)的膝碰評價方法。

3.1 儀表板子系統(tǒng)膝碰評價方法

為了提高評價實(shí)施效率，同時也為了降低評價實(shí)施輸入條件的要求，排除其它非研究因素對膝碰結(jié)果的影響，儀表板子系統(tǒng)膝碰評價方法中被評價部件通常只有儀表板總成，它是按照實(shí)際裝車固定點(diǎn)進(jìn)行約束。儀表板子系統(tǒng)膝碰的評價方式通常有兩種，單腿膝碰方式（圖6）和雙腿膝碰方式（圖7）。單腿膝碰方式使用假人的半條腿撞擊儀表板，通過假人腿部傳感器輸出的傷害值來評價儀表板的膝碰性能。單腿膝碰方式中按照整車試驗(yàn)假人的坐姿擺放腿部姿勢，固定假人腳部，約束假人骨盆H點(diǎn)使其僅能前后方向平動，然后對假人腿部進(jìn)行加載，使其達(dá)到一定速度撞擊儀表板。雙腿膝碰方式則通常使用帶骨盆的下半身假人撞擊儀表板，在假人腿部約束方式，速度加載方式，假人坐姿要求上與單腿膝碰方式基本相似。

3.2 儀表板子系統(tǒng)膝碰與整車，滑車的區(qū)別與聯(lián)系

假人腿部傷害的評價來源于C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)，因此整車碰撞試驗(yàn)對考察假人的大腿傷害情況是最真實(shí)可信的，考察的影響因素也是最全的，但因成本和時間昂貴也是最難多次實(shí)施的。

滑車試驗(yàn)通過復(fù)現(xiàn)整車碰撞中車體的減速度波形來考察乘員人體響應(yīng)的情況，它考慮了安全帶、氣囊約束系統(tǒng)，座椅，儀表板，地毯，轉(zhuǎn)向管柱等座艙各子系統(tǒng)的影響因素，但由于滑車試驗(yàn)其本身特點(diǎn)，忽略了車體侵入變形，車體左右和上下兩個方向的減加速度對乘員響應(yīng)的影響[3]。

儀表板子系統(tǒng)膝部試驗(yàn)與整車、滑車試驗(yàn)相比，雖然忽略了安全帶氣囊約束系統(tǒng)，座椅，地毯，車體變形等影響因素，但它考慮了假人膝部撞擊儀表板過程中的三個關(guān)鍵因素（儀表板板的造型、膝碰接觸區(qū)的剛度、假人坐姿），并且用可控和可重復(fù)的方式使假人腿部到達(dá)指定碰撞點(diǎn)，因此在通常情況下可以實(shí)施與整車、滑車試驗(yàn)等效的膝部碰撞，并得到等效的假人大腿部位傷害評價如圖8：

3.3 儀表板子系統(tǒng)膝碰評價優(yōu)勢

和整車、滑車試驗(yàn)相比，儀表板子系統(tǒng)膝部試驗(yàn)成本最低，可控性、重復(fù)性最好，可在開發(fā)階段高效的進(jìn)行多次試驗(yàn)。除此之外，它還具有以下方面優(yōu)勢：

1.可以實(shí)現(xiàn)儀表板膝碰區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度分布檢查；

2.大腿部位傷害指標(biāo)控制和整車膝碰指標(biāo)再現(xiàn)；

3.不同儀表板設(shè)計方案的高效研究或驗(yàn)證；

4.判斷儀表板膝碰要求制定是否合理。

5.輔助分析整車試驗(yàn)中膝碰問題原因。

因此正確合理使用儀表板子系統(tǒng)膝碰評價方法，可讓儀表板子系統(tǒng)膝碰性能的滿足成為整車膝碰目標(biāo)達(dá)成的強(qiáng)有力支撐。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 某車型問題描述

東風(fēng)乘用車某車型在第一次正面偏置碰撞開發(fā)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)前排副駕駛左腿的膝蓋滑動位移為8.0mm（圖9），超出了高性能限值，根據(jù)C-NCAP評分規(guī)則，失分0.89，影響了整車的得分和星級評價。

4.3 儀表板膝碰區(qū)域剛度分布檢查

在判斷儀表板膝碰區(qū)域造型滿足要求之后，對儀表板膝碰區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度分布進(jìn)行檢查，此過程使用DYNA進(jìn)行單腿膝碰CAE仿真計算，詳細(xì)研究儀表板結(jié)構(gòu)對膝碰結(jié)果的影響。仿真計算中假人左腿按照整車試驗(yàn)前乘客側(cè)假人的乘坐坐姿進(jìn)行擺放，骨盆H點(diǎn)碰撞速度依據(jù)實(shí)車試驗(yàn)骨盆H點(diǎn)加速度曲線減去車身B柱加速度曲線積分得到的相對速度結(jié)果。仿真結(jié)果表明（圖11），按照整車試驗(yàn)前假人的坐姿進(jìn)行單腿膝碰，儀表板小腿接觸區(qū)域剛度并不會造成過大的膝蓋滑動位移。

4.4 問題原因分析

在進(jìn)行儀表板型面校核和膝碰區(qū)域剛度分布檢查后，發(fā)現(xiàn)正常乘坐坐姿下假人腿部碰撞儀表板，儀表板并不會造成過大膝蓋滑動位移。分析整車偏置碰試驗(yàn)輸出的大腿壓縮力和膝蓋滑動位移時間曲線，發(fā)現(xiàn)膝蓋滑動位移的響應(yīng)時刻比大腿壓縮力的響應(yīng)時刻約早5ms，推測乘客側(cè)假人在車身劇烈的減加速度作用下，假人腳部沿著擱腳地毯斜面向上移動，腳踝點(diǎn)位置也隨之上移，導(dǎo)致在小腿繞腳踝點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的過程中，小腿的中上部最先接觸儀表板，而不是膝蓋先接觸儀表板；小腿由于受到儀表板的作用運(yùn)動受阻，大腿在骨盆的推動下繼續(xù)向前運(yùn)動，從而導(dǎo)致膝蓋滑移值偏大。

為了證實(shí)所做的推測，查看了臺車試驗(yàn)錄像中的腿部運(yùn)動形態(tài)，高速錄像顯示碰撞過程中假人腳部的確存在上移的情形（圖12），并且在跟蹤此車型第二次偏置碰撞試驗(yàn)時，在地毯擱腳斜面的泡沫上發(fā)現(xiàn)假人腳跟留下的壓痕，測量發(fā)現(xiàn)假人左腳腳跟壓痕距離碰撞前腳跟的位置大約上移60mm（圖13）。于是根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)時假人腳跟上移的情況調(diào)整坐姿再次進(jìn)行單腿膝碰CAE仿真分析，分析結(jié)果表明假人腳部上移后膝蓋滑移值明顯增大，并與整車偏置碰試驗(yàn)結(jié)果有明顯的對應(yīng)性（圖14）。單腿膝碰仿真后還實(shí)施單腿膝碰試驗(yàn)（圖15），試驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了對此問題原因的分析。

4.5 改善方案措施及仿真驗(yàn)證

根據(jù)對該車型在偏置碰試驗(yàn)中乘員左腿膝蓋滑動位移偏大問題的影響因素分析，改善假人腿部與儀表板的接觸方式是解決問題的關(guān)鍵。由于該車型結(jié)構(gòu)設(shè)計階段已完成，很快就要量產(chǎn)上市，實(shí)施優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)吸能特性，修改儀表板造型和增加膝碰區(qū)域的安全配置等措施的難度較大，成本太高，且驗(yàn)證試驗(yàn)需要的周期長，難以滿足項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)要求。通過綜合考慮，選取改動代價最小，且容易實(shí)施的方案。初步確定以下兩個方案，并進(jìn)行仿真分析。

1）更換摩擦系數(shù)大的地毯材料；

2）增大擱腳斜面的角度到45度。

方案1和方案2措施目的主要是通過阻止假人腳部在碰撞中的上移運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)假人膝蓋與儀表板的提前接觸，而非小腿與儀表板的先接觸，進(jìn)而降低膝蓋滑動位移量[5]。

初始方案仿真結(jié)果膝部滑動位移大概7.5mm，腳部上移大概60mm，與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，并在此基礎(chǔ)上對兩個改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下圖16所示：

4.6 實(shí)車驗(yàn)證

綜合項(xiàng)目時間，改動大小，實(shí)施難易等因素，選取了方案二進(jìn)行了整車偏置碰試驗(yàn)，同時為了平衡乘員乘坐的舒適性，擱腳斜面角度最后確定從原來的35度增加到40度。在隨后的第三次偏置碰試驗(yàn)中，由于增大了乘員擱腳斜面的角度，碰撞過程中假人腳部上移的情形得到了改善，從原來的上移60mm減少到25mm（圖17），膝蓋能比較早的接觸儀表板，膝蓋滑動位移因此降低到4.9mm（圖18），使假人在大腿部位評價不失分。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)乘用車乘員被動安全更多的關(guān)注假人的頭部、頸部、胸部的傷害，保證碰撞事故中“車毀人不死”，隨著“車毀人不傷”、C_NCAP五星等更高安全性能的要求，假人膝部保護(hù)勢必會越來越受到關(guān)注和研究。本文所舉案例通過運(yùn)用假人膝碰研究成果，成功解決了某車型膝蓋滑動位移偏大的問題，為以后解決此類工程問題積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；同時本文所述的依據(jù)整車碰撞中膝碰能量和碰撞形態(tài)作為輸入的子系統(tǒng)膝碰評價方式是一種高效低價的評價方式，非常適應(yīng)儀表板的開發(fā)特點(diǎn)，它不僅能快速及時評估儀表板膝碰區(qū)域的設(shè)計，還能輔助查找分析整車膝碰問題原因，是對整車、滑車膝碰評價方式的重要補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]C-NCAP管理規(guī)則.中國汽車研究中心， 2015年版.

[2]楊笠，顧玉龍.正面偏置碰撞中降低假人膝蓋滑動位移的結(jié)構(gòu)優(yōu)化.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014年，第5卷 第4期.

[3]鐘志華，張威剛，曹立波等. 汽車碰撞安全技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003年.

[4]劉珍海，陳現(xiàn)嶺，岳國輝.正面碰撞中假人大腿傷害研究.第十四屆中國汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集.

[5]張耀輝，鞠春賢等.正面碰撞中假人膝蓋滑移量分析. 2012年中國汽車安全技術(shù)國際研討會論文.