某N1類汽車碰撞安全大腿力性能提升研究

郭樹文 高晶琨 卜曉兵

中國汽車技術(shù)研究中心 天津市 300300

1 引言

近幾年中國的經(jīng)濟(jì)一直在迅猛發(fā)展，與此同時我國汽車工業(yè)的也得到了快速提升，但是全國每年發(fā)生的交通安全事故也在不斷增多。汽車碰撞是一個瞬間變化的過程，在碰撞過程中，車輛的總能量保持不變，伴隨車輛突然出現(xiàn)剛性碰撞開始，車身出現(xiàn)局部碰撞大變形，在大變形過程中吸收能量，增加車輛內(nèi)能。[1]駕駛艙內(nèi)的乘員由于慣性與車內(nèi)部件會發(fā)生二次碰撞，在車輛被動安全性能開發(fā)不佳的情況下對乘員對造成比較嚴(yán)重的傷害。

隨著GB 11551-2003的乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)碰撞安全法規(guī)的實施，乘用車的安全性得到普及；但是國內(nèi)低速貨車碰撞法規(guī)在2014年前一直處于空白狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示截至2012年9月底，微型面包占機(jī)動車總數(shù)的10.9%和載客汽車的30.2%[2]。為了提高N1類貨車（最大設(shè)計總質(zhì)量低于2500kg）的車輛的被動安全性能，國家對原來GB 11551-2003的乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，制定了新版GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)。在此法規(guī)中對最大設(shè)計總質(zhì)量低于2500kg的N1類載貨汽車的被動安全性能提出了明確的要求，將對此類車輛被動安全性能的提升具有重要的意義。

2 N1類載貨汽車（最大設(shè)計總質(zhì)量低于2500kg）正面碰撞及評價

2.1 正面碰撞工況及評價

2.1.1 碰撞工況

N1類載貨汽車開展正面碰撞試驗，需要在車輛前排每個外側(cè)座椅放置HYBID III 50%分位男性假人，還需在整車整備質(zhì)量的基礎(chǔ)上在汽車的載貨區(qū)域安放136 kg或其額定載貨量的質(zhì)量，配重應(yīng)牢固的安置到汽車的載貨區(qū)域，準(zhǔn)備就緒的車輛需要以50 km/h的速度正面撞擊固定的剛性壁障。

2.1.2 定性要求

對于裝備了安全氣囊的座位，應(yīng)具有安全氣囊的提示信息；在試驗過程中車門不得開啟；在試驗過程中前門的鎖止系統(tǒng)不得發(fā)生鎖止；碰撞試驗后對應(yīng)于每排座位，若有門，至少有一個門能打開；碰撞過程中燃油供給系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)生泄漏；碰撞試驗后，若燃油供給系統(tǒng)存在液體連續(xù)泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min。

2.1.3 定量要求

在碰撞試驗完成后，需要對假人各個部位的傷害值進(jìn)行測量評價。頭部性能指標(biāo)（HPC）應(yīng)小于或等于1000，并且頭部合成加速度大于80g的時間，累積不應(yīng)超過3ms；胸部壓縮變形指標(biāo)（THCC）應(yīng)不大于75mm；大腿壓縮力指標(biāo)（FFC）應(yīng)不高于圖1所示性能指標(biāo)曲線。

圖1 大腿壓縮力限值曲線

3 某N1類載貨汽車（最大設(shè)計總質(zhì)量低于2500kg）正面碰撞安全性能提升

為滿足新版GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)要求，對某N1類載貨汽車進(jìn)行了正面碰撞試驗及優(yōu)化改進(jìn)工作。試驗過程中，對各個考核項均進(jìn)行了匯總分析。

3.1 摸底試驗

首先對此車進(jìn)行了一次摸底試驗，以檢查車輛的基礎(chǔ)被動安全性能，挖掘車輛被動安全性能不足，摸底試驗結(jié)果如表1所示。

對假人的頭部、胸部及大腿等關(guān)鍵檢測位置進(jìn)行傷害值測量，并進(jìn)行法規(guī)符合性檢查，試驗后的檢查結(jié)果如表2所示：

從試驗結(jié)果可以看出駕駛員右大腿力嚴(yán)重超標(biāo)，一旦發(fā)生事故會對駕駛員大腿造成嚴(yán)重?fù)p傷。

3.2 過程分析及優(yōu)化

碰撞過程中車輛速度急劇下降，車內(nèi)駕駛員由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動，由于駕駛員腿部與駕駛艙內(nèi)部件空間有限，當(dāng)駕駛員大腿與車內(nèi)部件發(fā)生接觸后會對大腿產(chǎn)生擠壓如下圖3所示。

圖2 駕駛員右大腿壓縮力限值曲線

圖3 駕駛員右大腿壓縮力

但是在大腿撞擊車內(nèi)部件的過程中一般先與儀表板發(fā)生撞擊，儀表板為塑料件，在與大腿的撞擊中一般不會產(chǎn)生圖2中所示那么嚴(yán)重的大腿壓縮力，結(jié)合試驗后的實車分析發(fā)現(xiàn)，如圖4中所示，圖中藍(lán)色直線為試驗前轉(zhuǎn)向管柱軸線位置，試驗過程中由于機(jī)艙前部壓縮變形，推動與轉(zhuǎn)向管柱相連的轉(zhuǎn)向中間軸下部急速向駕駛員方向移動，使得轉(zhuǎn)向中間軸的上端點如圖4所示由A點移動到C點，在此過程中帶動轉(zhuǎn)向管柱繞著B點安裝點旋轉(zhuǎn)，由藍(lán)線位置旋轉(zhuǎn)到紅線所示位置。由于轉(zhuǎn)向管柱的旋轉(zhuǎn)，在假人大腿撞擊儀表板后進(jìn)一步與轉(zhuǎn)向管柱上的剛性電機(jī)在C點處發(fā)生嚴(yán)重撞擊，因此對駕駛員右大腿產(chǎn)生了嚴(yán)重的撞擊損傷，嚴(yán)重影響駕駛員生命安全。

圖4 實車狀況

表1 摸底試驗考核項指標(biāo)

表2 正面摸底試驗假人傷害情況

為提高此類車輛的被動安全性能，減輕對駕駛員右大腿的傷害。通過分析此車結(jié)構(gòu)，主要原因是轉(zhuǎn)向中間軸的入侵帶動轉(zhuǎn)向管柱的旋轉(zhuǎn)所致。

為了解決這一問題，經(jīng)過研究提出一種可壓潰式轉(zhuǎn)向中間軸結(jié)構(gòu)。在前機(jī)艙壓潰變形的過程中，機(jī)艙端轉(zhuǎn)向中間軸受到擠壓向駕駛員艙內(nèi)運(yùn)動，由于原車中間軸是一個剛性部件，機(jī)艙內(nèi)的運(yùn)動直接傳遞到圖4所示的轉(zhuǎn)向中間軸的C點。新形式的可潰式轉(zhuǎn)向中間軸分成兩段，上下兩段通過內(nèi)外花鍵配合連接，通過花鍵將上段的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到下段，進(jìn)而傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)上，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向功能。

這種結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)向中間軸，內(nèi)花鍵段是空心鋼管結(jié)構(gòu)形式，在下段遭到擠壓入侵的過程中，下段相對上段相對運(yùn)動，并不會將下段的侵入直接傳遞到上段。

圖5 伸縮式轉(zhuǎn)向中間軸

為驗證方案的有效性，先通過仿真手段進(jìn)行檢驗。建立LS-DYNA環(huán)境下基礎(chǔ)模型應(yīng)用有限元法進(jìn)行仿真分析幾何模型的建立是重要內(nèi)容，也是求解的基礎(chǔ)。首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束、載荷和邊界條件，最后進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果。[3]

首先進(jìn)行駕駛艙車身、儀表板內(nèi)飾、座椅等部件的網(wǎng)格劃分，將劃分好的網(wǎng)格數(shù)據(jù)按照整車連接方式進(jìn)行搭接，將座椅調(diào)節(jié)到試驗位置并與車身按實車狀態(tài)進(jìn)行連接；再將假人安置到駕駛艙的座椅上，將假人調(diào)節(jié)到試驗位置，將駕駛員安全帶束縛到假人身上，接下來給整車模型施加各種載荷，首先賦予整車初速度50km/h、按照試驗采集的整車減速度施加到白車身上，再將試驗采集到的轉(zhuǎn)向中間軸侵入量施加到轉(zhuǎn)向中間的的機(jī)艙端，搭建好的模型如下圖6所示：

將搭建好的模型經(jīng)過仿真計算，駕駛員右大腿傷害如下圖7所示：

從圖7中所示駕駛員右大腿傷害曲線可以看出，駕駛員右大腿力得到了有效降低，能夠滿足法規(guī)的要求。

表3 驗證試驗結(jié)果

圖6 約束系統(tǒng)仿真模型

圖7 駕駛員右大腿傷害

圖8 駕駛員右大腿傷害

3.3 試驗驗證

將伸縮式轉(zhuǎn)向中間軸安裝到實車上，按照試驗程序開展實車碰撞試驗，通過測量假人傷害值，駕駛員傷害指標(biāo)如表3所示。

由驗證試驗結(jié)果可以看出，在實施完成改進(jìn)方案后，假人各個傷害指標(biāo)均滿足法規(guī)要求，駕駛員右大腿力得到了有效的降低，該車型順利通過正面碰撞安全法規(guī)。

4 結(jié)語

（1）N1類載貨汽車在車輛被動安全性能法規(guī)上尚有諸多不足之處。

（2）通過改進(jìn)轉(zhuǎn)向中間軸的結(jié)構(gòu)形式能夠有效減輕駕駛員右大腿的傷害情況，滿足法規(guī)要求

該整改措施對提升N1類貨車的正面碰撞安全性能有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。