基于均衡支撐的小腿保護理念

歐陽俊，盧 靜，鄭 顥，岳 鵬，王玉超

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

隨著汽車安全技術的提高，安全帶、安全氣囊、轉向管柱等配置日益豐富，出現(xiàn)了雙級預緊安全帶、鎖止鎖舌、剛度自適應安全氣囊等先進約束系統(tǒng)配置，使正面碰撞中乘員的頭、胸部傷害明顯降低，但這些配置并沒有明顯降低乘員下肢傷害[1]。由于小腿接觸環(huán)境的不可控，及小腿受傷機理的復雜性，小腿受傷問題日益突出。下肢損傷雖不是致命傷，但后續(xù)治療費用高昂，還會造成傷者永久性殘廢，給社會經(jīng)濟帶來一些影響和負擔[2]。因此，近年來，如何避免汽車前碰撞中乘員下肢受到嚴重損傷成為了行業(yè)研究熱點。目前在行業(yè)內，針對假人小腿傷害的研究，已取得了不少成果，商恩義等[3]研究了A級車正面全寬碰撞試驗中假人小腿傷害曲線的表現(xiàn)形式。馬立軍等[4]結合某車型開發(fā)問題對小腿運動狀態(tài)及受力情況進行了分析研究。李寶玉等[5]研究了腳部下方緩沖材料材質對小腿損傷的影響。崔新康等[6]用Hybrid-Ⅲ50th假人對小腿受沖擊位置和角度對腿部的傷害進行了研究。但這些研究多為結合項目開發(fā)驗證階段出現(xiàn)的問題予以研究并提出解決方案，未能提供汽車碰撞事故中小腿損傷系統(tǒng)性解決方案，并在項目開發(fā)的概念設計階段指導設計。

本文提出了一種均衡支撐保護小腿的設計理念。劉志新等[7]的研究表明在100%正面碰撞試驗中，駕駛員右腳受傷比例最大，約占49%。為了更好地驗證本文所提的小腿保護理念，以駕駛員右腳保護作為研究對象，結合某兩款車型開發(fā)過程中的駕駛員右腳受傷嚴重問題，基于均衡支撐保護理念提出了油門踏板加寬和腳跟支撐兩種設計方案，基于整車有限元的方法模擬對比了兩種方案的保護效果，并實現(xiàn)了兩種方案的量產(chǎn)設計及整車試驗驗證。結果表明，基于整車有限元的小腿損傷模擬方法具有較高的精度；基于均衡支撐保護理念提出的小腿保護方案可以較好地解決汽車碰撞事故中的小腿損傷問題。文中所提兩種方案均已獲得國家專利保護（專利號分別為CN201520704933.9和CN201620514281.7）。

1 小腿損傷評價指標及損傷機理

在C-NCAP（2015版）[8]規(guī)定中，100%正面碰撞假人小腿滿分為2分，正面40%重疊碰撞假人小腿滿分為4分，兩者分數(shù)之和占總分的9.8%，因此，小腿傷害值得深入研究。小腿部位的評價指標有脛骨指數(shù)（TI）和小腿壓縮力，其中脛骨指數(shù)高性能限值為0.4，低性能限值為1.3；小腿壓縮力高性能限值為2 kN，低性能限值為8 kN。脛骨指數(shù)的計算公式為：

式中：Mx為繞x軸的彎矩；My為繞y軸的彎矩；MCR為臨界彎矩，按225 Nm計；Fz為z向壓縮力；FCZ為臨界壓縮力，按35.9 kN計。

因此，Mx、My和Fz是影響小腿得分的因素。此外，Mx的方向為膝部不動、腳踝向左轉時為正；My的方向為腳踝向前、膝部向后時為正；Fz的方向受拉時為正，受壓時為負。

小腿常見的受傷形式有三種[9]，形式一：脛骨骨折，表現(xiàn)為Fz比較大，如圖1所示；形式二：腳踝背屈，表現(xiàn)為My比較大，如圖2所示 ；形式三：腳踝外翻，表現(xiàn)為Mx比較大，如圖3所示。

圖1 受傷形式一

圖2 受傷形式二

圖3 受傷形式三

駕駛員右腳接觸環(huán)境復雜，造成駕駛員右腳直接受傷的原因有三種，第1種是前地板侵入，同時腳跟部沒有約束向前運動，前地板的侵入直接擠壓小腿，造成形式一的傷害，即Fz大，如圖4所示。第2種是油門踏板的侵入，同時腳跟部沒有約束向前運動，造成形式二的傷害，即My大，如圖4所示。第3種是油門踏板的側移，腳部從油門踏板滑落形成“崴腳”，造成形式三的傷害，即Mx偏大，如圖5所示。前地板和油門踏板的侵入主要是由結構變形造成，適當控制結構變形有利于小腿保護。但結構變形的降低往往會造成加速度水平的升高，不利于乘員頭、胸部的保護，所以不能對結構變形進行絕對控制。

圖4 前地板侵入及油門踏板侵入

圖5 油門踏板側移造成腳部滑落

本文從避開傷害源并對駕駛員右腳提供平穩(wěn)支撐的角度提出跟部支撐和油門踏板基座加寬兩種解決方案，跟部支撐方案可以約束乘員腳部，避免腳部前移并能起到緩沖作用，還能避免來自前圍的侵入造成形式一的傷害。同時，支撐塊與油門踏板形成一個平整的支撐面，避免腳跟前移的同時油門踏板侵入造成形式二的傷害，如圖6所示。油門踏板基座加寬方案可以避免油門踏板側移造成形式三的傷害，如圖7所示。

圖6 跟部支撐塊方案

圖7 油門踏板基座加寬方案

2 小腿損傷有限元仿真分析

為了更加精準地模擬前端結構變形導致的前圍及油門踏板侵入對腳部造成的傷害，采用有限元方法建立整車約束系統(tǒng)仿真模型，仿真模型準確模擬了某車型整車試驗中駕駛員右腳受到的形式一和形式二的傷害，文中的分析形式一和形式二傷害同時出現(xiàn)，如圖8所示。試驗中形式一傷害指標Fz最大值出現(xiàn)在下小腿，為4.76 kN，仿真中形式一傷害指標Fz最大值為5.24 kN，精度為92%，如圖9所示。試驗中形式二傷害指標My最大值出現(xiàn)在上小腿，為138.2 Nm，仿真中形式一傷害指標My最大值為153.2 Nm，精度為89%，如圖10所示。

采用有限元方法建立整車約束系統(tǒng)仿真模型，仿真模型準確模擬了某車型整車試驗中駕駛員右腳受到的形式三的傷害，如圖11所示。試驗中形式三傷害指標Mx最大值出現(xiàn)在上小腿，為165.1 Nm，仿真中形式一傷害指標Mx最大值為160 Nm，精度為97%，如圖12所示。

圖8 形式一和形式二傷害模擬

圖9 仿真與試驗中小腿力對比

圖10 仿真與試驗y方向彎矩對比

圖11 形式三傷害模擬

圖12 仿真與試驗x方向彎矩對比

3 腳跟支撐塊方案仿真對比分析

基于建立的整車有限元約束系統(tǒng)模型，對跟部支撐塊方案開展了仿真分析研究。由圖13可知，沒有跟部支撐塊方案時，駕駛員右腳具有明顯的向前運動特征，腳跟沒有受到緩沖約束作用并受到前圍的沖擊，即形式一的傷害。腳跟在前移的同時，腳掌受到油門踏板的侵入，形成了形式二的傷害。有了跟部支撐方案后，駕駛員右腳被明顯約束，跟部支撐與油門踏板形成了一個平穩(wěn)的支撐面，駕駛員右腳姿態(tài)未出現(xiàn)明顯扭曲。由圖14可知，有了跟部支撐方案后，形式一傷害指標Fz由5.24 kN降低至3.32 kN，降低幅度為36.7%。由圖15可知，形式二傷害指標My由153.2 Nm降低至92.5 Nm，降低幅度為39.6%。

圖13 腳跟部支撐塊方案保護效果對比

圖14 形式一傷害改善對比

圖15 形式二傷害改善對比

4 油門踏板基座加寬方案仿真對比分析

基于建立的整車有限元約束系統(tǒng)模型，對油門踏板基座加寬方案開展了仿真分析研究。由圖16可知，沒有油門踏板基座加寬方案時，駕駛員右腳存在明顯的外翻風險，即形式三的傷害，有了油門踏板基座加寬方案后，駕駛員右腳外翻特征明顯減弱。由圖17可知，有了油門踏板基座加寬方案后，形式三傷害指標Mx由160 Nm降至71 Nm，降低幅度為56%。

圖16 油門踏板基座加寬方案保護效果對比

圖17 形式三傷害改善對比

5 腳跟支撐塊方案試驗驗證

本研究實現(xiàn)了腳跟支撐塊方案的量產(chǎn)設計，并獲得國家專利保護，如圖18所示，同時開展了整車試驗驗證，試驗結果見表1。由表1可知，試驗中形式一傷害由4.76 kN降至3.05 kN，改善幅度為36%；形式二傷害由138.2 Nm降至84.6 Nm，改善幅度為39%。整車試驗結果與仿真預測結果一致，說明基于整車有限元約束系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對小腿形式一和形式二傷害的準確模擬。

圖18 腳跟支撐塊方案試驗驗證

表1 腳跟支撐塊方案試驗驗證結果

續(xù)表1：

6 油門踏板基座加寬方案試驗驗證

本研究實現(xiàn)了油門踏板基座加寬方案的量產(chǎn)設計，并獲得國家專利保護，如圖19所示，同時開展了整車試驗驗證，試驗結果見表2。由表2可知，試驗中形式三傷害由165.1 Nm降至63.5 Nm，改善幅度為62%；整車試驗結果與仿真預測結果一致，說明基于整車有限元約束系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對小腿形式三傷害的準確模擬。

圖19 基座加寬方案試驗驗證

表2 基座加寬方案試驗驗證結果

7 基于小腿保護的油門踏板及地毯設計要求

本文統(tǒng)計了2015版C-NCAP實施以來正式參與評價車型的小腿得分情況，如圖20所示，100%正面碰撞（FRB）工況中，15%的車型小腿的得分率在90%以上，50%車型得分率低于75%。如圖21所示，在正面40%重疊碰撞（ODB）工況中，24%車型小腿得分率在90%以上，30%車型得分率低于75%，小腿損傷改善空間大。

圖20 2015版C-NCAP參評車型FRB工況小腿得分率

圖21 2015版C-NCAP參評車型ODB工況小腿得分率

第5節(jié)和第6節(jié)中的兩款車型在2015版C-NCAP 100%正面碰撞和正面40%重疊碰撞評價中，小腿得分率在90%以上。試驗驗證結果表明，基于均衡支撐理念提出的設計方案可以很好地解決碰撞事故中小腿受傷嚴重的問題，驗證了這種理念的正確性。為了更好地指導小腿保護方案設計，本研究對駕駛員右腳環(huán)境件提出了相關設計要求。地毯設計要求如圖22所示，在右腳腳跟處設計支撐塊，支撐塊與踩下的油門踏板在同一個水平面內。油門踏板設計要求如圖23所示，油門踏板臂為直臂設計，踏板基座在y方向有一定的寬度。

圖22 地毯設計要求

圖23 油門踏板設計要求

8 結論

（1）基于均衡支撐設計理念提出的小腿保護方案可以很好地解決汽車碰撞中常見的三種形式的小腿傷害。

（2）經(jīng)整車試驗驗證，駕駛員右腳跟部支撐方案對形式一傷害改善幅度可達36%，對形式二傷害改善幅度可達39%。

（3）經(jīng)整車試驗驗證，油門踏板基座加寬方案對形式三傷害改善幅度可達69%。

（4）基于有限元的方法搭建整車有限元模型，可以較好地模擬試驗中的小腿損傷，對形式一傷害的模擬精度為92%，對形式二傷害的模擬精度為89%，對形式三傷害的模擬精度為97%。

（5）2015版C-NCAP實施以來，100%正面碰撞工況中15%車型的小腿得分率高于90%，正面40%重疊碰撞工況中，25%車型的小腿得分率高于90%。本文中某兩款車型基于均衡支撐設計理念的小腿保護設計方案在2015版C-NCAP評價中小腿得分率達到90%，處于現(xiàn)階段車型中的優(yōu)秀水平。

（6）基于均衡設計理念提出的地毯與油門踏板設計要求可以較好地解決汽車碰撞事故中小腿受傷的問題，為行業(yè)中同樣問題的解決提供參考。