汽車正碰后排假人胸壓傷害原因分析和優(yōu)化

鄧世寬 李盼東 王洪川 閆成

（1.北京長(zhǎng)城華冠汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司；2.太航常青汽車安全系統(tǒng)（蘇州）股份有限公司）

C-NCAP 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，測(cè)試項(xiàng)目不斷完善，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。目前乘員保護(hù)中的50 km/h100%全正碰和64 km/h 40%偏置碰試驗(yàn)中，對(duì)后排女性假人傷害的評(píng)價(jià)越來(lái)越重視。后排女性假人傷害受多方面影響，包括車體加速度、座椅性能、安全帶性能以及假人的總布置尺寸。某車型在試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)后排女性假人的傷害值不滿足目標(biāo)要求，文章采取仿真分析和滑臺(tái)試驗(yàn)手段，尋找造成假人傷害的主要原因和降低假人傷害的手段，優(yōu)化后最終實(shí)現(xiàn)性能達(dá)標(biāo)，該過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)可用于車型開(kāi)發(fā)指導(dǎo)工作。

1 目標(biāo)和現(xiàn)狀

1.1 目標(biāo)設(shè)定

某車型在設(shè)計(jì)初期設(shè)定目標(biāo)為2018 版C-NCAP[1]五星，此車型基于同平臺(tái)基礎(chǔ)車型（2015 版C-NCAP五星），通過(guò)更改內(nèi)外造型、增加軸距、重新開(kāi)發(fā)側(cè)圍并優(yōu)化部分車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)研究基礎(chǔ)車性能表現(xiàn)，制定符合2018 版C-NCAP 五星的車輛性能目標(biāo)，如表1 所示。從表1 可知，優(yōu)化重點(diǎn)在于提升正面碰撞及側(cè)面碰撞后排假人傷害、行人保護(hù)以及主動(dòng)安全自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）的性能得分。

表1 某車型碰撞性能目標(biāo)分解

1.2 數(shù)據(jù)提取結(jié)果

試驗(yàn)車的氣囊控制器配置為8 回路，包括主副駕單級(jí)氣囊、主副駕預(yù)緊限力式安全帶、前排左右側(cè)氣囊、左右側(cè)氣簾、后排左右兩側(cè)三點(diǎn)式限力安全帶、中間普通三點(diǎn)式安全帶。通過(guò)第1 輪數(shù)據(jù)提取獲得的后排數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，正面碰撞中后排假人傷害低于目標(biāo)值，主要由于頸部和胸壓傷害大引起。后排女性假人傷害的目標(biāo)值和初步得分，如表2 所示。

表2 汽車碰撞試驗(yàn)中后排假人傷害數(shù)據(jù)提取結(jié)果

圖1 示出后排假人在正碰過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和高速攝像可知，碰撞開(kāi)始后，汽車減速，假人在慣性作用下開(kāi)始移動(dòng)，骨盆向前滑動(dòng)，軀干以骨盆為軸向前彎曲，限力安全帶全程在起作用，未發(fā)生失效。假人在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，頭部未與前排座椅以及其它車內(nèi)零部件發(fā)生二次碰撞，但假人在碰撞初期骨盆前移量較大，安全帶未能有效束縛骨盆，造成安全帶織帶的所有壓力均作用于假人軀干，假人肩部未起到力的分解作用，胸部壓力增大造成胸部位移較大。同時(shí)最后階段假人甩頭嚴(yán)重，造成頸部Z 向力較大。

圖1 后排假人在正碰過(guò)程中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖

試驗(yàn)后檢查機(jī)艙內(nèi)部和車體結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯異常，車身變形量符合預(yù)期。分析車體響應(yīng)可知，B 柱加速度峰值和脈寬的試驗(yàn)和仿真結(jié)果差異不大，兩者對(duì)比情況，如圖2 所示。

圖2 50 km/h 100%正面碰汽車左B 柱加速度試驗(yàn)與仿真曲線對(duì)比圖

后排假人胸壓曲線，如圖3 所示。檢查假人傷害值曲線，胸部壓縮量超出性能目標(biāo)范圍，胸部總壓縮量在50 ms 時(shí)開(kāi)始上升，一直到90 ms 達(dá)到第1 個(gè)峰值，峰值在120 ms 達(dá)到最大，通過(guò)時(shí)間段對(duì)比判斷并結(jié)合高速攝像，胸壓峰值受加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻以及安全帶力的影響不大，100 ms 左右的波谷主要是由于假人腿部被前排座椅限制前移導(dǎo)致。

圖3 50 km/h 100%正面碰汽車后排假人胸壓曲線

假人胸壓增大過(guò)程中只有安全帶力在起作用，假人骨盆前移量大造成安全帶所有壓力作用于胸部，肩帶未有效分解壓力。所以造成后排假人傷害值大的原因主要是由于碰撞過(guò)程中假人前移量大。

2 原因分析

假人胸部傷害增大主要是由于安全帶直接作用于胸部的力增大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)搭建仿真分析模型和滑臺(tái)試驗(yàn)查找問(wèn)題真因。仿真模型主要體現(xiàn)后排座椅總成、后排左側(cè)安全帶及插鎖、地毯和前排座椅靠背后面?；_(tái)主要由白車身、后排座椅總成、后排左側(cè)安全帶及插鎖、地毯和前排座椅總成組成。某車型優(yōu)化用后排仿真模型和滑臺(tái)模型，如圖4 所示。仿真模型和滑臺(tái)輸入的加速度曲線均為車輛氣囊數(shù)據(jù)提取階段的B 柱加速度曲線。

圖4 某車型優(yōu)化用后排仿真模型和滑臺(tái)模型示意圖

后排假人傷害和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)主要受后排座椅和安全帶影響，因此從這兩方面進(jìn)行分析。

2.1 后排座椅坐墊

后排座椅帶有防下潛泡沫結(jié)構(gòu)，座椅主要結(jié)構(gòu)為金屬骨架，座椅坐墊和靠背為分體式，坐墊前部卡接，后部采用螺栓與車身連接。在試驗(yàn)過(guò)程中，后排座椅坐墊后部安裝結(jié)構(gòu)和坐盆支架發(fā)生變形并前移，安裝點(diǎn)不能有效阻止坐墊向前移動(dòng)，假人隨之前移，同時(shí)座椅防下潛結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樽巫鴫|的前移失去原有的效果，造成假人骨盆前移。坐墊試驗(yàn)后狀態(tài)，如圖5 所示，安裝結(jié)構(gòu)和固定裝置明顯已經(jīng)彎曲。

圖5 汽車碰撞試驗(yàn)后坐墊前移失效狀態(tài)圖

座椅設(shè)計(jì)工程師和供應(yīng)商針對(duì)座椅進(jìn)行優(yōu)化，確定整改方案為加強(qiáng)坐墊支架的剛度，改變支架結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)失效焊點(diǎn)的控制[2]。重新制作樣件，經(jīng)滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，座椅坐墊前移量明顯減少，骨盆得到有效束縛后，假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相比提取試驗(yàn)改變，假人骨盆前移量減少，胸部壓縮量和頸部傷害明顯降低，如表3 所示。

表3 某車型后排座椅加固前后后排假人傷害數(shù)據(jù)提取結(jié)果

2.2 后排左側(cè)安全帶插鎖

由于安全帶插鎖與車身連接方式為織帶式，在碰撞前為非拉緊狀態(tài)，織帶本身也有延伸率，所以插鎖在碰撞中有向前移動(dòng)的傾向，導(dǎo)致腰部的束縛沒(méi)有達(dá)到最好的效果，織帶式連接的插鎖效果不如鋼板或鋼絲繩連接的插鎖。利用仿真手段增加鎖止鎖舌，用來(lái)束縛假人骨盆的前移量，可以有效地減少胸部壓縮量[3]，但是骨盆加速度提升會(huì)造成頸部傷害，尤其頸部彎矩傷害增大，使用鎖止鎖舌前后假人傷害的對(duì)比情況，如表4 所示。

表4 安全帶插鎖使用鎖止鎖舌前后后排假人傷害

2.3 后排安全帶出帶口

后排安全帶卷收器布置在C 柱下側(cè)圍上，卷收器和支架采用螺栓連接，水平布置，出帶口在X 方向，安全帶出帶口和后排座椅靠背上無(wú)導(dǎo)向裝置，安全帶下固定點(diǎn)布置在車身C 柱下部。

由于卷收器在出帶口處無(wú)導(dǎo)向裝置，假人前移后，織帶受力，出口附近織帶產(chǎn)生向下的壓力，織帶會(huì)壓縮座椅靠背泡棉，也有可能會(huì)掉落進(jìn)座椅靠背和C 柱裝飾板之間。安全帶在起始階段起不到應(yīng)有的作用，織帶無(wú)法約束假人的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)織帶出口位置距離假人頸部較遠(yuǎn)，織帶產(chǎn)生的壓力被肩部分解得較少。安全帶出帶口位置，如圖6 所示。

圖6 某車型安全帶出帶口位置示意圖

通過(guò)仿真模型，在靠背上增加導(dǎo)向裝置，防止織帶陷入坐墊發(fā)泡中。改變出帶口的方向，其模型如圖7 所示。在原出帶口前140 mm 處增加導(dǎo)向裝置，或在此基礎(chǔ)上導(dǎo)向環(huán)位置Y 向向內(nèi)移動(dòng)40 mm。

圖7 優(yōu)化導(dǎo)向環(huán)出帶口位置示意圖

再分別調(diào)整安全帶出帶口導(dǎo)向環(huán)X 向和Z 向位置，開(kāi)展仿真分析，輸出后排女性假人傷害，如表5 所示，胸壓有所降低，同樣頸部彎矩傷害值增加。

表5 導(dǎo)向環(huán)位置變更后假人傷害

2.4 后排安全帶卷收器

后排卷收器使用預(yù)緊限力安全帶在滑臺(tái)上開(kāi)展試驗(yàn)，其余所有零部件不變。使用預(yù)緊限力安全帶相比限力安全帶的假人傷害值更低[4]，匹配的安全帶限力等級(jí)也會(huì)起到很好的保護(hù)作用。預(yù)緊作用可以有效地避免假人在初始階段向前移動(dòng)，假人軀干在繞骨盆彎曲的過(guò)程中，安全帶力可以被肩部分擔(dān)一部分。表6 示出使用預(yù)緊限力安全帶開(kāi)展滑臺(tái)試驗(yàn)后的假人傷害數(shù)據(jù)。限力等級(jí)越大，假人的胸壓會(huì)越大，但是頸部扭矩會(huì)降低。選取合適的限力等級(jí)，能夠確保假人整體的傷害滿足要求，最終需要結(jié)合仿真和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)確定。

表6 使用預(yù)緊限力安全帶開(kāi)展滑臺(tái)試驗(yàn)后的假人傷害

3 結(jié)論

文章通過(guò)開(kāi)展仿真分析結(jié)合滑臺(tái)試驗(yàn)，查找后排假人受傷害的影響因素，用以指導(dǎo)將有利的設(shè)計(jì)體現(xiàn)到前期開(kāi)發(fā)的車型中。以上多種方案在數(shù)據(jù)凍結(jié)后實(shí)施的局限性比較大，安全帶布置位置、結(jié)構(gòu)以及更改配置和點(diǎn)火回路需更改大量設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）經(jīng)分析確定假人前移量大的原因主要有3 個(gè)方面：座椅防下潛失效、織帶式插鎖效果差、導(dǎo)向環(huán)布置位置以及安全帶卷收器類型不合適。需要在設(shè)計(jì)初期充分考慮后排防下潛的可靠性，插鎖布置盡量減少織帶的延伸率，導(dǎo)向環(huán)布置靠近肩部，使用預(yù)緊限力安全帶從而使后排女性假人傷害降低。

2）后排女性假人由于沒(méi)有氣囊約束，只受安全帶和座椅約束，頭部不能產(chǎn)生二次接觸，所以胸部傷害會(huì)和頭頸的傷害矛盾，在優(yōu)化過(guò)程中需要權(quán)衡考慮，在保證頭部不發(fā)生二次碰撞的前提下，使胸壓和頸部扭矩傷害都降到合理的范圍內(nèi)。

3）預(yù)緊限力式安全帶、安全帶式氣囊、后排假人頭部用氣囊等會(huì)約束假人運(yùn)動(dòng)，對(duì)降低假人傷害起到作用，這是碰撞安全未來(lái)的主要研究方向。