乘員氣囊結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)小偏置碰撞保護(hù)的改善

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 晁澤義

25%小偏置碰撞的測(cè)試的引入，使得乘客和氣囊環(huán)境相比于正面碰撞復(fù)雜化，提高了對(duì)于氣囊保護(hù)的要求。本文基于E-NCAP正面碰撞和IIHS小偏置碰撞測(cè)試工況下假人和氣袋位置變化的特點(diǎn)，通過(guò)受力分析，解釋了上述位置變化產(chǎn)生的原因，提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案。同時(shí)，基于仿真測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，將傷害值具體化，橫向比較仿真和實(shí)驗(yàn)的一致性；縱向比較優(yōu)化后氣袋結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)氣袋結(jié)構(gòu)的對(duì)于頭部和胸部的傷害值的變化，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的正確性。

伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽車的碰撞安全技術(shù)也賦予了更完善的保護(hù)需求。以國(guó)內(nèi)外廣大整車研發(fā)中心、零部件技術(shù)中心、科研機(jī)構(gòu)和法規(guī)部門為獨(dú)立/協(xié)助單元，形成了點(diǎn)線面合作的碰撞安全國(guó)內(nèi)生態(tài)圈，面向滿足全球化的安全法規(guī)要求的汽車設(shè)計(jì)成為該生態(tài)圈研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1，2]。其中，基于IIHS的25%的小偏置碰撞測(cè)試（如圖1所示）以更接近真實(shí)碰撞情況的測(cè)試條件，更為嚴(yán)苛的測(cè)試工況，對(duì)于被動(dòng)安全技術(shù)提出了新的技術(shù)要求[3，4]。

圖1 小偏置碰撞應(yīng)用狀態(tài)Fig.1 Small overlap frontal crash application

正面氣囊作為正面碰撞過(guò)程中主要安全防護(hù)的措施，對(duì)乘員起到的保護(hù)超過(guò)40%[5，6]，是對(duì)于乘客在碰撞過(guò)程中是否會(huì)受到傷害的關(guān)鍵被動(dòng)安全保護(hù)措施。

本文以正面氣囊為研究對(duì)象，通過(guò)基于全剛性壁障(E-NCAP)和25%覆蓋度小偏置碰撞（IIHS和C-IASI）測(cè)試條件工況下，比較正面保護(hù)氣袋姿態(tài)的差異；提出對(duì)于氣袋的優(yōu)化方案；以仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比優(yōu)化方案對(duì)于小偏置碰撞條件下對(duì)于乘客的保護(hù)的改善，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)于小偏置碰撞的滿足的正確性。

1 氣袋展開區(qū)別分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文對(duì)比采用的是相同條件下特斯拉Model Y、寶馬X1和福特E Mustang在E-NCAP和IIHS的氣囊展開姿態(tài)和人臉接觸趨于的對(duì)比。測(cè)試結(jié)果如圖2所示，由于測(cè)試條件的車速不同，所以評(píng)價(jià)基于假人接觸氣囊正面的偏置；通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是主駕和副駕，針對(duì)E-NCAP在全剛性壁障的條件下，氣袋展開路徑和假人接觸的路徑相互平行，可以確保假人接觸氣袋的中心區(qū)域位置，充分發(fā)揮氣袋的吸能作用；針對(duì)IIHS在25%覆蓋度小偏置碰撞條件下，氣袋展開路徑和車身保持平行，而假人的相對(duì)于氣袋展開的路線更加靠近車門，假人接觸氣袋的位置會(huì)偏離設(shè)計(jì)的中心區(qū)域位置，減少有效的吸能區(qū)域。

圖2 不同車型正面碰撞和小偏置碰撞差異Fig.2 Different models of frontal collision and small overlap frontal crash.

以車身為研究對(duì)象，繪制相同坐標(biāo)系下受力圖如圖3所示，在碰撞發(fā)生過(guò)程中，針對(duì)全剛性壁障測(cè)試條件下，車身發(fā)動(dòng)機(jī)艙受到一個(gè)來(lái)自于剛性壁障給予的一個(gè)完全垂直于接觸面的壓力，如圖3所示沿著Y方向F0；而針對(duì)25%小偏置碰撞，僅有碰撞區(qū)域受到垂直于接觸面的壓力，如圖3所示沿著Y方向F1，在汽車慣性的作用下，沿著Y向的小偏置作用力可以分解為沿著汽車中心線的受力F1'以及沿著Z軸的旋轉(zhuǎn)扭矩T0。扭矩作用下的旋轉(zhuǎn)，將氣袋和人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向由之前的相對(duì)平行變化為形成一個(gè)特點(diǎn)的角度的狀態(tài)，從而出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果中發(fā)生的氣袋和假人的小角度偏置，未落到中心上情況的發(fā)生。

基于上述缺陷的存在，從兩個(gè)維度進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化：（1）體積補(bǔ)償。該方案主要是通過(guò)氣袋體積的增加，補(bǔ)償小偏置碰撞帶來(lái)假人的偏移，由于氣袋設(shè)計(jì)遵循對(duì)稱平衡的設(shè)計(jì)，需要在Y方向上對(duì)稱補(bǔ)償，導(dǎo)致氣袋設(shè)計(jì)的浪費(fèi)比例增加；（2）假人限位。該方案主要是通過(guò)增加氣袋的限制結(jié)構(gòu)。通過(guò)氣袋結(jié)構(gòu)限制特征的增加，可以在假人發(fā)生偏移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿著氣袋的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑向中心位置的功能。

綜合對(duì)比體積補(bǔ)償和假人限位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)體積補(bǔ)償方式，主要存在單側(cè)功能特征，而基于對(duì)稱設(shè)計(jì)，會(huì)造成設(shè)計(jì)浪費(fèi)的情況。相比之下，假人限位特征方式，是增加少量體積的特征，起到在假人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)向作用。

綜合對(duì)比上述特征，設(shè)計(jì)得到的氣袋結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中綠色區(qū)域?yàn)檎５臍獯Y(jié)構(gòu)，通過(guò)拉帶結(jié)構(gòu)降低與假人臉部接觸區(qū)域的高度。該區(qū)域被定義為目標(biāo)接觸區(qū)域，雖然該區(qū)域的氣袋吸能深度有所降低，但是基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍然可以滿足吸能的要求；圖4中的黃色區(qū)域?yàn)闇\導(dǎo)向區(qū)域，當(dāng)發(fā)生小偏置碰撞，限位角度比較低的條件下，假人會(huì)和黃色區(qū)域相互接觸，通過(guò)特定的導(dǎo)向功能，將假人導(dǎo)向至綠色接觸區(qū)域；圖4中的紫色區(qū)域?yàn)樯顚?dǎo)向區(qū)，當(dāng)發(fā)生小偏置碰撞，限位角度比較高的條件下，假人會(huì)和紫色區(qū)域相互接觸，通過(guò)更緩的接觸角度，降低正面接觸力，在導(dǎo)向的同時(shí)優(yōu)化整體受力；最后圖4中的藍(lán)色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)，主要目的是為了增加氣袋在該區(qū)域的整體強(qiáng)度，以滿足氣袋的完整性。

圖4 優(yōu)化氣袋結(jié)構(gòu)Fig.4 Optimization of cushion shape

2 氣袋展開區(qū)別分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行仿真分析和測(cè)試對(duì)標(biāo)確認(rèn)。仿真結(jié)果如圖5所示，分別進(jìn)行了小偏置碰撞條件下普通氣囊和優(yōu)化后的氣囊的碰撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)分析了假人頭部和頸部、胸部、股骨膝關(guān)節(jié)/脛骨和腳趾的受力影響；匯總得到各項(xiàng)數(shù)值和CIASI的標(biāo)準(zhǔn)需求進(jìn)行比較。相比于傳統(tǒng)氣袋包型，優(yōu)化的氣袋結(jié)構(gòu)在對(duì)于頭部保護(hù)上帶來(lái)了非常大的提升，將HIC15傷害值從之前的大于840縮小到128，對(duì)于頸部傷害值也有非常明顯的改善。由此可知，通過(guò)調(diào)整氣袋結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)向特征可以充分優(yōu)化針對(duì)頭部傷害值和頸部傷害值帶來(lái)的變化。

圖5 氣袋優(yōu)化后仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results after cushion optimization

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程如圖6所示，通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中假人的受力，在小偏置碰撞條件下假人的受力數(shù)值和仿真結(jié)果的對(duì)比?？梢缘玫椒抡鏀?shù)值和測(cè)試結(jié)果數(shù)值范圍相對(duì)比較接近，特別的針對(duì)頭部傷害相差非常小。針對(duì)頸部的數(shù)值傷害各項(xiàng)數(shù)值的相差也非常小。仿真的結(jié)果和測(cè)試結(jié)果非常吻合，如表1所示。

表1 優(yōu)化前后仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of simulation data and experimental results before and after optimization

圖6 .氣袋優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 6.Test results after cushion optimization

縱向?qū)Ρ葴y(cè)試結(jié)果，不難看出在頭部和頸部受傷的數(shù)值上，改良后的氣袋都體現(xiàn)出了相比于傳統(tǒng)氣袋更加優(yōu)秀的性能。在針對(duì)股骨膝關(guān)節(jié)/脛骨和腳趾的傷害數(shù)值上，性能表現(xiàn)相當(dāng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以IIHS和E-NCAP歷年典型的測(cè)試結(jié)果為切入點(diǎn)，舉證了在不同測(cè)試條件下氣袋展開狀態(tài)的差異，并且通過(guò)分析上述測(cè)試差異對(duì)于氣袋性能的影響。評(píng)估了不同的優(yōu)化方向?qū)τ谛阅艿挠绊懠捌鋬?yōu)缺點(diǎn)，最后通過(guò)仿真測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了如下兩點(diǎn)：

（1）優(yōu)化的氣袋結(jié)構(gòu)，針對(duì)小偏置碰撞存在明顯的優(yōu)勢(shì)?？梢杂行У亟档驮谛∑门鲎仓嗅槍?duì)頭部和頸部的傷害；

（2）優(yōu)化的氣袋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)假人頭部偏移的補(bǔ)償要求?？梢杂行У匮a(bǔ)償由于偏置碰撞帶來(lái)旋轉(zhuǎn)扭矩造成的氣袋和假人的偏移，通過(guò)導(dǎo)向結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)于假人頭部位置的調(diào)整和補(bǔ)償。

[1]朱軼平,束振偉.框型副車架針對(duì)小偏置碰撞性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].上海汽車,2022(1):55-62.

[2]劉明.關(guān)于25%偏置碰撞試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法的研究[J].科技風(fēng),2013(20):55-56.

[3]汪俊,李雪玲.IIHS正面小偏置碰撞試驗(yàn)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].汽車工程學(xué)報(bào),2017,7(6):432-438.

[4]賈麗剛,農(nóng)天武,勞兵,等.25%小偏置碰撞策略及測(cè)試評(píng)估研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2022(1):62-65.

[5]秦孟蘇.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車安全氣囊智能點(diǎn)火控制算法[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2008.

[6]SHERWOOD C P NOLAN J M ZUBY D S.Characteristics of Small Overlap Crashes[C]//International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles,2009(4):27-34.