乘用車膝部臺架碰撞試驗裝置的研究與應用

曹嘯峰 劉宏達 陳琳 余承成 匡芳

（襄陽達安汽車檢測中心有限公司，國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽），襄陽 441000）

1 前言

在2021 年版中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Programme，C-NCAP）正面100%重疊和正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗中，假人腿部考核指標包括大腿股骨力、膝部滑移、小腿脛骨力和小腿脛骨指數(shù)TI[1]。腿部空間狹小且與儀表板發(fā)生碰撞時速度較快，因此腿部考核成為容易失分的環(huán)節(jié)。

儀表板的結構材料、固定安裝方式對下肢所受傷害影響較大，儀表板對膝部碰撞保護性能的傳統(tǒng)驗證方式是實車碰撞和滑車動態(tài)模擬碰撞，2 種方式均存在試驗成本高、周期長，難以獲取直觀數(shù)據反映腿部傷害與儀表板之間的關系以及難以在開發(fā)前期進行儀表板性能改進和驗證等問題。為了驗證并提高儀表板碰撞區(qū)域對膝部的保護性能，降低實車碰撞過程中假人腿部的傷害值，需要一種成本低且可靠性強的試驗驗證手段，本文提出乘員膝部沖擊模塊試驗方法，以期在產品定型初期，采用模塊驗證的改進方式提高膝部保護性能，從而縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本[2]。

2 運動模型的建立及實現(xiàn)

實車碰撞過程中，假人腿部的運動姿態(tài)如圖1所示。在碰撞發(fā)生時刻，臀部H 點向前移動，小腿脛骨圍繞腳踝點旋轉，膝蓋撞擊儀表板受力。

圖1 實車碰撞中假人腿部運動姿態(tài)

理想的膝部沖擊運動模型如圖2所示。膝部模塊通過發(fā)射器獲得一定初速度后向前移動，模塊大腿與模塊小腿的相對位置關系保持不變，小腿腳踝點到達設定位置后停止并保持在該位置，同時臀部H點沿導軌開始向前自由移動，膝部彎曲，直至與儀表板接觸，完成膝部與儀表板的碰撞過程。

圖2 膝部沖擊試驗運動示意

根據上述假人膝部碰撞時的運動情況，本文設計了膝部模塊沖擊試驗裝置，該裝置由膝部模塊和沖擊試驗臺2 個部分組成，如圖3 所示。膝部沖擊模塊包含完整的Hybrid Ⅲ系列假人的大腿、小腿、臀部及腳踝組件，沖擊試驗臺主體由上、下2個導軌組成，臀部H 點和小腿部腳踝點分別安裝在導軌臺車和腳踝支撐導軌上，臺車在導軌上運動，通過發(fā)射器的沖擊實現(xiàn)臀部H 點的前向運動。導軌臺車上裝有限位銷，用于在假人腿部反彈過程中限制臀部H 點的水平向后運動，防止臀部H 點與臺車發(fā)生剛性碰撞，對臺車起到保護作用。腳踝支撐導軌分為水平調節(jié)裝置和垂直調節(jié)裝置2 個部分：水平調節(jié)裝置前端安裝有腳踝停止擋塊，可根據試驗中臀部H 點和腳踝點水平方向距離要求進行調整；垂直調節(jié)裝置安裝在支架上，可滿足試驗中臀部H 點和腳踝點垂直方向上的距離要求。

圖3 膝部模塊及其沖擊試驗臺

3 腿部姿態(tài)的控制

為了達到碰撞所需的沖擊速度，膝部模塊發(fā)射時需保證一定的發(fā)射速度。發(fā)射器作用于膝部模塊骨盆位置，受力的作用點相對集中和腿型長度尺寸的限制，腿部姿態(tài)難以保證。由于膝關節(jié)可旋轉，發(fā)射器推動導軌臺車帶動臀部H 點向前運動，發(fā)射瞬間能量較大，腳踝點的運動比臀部H 點運動滯后，導致膝蓋彎曲，整個腿型姿態(tài)改變，對數(shù)據采集產生干擾，影響試驗結果的準確性。在假人腿部（腳踝）移動過程尚未停止時，膝蓋發(fā)生彎曲，整個腿型姿態(tài)明顯改變，如圖4所示。

圖4 移動過程中改變的腿部姿態(tài)

為了最大程度地復現(xiàn)實車碰撞時腿部的運動過程，保證試驗的一致性，需要保證臀部H 點和腳踝點向前運動時相對位置保持不變，為此，設計了腳踝支撐限位裝置。改進后腿部姿態(tài)保持穩(wěn)定，運動姿態(tài)明顯改善，如圖5所示。

圖5 添加支撐限位后穩(wěn)定的腿部姿態(tài)

4 沖擊速度的獲取

為了得到與實際相符的碰撞速度，需要分析實際碰撞中假人下肢的運動狀態(tài)。

在實車正面碰撞過程中，由于假人上半身受到約束系統(tǒng)的約束且車輛地板對假人腳跟存在支撐作用，假人骨盆與大腿間保持相對靜止，認為假人大腿的向前移動與假人臀部的向前移動一致，因此，骨盆處所采集的加速度可視為假人大腿的加速度。圖6 所示為Hybrid Ⅲ第50 百分位男性假人骨盆加速度安裝塊位置，按照SAE J211 標準的規(guī)定，假人骨盆處的加速度傳感器采集方向在X向上為正方向，在Z向上為負方向。

圖6 Hybrid Ⅲ第50百分位男性假人骨盆加速度安裝塊位置

由于每次試驗座椅的設計位置不同，假人坐姿存在差異，假人安裝塊與坐標軸間角度存在變化。根據其結構，安裝塊與地面的夾角與假人骨盆角互為余角。

前文描述的假人結構及傳感器布置為理論分析結果，利用車身加速度與骨盆加速度計算可得真實工況下的假人膝部沖擊加速度。某次試驗中假人骨盆加速度曲線如圖7所示。

圖7 骨盆X向加速度曲線

由于假人骨盆角的影響，假人骨盆加速度信號并非平行于X及Z軸，而是與坐標軸存在夾角，即骨盆角α，骨盆安裝塊和地面的夾角與假人骨盆角互為余角，骨盆加速度的采集方向與水平方向的夾角為α，如圖8所示。

圖8 骨盆加速度采集方向示意

根據假人骨盆角及傳感器采集方向，需要對假人骨盆加速度進行坐標轉換：

式中，Apx、Apz分別為坐標轉化后的假人骨盆的X向和Z向加速度；apx、apz分別為采集的假人骨盆X和Z向加速度。

對車身加速度Ax及轉換后的骨盆加速度Apx進行積分處理，減去車身初速度V0后得到車身速度Vc和骨盆速度Vp，兩者相對速度V=Vp-Vc，如圖9 所示，取100 ms以內的最大速度Vmax作為膝部模塊沖擊速度。

圖9 車身速度、骨盆速度、相對速度曲線

由圖9 可知，此次膝部模塊沖擊試驗的沖擊速度為4.979 4 m/s。

5 數(shù)據的獲取與分析

儀表板在膝部的侵入量直接決定了膝部碰撞性能，即假人腿部傷害指標。為了更直觀地反映各傷害指標與膝部侵入量的變化關系，將兩者整合在同一坐標系下進行分析。

5.1 膝部在儀表板上侵入量的數(shù)據獲取

為了獲取膝部在儀表板上侵入量隨時間的變化曲線，試驗時在膝蓋處、H 點和同一平面內臺車固定位置粘貼標識點，采用高速攝像機（頻率為1 kHz）拍攝，使用閃光燈記錄碰撞零時刻。通過高速攝像連續(xù)跟蹤標記點在每一幀圖像中的像素位置變化，然后計算出標記點在每一幀圖像中的位移，再通過不斷疊加，得出標記點在碰撞過程中的位移量及在坐標系中的位移方向[3]。標識點如圖10所示。

圖10 標識點位置

5.2 膝部侵入量與腿部傷害數(shù)據的整合

根據高速攝像機的拍攝頻率，膝蓋侵入量-時間曲線的采樣頻率為1 kHz，而數(shù)據采集系統(tǒng)的采樣頻率為10 kHz，通過數(shù)據采集系統(tǒng)獲得的腿部傷害數(shù)據（大腿股骨力、膝部滑移、小腿脛骨力等）不能直接與膝蓋侵入量曲線放在同一坐標系下。

減小數(shù)據采集系統(tǒng)的采樣頻率會使原始數(shù)據失真，因此采用曲線內插法處理高速攝像獲得的侵入量-時間曲線，使其采樣頻率達到10 kHz。經過大量數(shù)據積累和計算，并利用數(shù)據采集系統(tǒng)實際采樣驗證，最終決定采用Akima插值法進行曲線內插，既保持了多項式運算簡單的特點，又避免了多項式階數(shù)較高時數(shù)值不穩(wěn)定的缺點，最大程度保證了曲線的光滑性和連續(xù)性[4]。

經插值后可得到腿部各傷害值隨侵入量變化關系的曲線，圖11所示為大腿股骨力和膝部滑移量隨侵入量的變化曲線。

圖11 大腿股骨力和膝部滑移-侵入量曲線

在實車碰撞中，安全帶腰帶作用于骨盆，膝部在儀表板上侵入量受限，膝部碰撞試驗的數(shù)據中并非侵入全過程的傷害指標均值得分析，僅需求得膝部侵入量最大的時刻，采用實車或模擬碰撞中的安全帶力和大腿壓縮力來計算最大侵入量，如圖12所示。

在膝部沖擊試驗中，因為膝部沖擊無約束系統(tǒng)的約束，結合計算出的最大侵入量，試驗的膝部傷害值取最大侵入量前的結果作為試驗結果。

6 膝部模塊臺架試驗與整車碰撞試驗結果對比

通過數(shù)款車型近百次膝部模塊臺架沖擊試驗的數(shù)據積累，將膝部模塊臺架沖擊數(shù)據與開發(fā)階段的碰撞試驗數(shù)據進行對比，圖13所示為某車型實車碰撞數(shù)據與膝部模塊臺架試驗數(shù)據的對比結果，膝部沖擊試驗包括發(fā)射過程、沖擊過程及反彈過程，發(fā)射及反彈階段非碰撞過程且全過程曲線不便于反映傷害曲線趨勢，圖13截取沖擊過程的傷害曲線與實車碰撞中的傷害曲線進行比對。表1所示為碰撞數(shù)據與膝部模塊臺架試驗數(shù)據的峰值對比結果。

圖13 實車與臺架試驗腿部傷害對比

表1 實車與臺架試驗下肢傷害峰值對比

由表1的數(shù)據對比得知，乘員下肢大腿力的最大差值為0.21 kN，膝關節(jié)位移的最大差值為0.16 mm，TI的最大差值為0.12，與GB/T 20913—2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》的傷害限值（大腿壓縮力時間性能指標0 ms 時9.07 kN，10 ms 時7.58 kN，膝關節(jié)位移15 mm，小腿性能指標1.3[5-6]）相比，影響較小，可以得出2組曲線間峰值誤差較小的結論。

將實車碰撞數(shù)據與膝部臺架碰撞數(shù)據隨時間的變化散點數(shù)據導入MATLAB 中，運用Corrcoef 函數(shù)求得2 個數(shù)據集間的相關系數(shù)，取顯著水平為0.01，經計算，得出大腿力數(shù)據間的相關系數(shù)矩陣膝關節(jié)位移數(shù)據間的相關系數(shù)矩陣即實車碰撞與膝部臺架碰撞的大腿力數(shù)據相關系數(shù)為0.926 5，膝關節(jié)位移數(shù)據相關系數(shù)為0.897 2，波形間具有較好的相似程度，表明波形間具有相近的變化趨勢[7]。

通過峰值誤差及相關系數(shù)進行整體評價，膝部模塊臺架沖擊試驗中腿部傷害數(shù)據與實車碰撞數(shù)據有較好的一致性。

7 結束語

本文設計了乘員膝部沖擊模塊與沖擊試驗臺，針對性地研究膝部與汽車內儀表板的碰撞過程，復現(xiàn)實車碰撞中假人腿部與儀表板的碰撞接觸情況，驗證結果表明，膝部碰撞臺架試驗結果與實車碰撞中腿部、膝部傷害曲線符合性高。該試驗方法可降低儀表板開發(fā)的試驗成本，縮短試驗周期。