某皮卡車型乘員保護(hù)性能分析

劉曉東，陳 開，王瀚楓，栗 國(guó)，胡帛濤

某皮卡車型乘員保護(hù)性能分析

劉曉東，陳 開，王瀚楓，栗 國(guó)，胡帛濤

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

基于2024版中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP），對(duì)某皮卡車型的乘員保護(hù)性能進(jìn)行了研究，以提升該皮卡被動(dòng)安全性能。對(duì)C-NCAP下皮卡車型的乘員保護(hù)測(cè)評(píng)內(nèi)容進(jìn)行了解析，對(duì)該皮卡車型的乘員艙空間尺寸、車身結(jié)構(gòu)碰撞指標(biāo)與多款乘用車進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)C-NCAP各碰撞工況下約束系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真分析，并針對(duì)乘員保護(hù)重要問題點(diǎn)結(jié)合假人傷害進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明，皮卡車型乘員正面與側(cè)面空間較為充足，但正面工況侵入量偏大，通過合理的油門踏板、座椅和氣囊設(shè)計(jì)，能有效的改善皮卡乘員保護(hù)性能。

皮卡；乘員保護(hù)；約束系統(tǒng)；C-NCAP

21世紀(jì)以來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民用車需求也在極速增長(zhǎng)，農(nóng)村或城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)，對(duì)既能載人且兼顧拉貨這一類多用途工具車的需求逐年上升[1-2]。皮卡車型采用乘用車式車頭和駕駛室，并帶有敞開式貨廂，低矮車身易于裝卸一噸左右貨物[3]，同時(shí)又具有乘用車的配置和舒適性，兼顧了乘用車和商用車的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)物流運(yùn)輸工作中[4-5]。全國(guó)多個(gè)城市陸續(xù)出臺(tái)了皮卡進(jìn)城解禁政策[6]，并伴隨著相關(guān)利好政策的不斷落地實(shí)施，以及市場(chǎng)內(nèi)外部環(huán)境的持續(xù)改善，皮卡車型的銷量得到較大增長(zhǎng)。

用戶對(duì)于皮卡車型的要求，已經(jīng)從商用車功能，升級(jí)到不斷提升內(nèi)飾品質(zhì)、安全性能、駕駛樂趣等乘用化體驗(yàn)[7-8]，安全性能成為用戶最為關(guān)注的性能之一。目前國(guó)內(nèi)乘用車，包含轎車、運(yùn)動(dòng)型多功能車（Sports Utility Vehicle, SUV）、多功能乘用車（Multi Purpose Vehicles, MPV）等，基于中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Programme, C-NCAP）的碰撞安全性能開發(fā)技術(shù)，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)較為完善。而皮卡車型屬于多功能貨車范疇，2022年之前未被納入C-NCAP評(píng)價(jià)車型范圍，碰撞安全性能開發(fā)以針對(duì)國(guó)標(biāo)工況為主，基于C-NCAP的開發(fā)技術(shù)相對(duì)不成熟。

皮卡車型按照重量、尺寸和載重等因素，可分為緊湊型皮卡、中型皮卡、全尺寸皮卡、噸卡等。本文基于某中型皮卡的碰撞安全性能開發(fā)過程，對(duì)2024版C-NCAP規(guī)程下該皮卡的乘員保護(hù)性能開發(fā)進(jìn)行了研究。

1 C-NCAP皮卡測(cè)試工況解析

2021年10月21日，中汽中心汽車測(cè)評(píng)管理中心發(fā)布了《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》修訂說明，選車范圍增加了最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量小于等于3.5 t的皮卡車（多用途貨車），提出皮卡車按照《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》中的單排座車進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，并于2022年1月開始實(shí)施，這對(duì)新推出的皮卡產(chǎn)品安全性有了更高的要求。

2024版C-NCAP對(duì)測(cè)試工況和內(nèi)容進(jìn)行了全面更新，根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》草案[9]，皮卡乘員保護(hù)版塊包含如下測(cè)試工況和評(píng)價(jià)項(xiàng)目，如表1所示。

按照2024版規(guī)則，皮卡車型按不計(jì)后排分?jǐn)?shù)，且不進(jìn)行兒童保護(hù)靜態(tài)評(píng)價(jià)，乘員保護(hù)版塊滿分85分。移動(dòng)漸進(jìn)可變形壁（Moving Progressive Deformable Barrier, MPDB）碰撞試驗(yàn)中的兼容性作為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，不參與評(píng)分，后續(xù)根據(jù)觀察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累結(jié)果進(jìn)行修訂。

本文按照2024版C-NCAP規(guī)程要求，進(jìn)行了正面剛性墻（Front Rigid Wall Barrier, FRB）碰撞、正面MPDB碰撞、側(cè)面中國(guó)版可移動(dòng)壁障（Suitbale for China-Moving Deformable Barrier, SC-MDB）碰撞、側(cè)面柱碰（Side Pole Barrier, SPB）及遠(yuǎn)端乘員保護(hù)工況（Farside）下基于LS-DYNA的約束系統(tǒng)仿真建模分析。

表1 皮卡乘員保護(hù)版塊評(píng)價(jià)項(xiàng)目及分值分配

2 約束系統(tǒng)仿真邊界條件對(duì)比研究

仿真分析中邊界條件的惡劣與否，是影響計(jì)算結(jié)果的重要因素。約束系統(tǒng)匹配的邊界條件主要包括假人的初始生存空間、車身結(jié)構(gòu)碰撞性能輸入。初始生存空間是未發(fā)生碰撞時(shí)，假人與車體內(nèi)飾或結(jié)構(gòu)件之間的空間。車身結(jié)構(gòu)碰撞性能輸入，主要包含車體加速度和乘員艙變形侵入量。車體加速度，反應(yīng)了碰撞的劇烈程度。乘員艙變形侵入會(huì)擠占假人的生存空間。侵入量越大，假人的實(shí)際生存空間越小。當(dāng)假人初始空間大，車身加速度及入侵較友好時(shí)，約束系統(tǒng)匹配更容易。當(dāng)假人初始空間較大，但車身結(jié)構(gòu)碰撞性能輸入比較惡劣時(shí)，約束系統(tǒng)開發(fā)難度也會(huì)加大。

2.1 初始生存空間

該皮卡車型長(zhǎng)5.36 m，寬1.95 m，高1.86 m，軸距3.26 m，整備質(zhì)量2.17 t，采用前置四驅(qū)形式動(dòng)力總成。由于皮卡車型只對(duì)前排進(jìn)行測(cè)試，本文將該皮卡車型乘員艙前排主駕側(cè)生存空間與緊湊型SUV、中大型SUV、MPV車型進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表2所示。正面空間數(shù)據(jù)，是將座椅、方向盤等調(diào)整至C-NCAP要求位置，放置50百分位HybridIII假人后的空間測(cè)量數(shù)據(jù)。側(cè)面空間數(shù)據(jù)，是放置50百分位WorldSID假人后的測(cè)量數(shù)據(jù)。主駕側(cè)空間數(shù)據(jù)，具有較好的代表性。HybridIII假人與WorldSID假人分別是FRB工況與柱碰工況中主駕位置假人，能分別較好的反應(yīng)C-NCAP正面與側(cè)面碰撞工況中，假人生存空間的綜合情況。

表2 初始生存空間尺寸對(duì)比 單位：mm

正面空間方面，假人頭部、胸部空間略大于中大型SUV、MPV，膝蓋處空間與緊湊型SUV相當(dāng)，該皮卡正面空間整體相對(duì)較為充足。側(cè)面空間方面，該皮卡與所列的MPV車型情況較為接近，大于緊湊型SUV。

綜合而言，該皮卡前排假人生存空間較為充足，與大尺寸乘用車水平相當(dāng)，可以為約束系統(tǒng)匹配提供良好的基礎(chǔ)條件。

2.2 皮卡結(jié)構(gòu)碰撞性能輸入指標(biāo)研究

將該皮卡的結(jié)構(gòu)指標(biāo)與C-NCAP五星乘用車進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示。正面工況，對(duì)比了B柱下向加速度峰值及乘員載荷準(zhǔn)則（Occupant Load Criterion, OLC）、前圍侵入量、加速踏板安裝點(diǎn)侵入量。側(cè)面工況，對(duì)比了柱碰與側(cè)碰工況下的前車門內(nèi)板侵入量、侵入速度。Farside工況，對(duì)比了柱碰遠(yuǎn)端向加速度峰值、OLC。

對(duì)比表3數(shù)據(jù)可知，對(duì)于正面工況的加速度指標(biāo)，乘用車之間差異較大，該皮卡沒有表現(xiàn)出明顯的不足。但該皮卡的FRB前圍及踏板安裝點(diǎn)入侵量明顯較所列的乘用車偏大。結(jié)合整車碰撞仿真結(jié)果，這是由于該皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)體積較大且縱向布置，占用了機(jī)艙較大的正面吸能空間，碰撞過程中動(dòng)力總成擠壓前圍板與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)入侵較大。

表3 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)比

柱碰入侵量相對(duì)較高，遠(yuǎn)端側(cè)向加速度峰值與乘用車相當(dāng)。這表明該皮卡抵擋剛性柱入侵時(shí)，側(cè)面結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)不足。相對(duì)參考乘用車，該皮卡由于B柱及門檻區(qū)域結(jié)構(gòu)件厚度偏小，變形較大。采用了非承載式車身設(shè)計(jì)，但承載大梁較早彎折變形，未能有效降低柱碰中車身變形。在SC-MDB側(cè)碰中皮卡底盤相對(duì)較高，門檻結(jié)構(gòu)能有效吸收部分碰撞能量，車門及B柱變形能夠滿足預(yù)期要求。

總體而言，皮卡車型乘員艙空間與大尺寸乘用車相當(dāng)，正面、側(cè)面碰撞中車體加速度指標(biāo)也基本達(dá)到開發(fā)目標(biāo)要求。但乘員艙入侵變形較大，可能會(huì)導(dǎo)致假人相關(guān)部位出現(xiàn)較大傷害。

3 約束系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 約束系統(tǒng)仿真分析

基于DYNA有限元分析方法，搭建約束系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行C-NCAP 2024下各工況分析。約束系統(tǒng)配置方面，采用了雙預(yù)緊限力式安全帶，配備駕駛員氣囊（Driver Air Bag, DAB）、乘員氣囊（Passenger Air Bag, PAB）、側(cè)氣囊（Side Air Bag, SAB）、簾式氣囊（Curtain Air Bag, CAB）及遠(yuǎn)端保護(hù)氣囊（Farside Air Bag, FAB）。各工況下，進(jìn)行了安全帶限力等級(jí)、氣囊氣孔、氣囊拉帶長(zhǎng)度等約束系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)的匹配分析，得到假人各部位得分結(jié)果。

FRB工況下，假人各部位得分如表4所示，主駕胸部及小腿區(qū)域得分不足。小腿區(qū)域TI值較大，結(jié)合仿真動(dòng)畫，這是由于踏板入侵造成小腿彎矩M過大造成的。胸部區(qū)域肋骨壓縮量比目標(biāo)值略大。

表4 FRB工況得分

MPDB工況得分高于FRB，滿足五星開發(fā)目標(biāo)要求，如表5所示。SC-MDB工況，得分同樣較好，假人各部位沒有出現(xiàn)扣分。

表5 MPDB工況得分

柱碰工況，胸部壓縮量得分1.5分，但由于肩部力超過極限值3 kN，導(dǎo)致胸部綜合得分為0，如表6所示。腹部壓縮量超過高性能限制，出現(xiàn)0.42罰分。假人撞擊側(cè)胳膊抬起不足，橫向擠壓肩部傳感器。SAB包型對(duì)腹部覆蓋區(qū)域不足，造成門內(nèi)飾直接擠壓腹部。

表6 SPB工況得分

FARSIDE工況評(píng)價(jià)，需結(jié)合柱碰脈沖，對(duì)八個(gè)滑臺(tái)工況進(jìn)行分析，通過假人頭部偏移量和各部位傷害值綜合評(píng)價(jià)計(jì)算單個(gè)滑臺(tái)得分，取所有滑臺(tái)得分平均值作為最終得分。仿真結(jié)果如表7所示，假人傷害值未出現(xiàn)超標(biāo)問題，但頭部偏移量出現(xiàn)罰分。FARSIDE得分7分，低于目標(biāo)7.6分。

表7 Farside工況得分

對(duì)約束系統(tǒng)主要問題點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如下所述：

1）由于踏板入侵FRB主駕小腿傷害較大；

2）FRB主駕胸部傷害偏大；

3）柱碰肩部、腹部傷害較大；

4）FASIDE下，F(xiàn)AB氣囊無法有效支撐假人頭部。

基于上述問題，對(duì)油門踏板、座椅及氣囊等約束系統(tǒng)零部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 油門踏板優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用可斷裂式踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，小腿部受踏板作用造成的彎矩值降低，如圖1所示，腿部得分改善。

圖1 小腿彎矩My優(yōu)化

3.3 前排座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

乘用車前排座椅的防下潛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟，可以對(duì)假人骨盆的前向滑動(dòng)起到有效限制作用。當(dāng)前皮卡的座椅防下潛結(jié)構(gòu)較弱，假人相對(duì)座椅的前向位移較大，不利于胸部保護(hù)，也增加了下潛風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化方案中增加防下潛結(jié)構(gòu)，如圖2所示部件。

圖2 座椅優(yōu)化示意圖

增加防下潛梁結(jié)構(gòu)后，F(xiàn)RB工況中假人前移量減小，胸部壓縮量改善約2 mm，如圖3(a)所示。MPDB工況中假人髂骨力變化速率峰值減小，下潛風(fēng)險(xiǎn)降低，如圖3(b)所示。

圖3 座椅優(yōu)化前后傷害曲線對(duì)比

3.4 SAB氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)SAB包型進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)縮小氣囊肩部區(qū)域，增加氣囊底部對(duì)假人腹部覆蓋范圍，如圖4所示。

圖4 SAB包型優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化后SAB展開時(shí)會(huì)上頂假人胳膊，胳膊抬起更高，肩部力改善，腹部壓縮量降低，如圖5所示。

圖5 SAB優(yōu)化前后傷害曲線對(duì)比

3.5 FAB氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

初始單腔FAB氣囊對(duì)頭部支撐作用不足，頭部偏移等級(jí)較大。優(yōu)化方案中，采用雙腔FAB包型，F(xiàn)ARSIDE頭部偏移量改善明顯，如圖6所示，得分滿足了目標(biāo)要求。

圖6 FAB優(yōu)化前后同時(shí)刻頭部位移對(duì)比

4 結(jié)論

本文基于2024版C-NCAP規(guī)程，對(duì)某中型燃油皮卡的乘員保護(hù)性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）相對(duì)于乘用車，皮卡車型乘員艙空間較為充足，可以為乘員保護(hù)開發(fā)提供良好的基礎(chǔ)條件。但正面、側(cè)面乘員艙入侵變形均較大。車身結(jié)構(gòu)碰撞性能優(yōu)化將是皮卡車型碰撞性能開發(fā)的重點(diǎn)問題。

2）采用斷裂式踏板，可以改善由于結(jié)構(gòu)入侵造成的小腿傷害過大問題。

3）座椅設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注是否具備有效的防下潛結(jié)構(gòu)，防止假人前向滑動(dòng)過度。

4）SAB氣囊包型設(shè)計(jì)中，需關(guān)注假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、氣囊對(duì)假人各部位的覆蓋區(qū)域是否合理。

5）FAB氣囊包型設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注是否對(duì)假人頭部起到側(cè)向支撐作用。

本文研究?jī)?nèi)容可為皮卡車型乘員保護(hù)性能開發(fā)提供參考。

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Analysis of the Occupant Protection Performance for a Pickup Truck

LIU Xiaodong, CHEN Kai, WANG Hanfeng, LI Guo, HU Botao

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

Under the 2024 version of the China new car assessment programme (C-NCAP), the occupant protection performance of a pickup truck is studied with the aim of improving the passive safety performance of the pickup truck.The occupant protection evaluation content of the C-NCAP for pickup truck model is analyzed, the passenger compartment space and body structure collision indicators of the pickup truck are compared with a variety of passenger cars, the performance of the restraint system under each collision condition of C-NCAP is simulated and analyzed, and the important problems of occupant protection are optimized combined with dummy injury. The research shows that the front and side space of the pickup truck occupants are sufficient, but the intrusion of the front working conditions is large, and the protection performance of the pickup truck occupants can be effectively improved through reasonable accelerator pedal, seat and airbag design.

Pickup truck; Occupant protection; Constraint system; C-NCAP

U463

A

1671-7988(2023)21-71-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.015

劉曉東（1988－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全領(lǐng)域，E-mail:liuxiaodong@catarc.ac.cn。