正面碰撞中車體B柱加速度與安全帶選配間的關聯性研究

商恩義 師玉濤 楊勁松 張世凱

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心）

1 前言

在C-NCAP星級評價體系中，正面碰撞試驗前排假人考核部位規定為頭部、頸部、胸部、大腿和小腿，其中，胸部傷害評價指標為胸部壓縮變形量和胸部加速度cum.A3ms[1]，規定假人胸部分值為5分，并指出胸部壓縮變形量22 mm為滿分點，50 mm為零分點，中間值通過差值法計算。當前，胸部壓縮變形量是碰撞中假人主要失分點，該失分與車體碰撞中B柱x向加速度形狀及安全帶的選擇密切相關。

2 預緊限力式安全帶的作用

2.1 安全帶作用與假人胸部傷害間關系

安全帶在通過約束對乘員整體起保護作用的過程中，通常會對配帶者胸部造成直接擠壓傷害，該擠壓傷害程度與安全帶的選配關系密切。假人胸部作為彈性結構，具有一定剛度，該剛度與安全帶的作用力和作用速度等相關。以50km/h正面碰撞試驗中50%假人胸部為例[2]，在普通安全帶作用下，剛度為300N/mm左右，不易變形，但最終作用力大，直接傷害較高；在預緊限力式安全帶作用下，剛度為200N/mm左右，相對易變形，但最終作用力幅值小，直接傷害小。因此，結合成本考慮，卷收器預緊限力式安全帶當前被普遍采用，且考慮到胸部壓縮變形量的滿分點為22mm，限力值通常定在4kN左右（經過上導向環之后的測量值）。在實際碰撞過程中，安全帶除了直接作用對乘員胸部造成擠壓傷害之外，若選配不當，還可能造成間接擠壓傷害，如當選配的安全帶限力值過低時，可能會因其約束力不足，乘員胸部碰撞后期撞擊到轉向盤盤緣上，或與安全氣囊形成擠壓，造成瞬間超強傷害。

2.2 預緊限力式安全帶分類及作用效果

根據預緊器所在位置不同，安全帶預緊方式分為卷收器（retractor）預緊式、帶扣(buckle)預緊式和錨點(anchor)預緊式，以及卷收器預緊加帶扣預緊、卷收器預緊加錨點預緊的雙級預緊方式。相關研究表明[3]，同等條件正面碰撞試驗中，假人骨盆前、后位移量反映出的安全帶腰帶作用強度依次為雙級預緊＞帶扣預緊＞卷收器預緊＞無預緊。碰撞中后期，假人胸部前、后位移量反映出的安全帶肩帶作用強度依次為雙級預緊＞卷收器預緊＞帶扣預緊＞無預緊。因此，在雙級預緊作用下，假人向前運動的相對速度最低，且胸部明顯表現為平動；在帶扣預緊作用下，假人將表現為平動加胸部繞骨盆軸線轉動；在卷收器預緊作用下，假人將出現平動加胸部轉動，但胸部轉動的強度將低于帶扣預緊作用。

3 不同B柱波形與預緊限力式安全帶的匹配效果研究

碰撞試驗中，假人所受傷害與假人相對車體的運動密不可分。指定加速度x向為前、后方向，向前為正[4]，分析假人x向相對車體的運動時，通常用假人骨盆該方向加速度減去車體B柱該方向加速度作為假人相對加速度[5]。該相對加速度波形基本是一個正弦波，加速部分以車體B柱加速度波形為主，減速部分以假人骨盆的加速度波形為主，因此，對不同B柱加速度波形而言，同類型安全帶對假人胸部的保護效果將完全不同。本文根據正面碰撞試驗中車體B柱加速度波形的近似程度，將其分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，分別選取其中駕乘人員配帶4.5 kN卷收器預緊限力式安全帶的試驗結果進行研究。

3.1 前高后低B柱波形與預緊限力式安全帶的匹配效果研究

某L車前端剛度偏大，碰撞中B柱加速度波形可視為前高后低階梯形，前排乘員配帶4.5 kN卷收器預緊限力式安全帶，試驗所采集相關數據如圖1和圖2所示。

圖1 中，B柱加速度曲線前高后低，高平臺平均為-40 g左右，低平臺平均為-15 g左右；骨盆加速度曲線幅值達到-65 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，安全帶有效作用階段處于B柱加速度曲線高平臺結束之后。

圖2中，胸部壓縮變形量曲線呈前低后高階梯狀，低平臺值約為26 mm，時間為50～63 ms；高平臺值約為32 mm，時間為73～83 ms；低平臺到高平臺過渡時間為63～73 ms。低平臺值為安全帶直接作用產生，比預計偏高4 mm，表明此次碰撞試驗中乘員假人胸部剛度偏低。在假人高速標定和低速標定試驗中，對試驗結果的規定反映出假人受到沖擊時，速度越高，胸部剛度越低[6，7]。 因此，此次試驗中安全帶獨立作用階段假人胸部剛度偏低原因可能是假人相對車體運動速度過高所致；另外，高平臺值應為安全帶選配不當造成胸部與安全氣囊發生沖擊所致。

對骨盆加速度和B柱加速度取差值計算出相對加速度曲線如圖3所示，相對速度曲線如圖4所示，相對位移曲線如圖5所示。

圖3 中，假人相對加速度曲線加速和減速部分絕對幅值都達到40 g；圖4中，相對速度幅值達到7.4 m/s，成對稱結構，相對速度在 63 ms時趨于平緩進而轉向；圖5中，在63 ms前、后出現近似平臺。

綜合分析圖4和圖5可知，碰撞中假人相對速度幅值達到7.4 m/s，與通常5.5 m/s左右相比明顯過高，與圖2中的初步分析相符；在63 ms時假人相對速度下降至0.7 m/s，為最低，可認為此時向前直線相對運動結束，后續可能發生上挺、下潛等運動情況。

綜合分析圖2和圖4，圖2中，從63 ms開始，胸部壓縮變形量發生突變，結合圖4可確認突變發生在假人相對運動結束階段。

依據上述分析可知，假人相對速度幅值高、結束快，加速和減速過程對試驗中假人都將形成較大沖擊。為進一步分析沖擊影響，建立胸部壓縮變形量與假人相對車體位移的關系曲線如圖6所示。

圖6 中，胸部壓縮變形量從低平臺向高平臺發生突變，從26 mm增至32 mm過程對應假人相對位移為210～220 mm，即骨盆向前10 mm，胸部壓縮變形量增加6 mm。圖2中，該過程對應時間為63～73 ms。整個突變過程表明，假人骨盆即將達到最大位移時，假人胸部前沖與安全氣囊發生10 mm左右擠壓沖擊，最終導致胸部壓縮變形量超標嚴重。依據C-NCAP規定，胸部壓縮量為26 mm時可得4.3分，胸部壓縮量為32 mm時只可得3.2分，胸部后續擠壓沖擊造成額外損失1.1分。

總體分析可知，本次案例中所選擇安全帶碰撞時反應不及時，即約束作用滯后性過強，且約束力不夠，導致假人相對加速度過大，相對速度過高，不但假人沒能被及時拉住，而且在加速和減速過程中都形成了沖擊。

3.2 前低后高B柱波形與預緊限力式安全帶的匹配效果研究

某M車前端剛度偏小，隨著碰撞深入，變形累積后剛度偏高，故碰撞中B柱加速度波形可視為前低后高階梯形，駕駛員側為4.5 kN卷收器預緊限力式安全帶。

碰撞試驗后，所采集的相關數據如圖7和圖8所示。

圖7 中，B柱加速度曲線視為前低后高階梯形，低平臺可看作-15 g左右，高平臺可看作-40 g左右；骨盆加速度曲線幅值達到-55 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，前期作用較好，但后期滯后明顯。

圖8中，胸部壓縮變形曲線呈三角形，未出現安全帶直接作用平臺。安全帶限力作用開始后，第55 ms時胸部壓縮變形量出現瞬間回彈，變形值為21 mm，為安全帶直接作用產生。安全帶限力后，假人胸部壓縮變形量快速增加，在約70 ms時達到29.5 mm，此結果應為假人胸部與安全氣囊等產生沖擊造成。在約70 ms后，胸部壓縮變形量急速下降，借助高速攝像分析，此時吸能管柱潰縮吸能，胸部沖擊得到緩解。

取骨盆加速度和B柱加速度差值計算出相對加速度曲線如圖9所示，相對速度曲線如圖10所示。

圖9 中，相對加速度曲線加速部分幅值約為15g，持續時間約為58 ms；減速部分幅值約為-30 g，持續時間約為32 ms；圖10中，相對速度幅值為5.2 m/s，速度歸零時刻為第82 ms，減速開始至歸零用時24 ms，不足加速時間一半，降速相對較快。圖9和圖10綜合分析表明，假人相對速度最終幅值不高，但加速過程持續時間較長，即假人遲遲不能被安全帶約束住，最終導致假人與前方發生沖擊，在沖擊過程中結束相對運動。

為進一步確認此碰撞過程，計算出假人相對位移如圖11所示，相對位移與胸部壓縮變形量之間關系如圖12所示。

圖11 中，在82 ms時，假人相對位移最大，為202 mm，一段時間后，在109 ms時回彈至190 mm。

圖12中，假人骨盆從即將達到最大位移至反彈初期，假人胸部受到明顯擠壓，持續時間較長，產生的胸部壓縮變形過程近似半球形。此結果進一步證明假人胸部與安全氣囊發生碰撞過早，此時，安全氣囊剛度較大。假人胸部前沖擠壓到一定程度后，伴隨安全氣囊泄荷、方向管柱潰縮吸能，胸部沖擊才得以緩解；在胸部受阻及安全帶作用下，假人回彈，即假人回彈與胸部受到安全氣囊的沖擊作用密不可分。

綜合分析可知，本案例中安全帶約束效果一般，造成假人胸部運動姿態較差，最終導致胸部與安全氣囊產生沖擊擠壓。

4 B柱加速度波形與安全帶選配間的關聯性研究

4.1 理想B柱x向加速度波形研究

對B柱2種階梯形加速度波形的研究表明，安全帶作用效果對B柱加速度波形的依賴程度較高，因此，為了提高安全帶作用效果及約束系統匹配優化可調整空間，車體需要在碰撞過程中出現一種理想的B柱加速度波形，使假人在常用的卷收器預緊限力式安全帶作用下，相對運動平緩、無沖擊。

考慮到安全帶腰帶對骨盆的作用結果通常為前低后高近似階梯形，理想B柱加速度波形也應為前低后高階梯形。另外，在安全帶腰帶作用后應確保假人在整個相對運動過程中無沖擊，因此，應產生如下結果：假人骨盆相對位移在200 mm左右，整個相對動作時間為80 ms左右，相對速度基本為對稱三角形。

依據相對位移為200 mm、運動時間為80 ms，計算出理想最大相對速度為5.5 m/s。相對速度基本為對稱三角形，則其加速度波形也基本對稱，時間歷程均為40 ms左右。

相對加速度加速部分以車體B柱加速度波形低平臺為主，時間歷程應為15 ms左右。將低平臺部分看作梯形，以加速度幅值為高，以40 ms為下底、15 ms為上底，以速度5.5 m/s為面積，則可估算出加速度幅值為-20 g。考慮到被骨盆加速度曲線取差值后會有所減弱，故理想B柱加速度曲線的低平臺應為-23 g左右。

相對加速度的減速部分以骨盆加速度為主，主體部分通過骨盆加速度高平臺與理想B柱加速度曲線高平臺取差值獲得。考慮到骨盆加速度的幅值通常在-55 g左右，差值后欲得到-20 g的平臺，B柱梯形波的第2個平臺幅值應為-35 g左右。

依據上述分析，建立理想B柱階梯形加速度波形，結合試驗中假人骨盆加速度波形建立比較關系如圖13所示，相對加速度波形如圖14所示。

圖13 中曲線反映了理想加速度波形與卷收器預緊限力式安全帶腰帶作用結果之間的關系，其中，時間軸不局限于此；圖14中，相對加速度波形加速部分和減速部分基本對稱，平臺絕對幅值在20 g左右，即加速和減速過程都較平緩，碰撞中可減少或避免假人因沖擊造成的傷害。

4.2 不同階梯形B柱加速度波形下安全帶的選配

對于已開發完成且B柱加速度波形不是理想波形的車型，在安全帶選配上，為提高假人胸部保護效果，應結合理想B柱加速度波形及前高后低、前低后高波形綜合考慮進行。對于前高后低及前端平臺明顯高于23 g的階梯形波，考慮到單預緊限力式安全帶約束作用滯后性過強，應盡可能選用雙級預緊限力式安全帶，以提高對假人整體約束作用，降低假人相對運動速度，同時減少胸部與前方安全氣囊及轉向盤等的碰撞強度。另外，為確保安全帶對假人胸部有足夠約束作用，安全帶限力值應不低于4 kN。

對于前低后高且前端平臺明顯低于23 g的階梯形波，應提高安全帶腰帶約束作用，同時，確保假人胸部前撲、頭部前甩，最終使安全氣囊對假人頭部盡早起阻尼作用，且使頭部砸在氣囊中部，避免胸部在碰撞后期與安全氣囊發生過強接觸。因此，此種情況下應盡可能采用帶扣預緊結合卷收器限力方式。

5 結束語

將正面碰撞試驗中車體B柱加速度波形分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，在此基礎上推導出理想波形，并就3種波形下預緊限力式安全帶的選配進行了研究，得出如下結論：在安全帶選配時，應充分考慮B柱加速度波形的影響，以腰帶作用能夠平衡假人相對運動、肩帶能夠調整假人運動姿態為出發點進行選配，對于23～35 g理想B柱階梯形波形，可選配卷收器預緊限力式安全帶；對于前高后低及前端平臺明顯高于23 g的階梯形波，應盡可能選用雙級預緊限力式安全帶；對于前低后高且前端平臺明顯低于23 g的階梯形波，應盡可能采用帶扣預緊結合卷收器限力的安全帶組合。

1 中國汽車技術研究中心 (天津).中國新車評價規則（C—NCAP）,2009.

2 商恩義,張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應用.汽車技術，2010，10:18～21.

3 張學榮,劉學軍,陳曉東,等.正面碰撞安全帶約束系統開發與試驗驗證.汽車工程，2007，12:1055～1058.

4 SAE J211-1,Instrumentation for Impact Test– Part1–Electronic Instrumentation,REV.MAR95,2003.

5 商恩義,李洪梅.車體“剛度”在正面碰撞中對人體傷害影響的研究.汽車技術，2010，2:12～15.

6 USER′S MANUAL FOR THE 50th PERCENTILE MALE HYBRID III TEST DUMMY，SAE Engineering Aid.1998.

7 SAE J2779-2003.HIII 50th男性假人低速胸部碰撞試驗程序，2003.

8 GB14166.機動車成年乘員用安全帶和約束系統.2003.