小空間車型第2排乘員保護性能優化*

張海洋 潘如楊 劉衛國，2 祝賀 周大永，2 馮擎峰，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室）

據統計，在車輛正面碰撞過程中，第2排乘員的傷害情況較前排乘員嚴重得多[1]，但國內外市場銷售的大多數車型均未關注第2排乘員的保護。隨著國內外NCAP 評價規程的變化，降低第2排乘員的傷害逐漸成為整車乘員保護安全性能的開發重點[2-3]。文章確定了影響第2排乘員傷害的關鍵因素。通過減小安全帶的限力等級，以及增大第2排假人頭頸部及胸部的前移量，有效改善了第2排乘員的傷害情況。

1 第2排乘員保護性能的影響因素

以某車型為基礎，通過仿真分析的手段，從車體波形、乘員布置空間以及約束系統性能參數等角度，對比分析第2排乘員傷害的影響因素，由此判斷第2排乘員保護的關鍵影響因素。

1.1 車體碰撞波形的影響

以車體碰撞波形的2 階加速度值作為設計變量，定義2 階加速度值分別為20，25，30，35，40 g，分析不同車體碰撞波形對第2排假人各部位傷害的影響，第2排假人頭部及胸部傷害曲線對比，如圖1 所示。由圖1a 可知：隨著車體碰撞波形的2 階加速度不斷減小，第2排假人胸部壓縮量逐漸減小，當車體加速度達到35 g 時，假人胸部壓縮量變化不大，且在碰撞過程中假人頭部撞擊到前排座椅靠背，導致頭部合成加速度出現尖峰，如圖1b 所示，頭部傷害值超過72 g 的目標要求。結合仿真分析動畫，如圖2 所示，分析假人頭部與前排座椅靠背相接觸的時刻，當碰撞進行至70 ms和80 ms 時，車體2 階加速度為40 g 和35 g 的2 種狀態的假人頭部與座椅靠背相接觸，導致頭部受力值發生突變，傷害值超標。由此可知：綜合考慮假人頭部和頸部的傷害情況，車體碰撞波形是影響假人胸部壓縮量的主要因素。

1.2 第2排假人小腿擺放角度

采用改變第2排假人小腿的擺放角度（52，55，58，61，64，67°），分析不同的小腿擺放角度對假人各部位傷害的影響。通過仿真分析獲得第2排假人胸部壓縮量和頸部拉伸力的變化，如圖3 和圖4 所示。通過圖3 和圖4 可知：假人小腿擺放角度的變化僅對假人運動姿態略有影響，對假人胸部及頸部傷害影響不大。當假人小腿擺放角度從67°變化為52°時，假人胸部壓縮量僅減小0.4 mm；當假人小腿擺放角度從58°變化為52°時，頸部拉伸力減小165.4 N。由此分析可知：小腿的擺放角度影響假人小腿部與前排座椅靠背的接觸時刻，但對第2排假人各部位的傷害影響不大。

1.3 安全帶限力等級

通過仿真分析來確定不同安全帶限力等級對第2排乘員傷害的影響。安全帶限力等級為:2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000 N，不同安全帶限力等級對應的假人各部位傷害結果，如表1 所示。

表1 不同安全帶限力等級的第2排假人傷害值

從表1 中可以看出：第2排假人胸部壓縮量隨著安全帶限力等級的減小而明顯減小；安全帶限力等級減小至2 500 N 時，第2排假人頭部和頸部傷害發生突變，出現拐點。結合仿真分析結果，確定該拐點是由于安全帶限力值偏小，安全帶對第2排女性假人無明顯的束縛作用，使得碰撞過程中第2排假人頭部撞擊前排座椅靠背，導致其頭頸部傷害變大。由此判斷：在保證假人頭部不發生二次碰撞的情況下，安全帶限力等級對第2排乘員保護性能的影響較大，通過優化安全帶限力等級能夠有效地改善第2排乘員的傷害情況。

1.4 安全帶織帶延伸率

選取7%，10%，12%，14%的安全帶織帶延伸率作為設計變量，分析后排安全帶織帶延伸率對假人傷害的影響。不同安全帶織帶延伸率的第2排假人各部位傷害值，如表2 所示。通過表2 可知：隨著安全帶織帶延伸率的增大，第2排假人頸部拉伸力略有改善，但改善量不大。其中，安全帶織帶延伸率由7%增大至14%時，假人胸部壓縮量僅減小1.62 mm，由此判斷安全帶織帶延伸率對第2排乘員保護性能的影響較小。

表2 不同安全帶延伸率的第2排假人各部位傷害值

1.5 座椅座墊角度

在碰撞過程中，第2排座椅座墊布置角度影響假人的運動姿態及前移量，座墊布置角度越大，假人髖部的前移量越小，假人軀干傾角越小，降低了假人頭部撞擊前排座椅的風險；同時，間接地降低了安全帶肩帶對假人胸部的作用力，能夠有效地降低假人各部位的傷害值，對第2排乘員保護有利。

分別將座椅座墊角度布置為0，10，15，20，25°，分析不同的座椅座墊布置角度對第2排乘員傷害的影響，如圖5 所示，隨著座椅座墊布置角度的增大，第2排假人各部位傷害均有所減小，其中胸部壓縮量減小得尤為明顯，當座椅座墊布置角度由10°增加至25°時，假人胸部壓縮量由30.7 mm 減小至25.5 mm。圖6 示出不同座墊角度的假人運動姿態對比圖，從圖6 中可以看出，座椅座墊布置角度越大，對假人髖部的束縛作用越明顯，對改善假人傷害有利。由上述分析可知：座椅座墊布置角度作為關鍵影響因素，極大地優化了假人胸部的得分，有利于第2排乘員的保護。

1.6 座椅座盆剛度

以座椅座盆剛度作為設計變量，將其按照一定的倍數放大和縮小，分析座椅座盆剛度對第2排假人傷害的影響。設計變量值分別取0.5，0.8，1，1.2，1.5，2 倍座盆剛度，將7 個變量輸入仿真模型進行分析，其分析結果，如圖7 所示。由圖7 可見：隨著座椅座盆剛度變大，假人頭部傷害明顯減小，而假人頸部及胸部傷害值變化不大。

1.7 關鍵影響因素確定

結合正面碰撞過程中第2排假人頭頸部、胸部的受力過程，從假人頭部與胸部受到合外力的角度分析安全帶性能參數的設計對第2排假人頭部及胸部傷害的影響[4]。碰撞過程中第2排假人頭部受到的合外力主要來源于頸部的作用力，而假人胸部受到合外力由安全帶作用產生。在正面碰撞過程中，第2排女性假人的上軀干受到安全帶肩帶的作用發生減速運動，導致胸部加速度和胸部壓縮量的產生，從而使得胸部和頭部的減速度存在差異，使頸部傷害值增大。第2排假人頭部與胸部受到合外力曲線，如圖8 所示。由圖8 可以看出：假人頭部受到的合外力與假人頸部剪切力、拉伸力的變化趨勢基本相同，假人胸部受到的合外力與安全帶肩帶力的起始時刻相一致，峰值存在差異，主要是由于假人軀干前傾，安全帶作用于假人胸部的力值大于安全帶肩帶力值。

圖9 示出車體碰撞波形、假人小腿擺放角度、座椅座墊布置角度、安全帶限力等級、安全帶延伸率以及座椅座盆剛度對第2排假人胸部壓縮量及頸部拉伸力的影響。由圖9 可以看出：安全帶限力等級、車體碰撞波形以及座椅座墊布置角度的變化對第2排假人胸部壓縮量和頸部拉伸力的影響相對較大，安全帶限力等級的降低使得第2排假人胸部壓縮量和頸部拉伸力分別減小10.7 mm 和1 452 N，對假人傷害的影響程度最大。因此可判斷安全帶的限力等級是影響第2排乘員保護性能的關鍵因素。

2 小空間車型第2排假人傷害優化分析

通過統計北美市場A0 級別車型的后排乘員布置空間，定義優化模型的第2排女性假人布置空間，胸部到前排座椅靠背的水平距離為445 mm，膝關節到前排座椅靠背的水平距離為220 mm，髖部角度為16°。以安全帶限力等級為設計變量，其他影響因素為恒量，優化小空間車型的第2排乘員保護安全性能。定義安全帶限力等級分別為2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000 N，通過仿真分析確定第2排乘員保護的最佳優化方案。

通過優化分析獲得的第2排假人頭頸部及胸部傷害曲線，如圖10 所示，由圖10b 可以看出：隨著安全帶限力等級的降低，第2排假人胸部壓縮量有明顯改善；當安全帶限力值由5 000 N 降低至2 000 N 時，第2排假人胸部壓縮量由33.5 mm 減小至22.8 mm。同時，假人頭部合成加速度以及頸部剪切力和拉伸力均有所減小。結合仿真分析錄像分析，如圖11 所示，當安全帶限力值降低至2 500 N 和2 000 N 時，假人頭部與前排座椅靠背相撞擊，使得假人頭部合成加速度分別在98 ms 和90 ms 出現尖峰，導致假人頭部HIC 值超標。因此，針對小空間車型，在無法避免頭部與前排座椅相接觸的情況下，不建議使用較小限力等級的安全帶。

3 結論

1）通過對比分析不同影響因素對第2排乘員保護性能的影響，確定安全帶限力等級、車體碰撞波形以及第2排座椅座墊的布置角度為關鍵影響因素；

2）安全帶限力等級過低，使得第2排假人頭部與前排座椅相撞擊，產生二次傷害，導致第2排假人頭部與頸部傷害超標；

3）在保證頭頸部傷害不超標的情況下，安全帶限力值為3 000 N 時，第2排假人胸部壓縮量最低，其他部位的傷害基本能夠滿足要求。