正面碰撞中假人膝蓋滑移量的傷害機理

張耀輝 鞠春賢 岳國輝 陳現嶺 張凱

（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）

在碰撞事故中，乘員的膝蓋極易受到傷害，嚴重時可引起膝蓋韌帶斷裂[1]，并極有可能導致乘員下肢癱瘓。為了保護乘員膝蓋免受傷害，在法規和NCAP 測試中，設定了評估膝蓋傷害程度的指標，正面碰撞試驗中，以假人膝蓋滑移量來評判膝蓋受傷害的程度。如在C-NCAP 和E-NCAP 中，在50 km/h 正面碰撞，64 km/h偏置碰撞試驗中進行評價，膝蓋滑移量高性能限值為6 mm，低性能限值為15 mm，大腿得分分別為2 分和4 分，而膝蓋滑移量是影響大腿得分的最重要因素，另外，在E-NCAP 中大腿失分會導致主觀評價項罰分，嚴重影響正面碰撞得分。所以研究膝蓋滑移量的傷害機理具有重要意義。

1 膝蓋結構解析

正面碰撞中前排使用Hybrid III 50th男性假人。假人膝蓋結構和傳感器布置，如圖1～圖4 所示。從圖1 和圖2 可以看出，假人小腿和大腿通過螺栓連接，并且能夠實現轉動和相對滑動；膝蓋滑移量，即小腿和大腿相對滑動的位移，由圖2（紅色線框內）中的傳感器輸出。

如圖4 所示，部件1 連接小腿，部件2 連接大腿，膝蓋滑移量傳感器固定在部件1 下方，并通過拉線和部件3 連接。當小腿和大腿產生相對滑動時，部件1 沿部件2 的滑軌滑動，并帶動傳感器運動，由于部件3 固定不動，所以拉線從傳感器中拉出，拉線的拉出量表征滑移量的傷害值。其中小腿脛骨向后，大腿向前，傳感器輸出負值。輸出數值的絕對值越大，膝蓋滑移量的傷害值越大。

2 膝蓋滑移量傷害機理

2.1 仿真分析模型

圖5 和圖6 分別示出腿部與乘員側Madymo 模型，模型中用一個轉動滑移鉸模擬小腿與大腿之間的轉動和滑動，并用Facet 面模擬儀表板。

2.2 仿真分析

經過對前期試驗數據進行分析，影響膝蓋滑移量的因素主要為儀表板造型、擱腳墊角度及地毯高度[2]，利用仿真工具對這3 個影響因素進行分析。

2.2.1 儀表板造型對膝蓋滑移量的影響

分別采用3 種儀表板造型進行分析，如圖7～圖9所示。圖7 中，經過分析可知，碰撞過程中小腿中下部先接觸儀表板，膝蓋沒有和儀表板發生接觸；圖8 中，膝蓋和小腿同時接觸；圖9 中，碰撞過程中膝蓋先接觸儀表板。

儀表板造型改進前后膝蓋滑移量對比曲線，如圖10 所示，分析結論如下：

1）改進前，小腿中下部先和儀表板接觸，并且接觸時刻較早，膝蓋滑移量達到峰值的時刻也較早，膝蓋滑移量最大值為8 mm；

2）經過2 次儀表板造型的改進，腿部和儀表板接觸時刻明顯推遲，假人膝蓋滑移量峰值出現時刻推遲，峰值明顯減小；

3）儀表板造型影響假人腿部接觸形式[3]，其中小腿先接觸，膝蓋不接觸儀表板的情況對膝蓋滑移量明顯不利，所以設計儀表板造型時，應在碰撞過程中盡量使膝蓋最先接觸儀表板。

2.2.2 擱腳墊的角度對膝蓋滑移量的影響

通過調整擱腳墊的角度來改變膝蓋滑移量，擱腳墊角度分別采用30，40，45°，圖11 示出擱腳墊角度對左膝蓋滑移量的影響曲線。

從圖11 可以看出，適當增大擱腳墊的角度，能有效減小小腿向前運動量，且膝蓋滑移量有減小的趨勢。但擱腳墊角度過大，既影響乘員的舒適度，又可能對腿部的傷害帶來反作用。

2.2.3 地毯高度對膝蓋滑移量的影響

從降低地毯高度和去除擱腳墊泡沫2 個方面，分析地毯降低對膝蓋滑移量的影響。將地毯降低20 和35 mm 進行測試，圖12 和圖13 分別示出降低地毯高度和去除擱腳墊對膝蓋滑移量的影響曲線。

從圖12 可以看出，地毯降低后，膝蓋滑移量有所減小，這是由于膝蓋高度降低了，小腿與儀表板的接觸位置更靠近膝蓋，腿部和儀表板的接觸時刻推遲造成的。從圖13 可以看出，去除擱腳墊后，膝蓋滑移量明顯減小。這是由于腳的擺放位置靠前，且高度降低了，導致膝蓋高度降低，小腿角度減小造成的。

仿真分析結果表明，調整儀表板的造型[4]、增大擱腳墊的角度以及降低地毯的高度都能有效降低膝蓋滑移量，但影響膝蓋滑移量的根本因素是腿部和儀表板的接觸方式，因此通過改進接觸方式即可改變膝蓋的受力點，有效降低膝蓋滑移量。

綜上，調整儀表板造型是降低膝蓋滑移量的最有效手段，所以為避免后期整改的風險，在內飾造型階段，需要對儀表板造型進行控制。

3 實例分析

3.1 問題描述

某車型在64 km/h 偏置碰撞過程中，乘員左腿膝蓋滑移量偏大。圖14 示出某車型碰撞試驗副駕左腿照片，從圖14 可以看出，碰撞過程中膝蓋沒有和儀表板接觸。圖15 示出乘員左腿接觸信號，從圖15 中可以看出，小腿上部最先接觸儀表板，其次是小腿中部和小腿下部，膝蓋沒有接觸信號。圖16 示出乘員左腿膝蓋滑移量，從圖16 可以看出，膝蓋滑移量達到12.75 mm，嚴重影響大腿的得分。

由以上試驗數據分析可知，正面碰撞過程中，只有小腿接觸儀表板的接觸方式最不利于膝蓋滑移量，嚴重影響大腿得分。

3.2 解決方案

通過以上分析，改變膝蓋和腿部的接觸方式[5]，從而改變膝蓋的受力點是解決問題的關鍵，另外也可以對儀表板進行弱化處理，初步確定以下解決方案，并進行仿真分析和實車驗證。

1）改進儀表板造型；2）降低腿的高度；3）減小腿向前的運動量，優化擱腳墊泡沫結構；4）降低儀表板剛度。

3.3 仿真分析

由于該車型處于量產階段，改進儀表板造型的方案不具備可行性，所以對方案2～4 進行仿真分析，驗證方案的有效性。

初始狀態膝蓋滑移量仿真結果為12 mm，與實車試驗數據較為接近。方案2～4 的膝蓋滑移量仿真結果分別為3.4，3.9，4.2 mm。選用方案2 和3 進行實車驗證。

3.4 實車驗證

采用64 km/h 偏置試驗，對方案2 和方案3 進行實車驗證。乘員左膝蓋滑移量，如圖17 所示。表1 示出假人定位和腿部得分。從表1 可以看出，方案2 和方案3，膝蓋到地毯的距離逐漸降低，膝蓋能比較早地接觸儀表板，膝蓋滑移量都明顯降低，并且方案都容易實現。

表1 假人定位和腿部得分

經過仿真分析和實車驗證，解決了該車型膝蓋滑移量偏大的問題。為后期車型開發積累了寶貴的經驗。

4 結論

膝蓋滑移量是由假人小腿和大腿相對滑動引起，儀表板造型是影響膝蓋滑移量的重要因素，改進儀表板造型，使膝蓋作為腿部和儀表板的第1 接觸點，是降低膝蓋滑移量的有效方案。所以對于前期開發車型，為避免后期整改的風險，需要在內飾設計階段，對儀表板造型和地毯造型進行校核與控制，徹底避免由膝蓋滑移量偏大引起大腿得分降低的現象。

另外地毯的高度及擱腳墊的角度等同樣對膝蓋滑移量產生影響。降低地毯高度，能有效降低膝蓋和儀表板的接觸位置，提前接觸時刻，有效降低膝蓋滑移量；適當增大擱腳墊的角度，能有效阻止小腿向前運動，提前膝蓋和儀表板的接觸時刻，也能在一定程度上降低膝蓋滑移量。所以對于量產車型，儀表板造型調整的難度較大，可以通過調整地毯高度及擱腳墊的角度等方案，有效降低膝蓋滑移量。