某電動車側面碰撞乘員頭部保護的優化設計

黃強，王星磊，郭剛，王恒，丁玲

（東風汽車公司技術中心，武漢，430058）

某電動車側面碰撞乘員頭部保護的優化設計

黃強，王星磊，郭剛，王恒，丁玲

（東風汽車公司技術中心，武漢，430058）

目前中國的乘員碰撞安全法規主要有GB11551《乘用車正面碰撞的乘員保護》和GB20071《汽車側面碰撞的乘員保護》。某純電動汽車開發初期按中國法規GB20071進行側面碰撞摸底試驗，發現假人頭部保護不滿足法規。通過分析假人頭部傷害機理，找出造成頭部傷害的因素主要是側碰過程中頭部撞擊到頂棚，同時撞擊能量大，且能量均由頭部傳遞或吸收。針對上述原因，結合車型開發的實際情況，通過增加頭胸保護的側氣囊、增加頂棚緩沖塊，最終經過實車試驗驗證頭部傷害滿足法規要求。同時，對后續開發的車型提供了寶貴的經驗。

側面碰撞；頭部保護；側氣囊

黃強

畢業于華南理工大學，現任東風汽車公司技術中心被動安全約束系統設計工程師，主要研究方向：碰撞安全的乘員保護，已發表《側氣簾展開對

近年來，隨著我國機動車保有量的不斷攀升，道路交通事故頻發，其中側面碰撞事故在全年道路交通事故中所占的比例居高不下，根據2010年全國道路交通統計年報顯示，全年事故總數219521起，側面碰撞81862起，所占比例為37.29%［1］。當車輛發生側面碰撞時，車門、B柱、門檻粱等側圍構件受到其他車輛或障礙物撞擊后向車輛內部侵入，由于乘員側面碰撞的生存空間遠比正面碰撞小，構件侵入后門護板、B柱護板一般會直接和人體接觸，從而給乘員頭部、胸部、腹部和骨盆帶來傷害。

某小型純電動汽車開發初期按中國法規GB20071進行側面碰撞摸底試驗，發現假人頭部保護不滿足法規。通過分析假人頭部傷害機理，找出造成頭部傷害的因素主要是側碰過程中頭部撞擊到頂棚，同時撞擊能量大，且由于未配備側氣囊及頂棚內部截面小導致撞擊能量大部分由頭部傳遞或吸收。針對上述原因，結合車型開發的實際情況，通過增加頭胸保護的側氣囊、增加頂棚緩沖塊，最終經過實車試驗驗證頭部傷害滿足法規要求。

一、GB20071要求及性能開發機理

1、GB20071要求

試驗用總質量為950kg的移動可變形壁障撞擊車輛左側，撞擊方向與車輛縱向中心線成90度，壁障中心對準駕駛員R點，碰撞瞬間的壁障速度為49km/h-51km/h，撞擊點左右、上下偏差在25mm內。在駕駛員位置放置一個EuroSID Ⅱ型假人，以考核假人傷害的情況。

法規要求包括駕駛員假人的性能指標和特殊要求。駕駛員性能指標中要求頭部性能指標HPC應小于或等于1000，胸部性能指標包括肋骨變形指標RDC應小于或等于42mm、粘性指標VC應小于或等于1.0m/s，腹部性能指標腹部力峰值APF應小于或等于2.5KN的內力，骨盆性能指標恥骨結合點力峰值PSPF應小于或等于6KN。特殊要求中要求試驗過程中車門不得開啟，試驗后不使用工具能打開足夠數量的車門使乘員正常進出，燃油系統的泄漏速率不得超過30g/min［2］。

2、側碰性能開發機理

側碰性能的好壞主要由車身結構性能、被動約束系統性能和假人空間決定。車身結構的性能指標包括B柱和車門的侵入速度、侵入量和變形模式，好的車身結構能夠降低可變形障礙壁碰撞車輛后B柱和車門侵入變形對人體的直接撞擊力度，降低乘員的傷害。被動約束系統的性能指標包括側氣囊和側氣簾的充滿時刻、內部壓力，還包括座椅的包裹性、車門護板結構的合理性，好的被動約束系統性能能夠緩沖B柱和車門的侵入變形對人體的撞擊，減輕“二次碰撞”對乘員帶來的傷害。假人空間的指標主要是指頭部空間、胸部空間，好的空間能避免或減輕乘員被侵入的內飾件擠壓傷害，給乘員提供足夠的生存空間［3］。

二、側碰摸底試驗結果及原因分析

某純電動車開發初期進行了法規側碰摸底試驗，該車無側氣囊和側氣簾，頭部傷害值HPC達到1600，超出法規要求60%，遠遠不滿足法規要求。詳細的假人傷害值見表1：

表1　某純電動車側碰摸底試驗假人傷害值

經分析試驗的高速錄像，頭部約在49ms撞擊到門框上沿的頂棚，隨后頭頸繞X軸發生嚴重扭轉，從圖1中的合成加速度曲線可以看出在頭部接觸頂棚后加速度瞬間上升，峰值達到248g，一般車型合成加速度峰值不會超過100g。合成加速度主要是頭部與內飾件發生撞擊產生，結合試驗錄像分析，可以判斷HPC超標是由于頭部撞擊到頂棚并且撞擊力度大所產生，包括三個要素：頭部撞擊到頂棚、撞擊能量大和撞擊能量大部分由頭部吸收，以下對三個要素進行分析。

1、頭部撞擊到頂棚

碰撞試驗過程中假人運動姿態見圖2，由于頭部與門框上沿高度差不合理，約49ms時頭部撞擊到左側頂棚，然后頭頸繞著X軸產生近30度的轉動。

頭部與頂棚相對尺寸示意見圖3，表2對比了某電動車與其他頭部傷害值HPC很小的車型，可以看出由于該車頭部與門框上沿的Z向重疊達到60mm，造成頭部撞擊的面積大，導致頭部重心位置采集到的加速度較大。

表2　頭部相對頂棚尺寸

2、撞擊能量大

3、無有效緩沖

該車無頭部氣囊或氣簾，且頭部撞擊處的頂棚與側圍鈑金的Y向尺寸很小（圖3的尺寸D），只有10mm，一般車型30mm以上，頂棚變形吸能的空間極為有限，頂棚發生很小變形后就撞擊到側圍鈑金，導致頭部與頂棚、側圍鈑金之間無有效緩沖，頭部撞擊到頂棚且頂棚完全變形后頭部Y向加速度瞬間增大，在頭部運動速度增大到側圍侵入速度相同之前，由于兩者速度差產生的沖擊能量均由頭部吸收。

表3　各車型頂棚內腔尺寸

三、側碰性能優化

1、避免頭部撞擊到頂棚

從3.1分析得出，由于頭部與門框上沿重疊量較大，導致乘員與車輛相對運動的過程中頭部撞擊到頂棚，所以為避免頭部撞擊到頂棚需減小頭部與門框上沿的重疊量。減小頭部與門框上沿的重疊量可以通過降低頭部位置和提高門框上沿位置實現。

門框上沿的位置由門洞尺寸決定，在初次樣車階段更改周期長、成本大且影響造型，故門框上沿位置維持現狀。頭部的高度位置由試驗H點高度及試驗假人的坐高尺寸決定。試驗H點高度由座椅前后行程處于中間時的高度決定，由總布置決定。降低H點高度將影響視野等法規和人機工程要求，同時座椅下方的地板高度受動力電池布置無法降低，且座椅坐墊厚度已是最小，繼續減小坐墊厚度將影響乘坐舒適性，故試驗H點高度維持現狀。從以上分析可以看出，無法通過降低頭部位置和提高門框上沿位置來避免頭部撞擊到頂棚。

摸底試驗時座椅H點高度方向在允許公差范圍的上限，為盡量減小頭部撞擊到頂棚的面積，要求座椅在后續生產時控制座椅H點的公差在設計值和下限之間。

2、減小撞擊能量

從3.2分析得出，頂棚的侵入速度和頭部到頂棚的水平空間較大，導致頭部撞擊到頂棚時頂棚的能量較大。頂棚的侵入速度由整個側圍結構和車型軸荷、軸距決定。如需降低側圍侵入速度，會是一個系統性的、需反復驗證的優化工作，時間和成本上都無法接受，故維持現狀。頭部到頂棚的水平空間已由總布置H點決定，故維持現狀。

3、增加有效緩沖

從3.3分析可以得出，由于頭部與頂棚之間缺乏有效緩沖，兩者速度差帶來的沖擊能量均由頭部吸收。增加有效緩沖的常見做法是增加簾式氣囊［4］，但該車型的頭部是撞擊到頂棚，而簾式氣囊是從頂棚下方打開，不能有效避免頭部撞擊到頂棚，一定程度上削弱了簾式氣囊的頭部保護效果，且初次樣車階段增加簾式氣囊會帶來側圍鈑金、側圍護板、頂棚和內拉手等一系列零件變更，且側氣簾成本高、開發周期長，綜上所述，簾式氣囊不適用于該車型。另外一種做法是增加頭胸式側氣囊［5］，一般車型的側氣囊是胸式、胸腹式或胸腹臀式。增加的側氣囊重點保護區域在頭部，要求氣囊在頭部撞擊到頂棚之前完成充氣并覆蓋頭部，見圖6：

側氣囊完成設計并通過靜態展開驗證，驗證氣囊能夠正常、及時展開且展開區域能夠覆蓋頭部，然后安排實車碰撞試驗進行驗證，增加側氣囊后假人所有傷害值都有所減小，其中頭部HPC由摸底試驗的1600減小到1100，有明顯的改善，但仍不滿足法規要求。從圖7可以看出，增加側氣囊后頭部合成加速度峰值由原來的248g降低到140g，但仍較高。

經分析試驗錄像，見圖7，可以看出實車碰撞試驗過程中氣囊已按要求在頭部撞擊到頂棚前完全充氣并覆蓋頭部，但由于氣囊為頭胸式，當假人的頭部與氣囊接觸時，假人的上臂對氣袋產生橫向擠壓，同時車門玻璃是否破碎無法保證，車門窗框外翻嚴重，導致氣袋橫向無支撐。因氣袋豎直方向沒有約束，導致頭部區域的氣袋在上臂的擠壓作用下向下移動，使氣袋不能完全覆蓋頭部，頭部上部區域與頂棚最終仍發生接觸。

氣袋未受到外力的作用下已能完全覆蓋頭部，且受上方頂棚的限制，氣袋高度方向已是極限，故無法通過增大氣袋尺寸以保證氣袋受橫向擠壓后仍能覆蓋頭部。根據增加有效緩沖的思路，在頭部接觸區域的頂棚內增加緩沖墊塊，結合布置空間，選擇密度為0.2g/cm3、厚度為10mm的再生PU緩沖墊塊。

增加頂棚緩沖墊塊后的頭部傷害值HPC由1100減小到400，滿足法規要求且有接近60%的安全余量。詳細試驗結果見表4：

表4　增加側氣囊和墊塊后側碰試驗假人傷害值

由圖8可以看出，增加墊塊后頭部合成加速度峰值由原來的140g降低到101g，說明墊塊起到了良好的緩沖作用。

四、結論及建議

通過分析某電動車側碰頭部傷害超標的原因，并采取合適的措施進行試驗驗證，最終解決了頭部傷害超標的問題。頭部傷害超標的原因是多方面的，包括頭部與門框上沿重疊量大、頂棚侵入速度高、頭部無有效的緩沖，設計階段需關注的是控制頭部與門框上沿的重疊量，通過優化側圍、車門結構控制頂棚的侵入速度。考慮車輛配置及成本，增加有效緩沖只能作為補救措施。

［1］2010年中華人民共和國道路交通事故統計年報［J］.公安部交通管理局，2011.

［2］GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》.

［3］鐘志華，張維剛等，汽車碰撞安全技術，機械工業出版社，2003.7.

［4］陳鐘洲，周大永等，側面安全氣簾的設計與開發，農業裝備與車輛工程，2011年第7期.

［5］馬麟，基于側面碰撞頭部保護氣囊的研究與發展概述，機械工業標準化與質量，2010.6.

專家推薦

陳濤：

本文針對某款電動車在側面碰撞試驗中暴露出的頭部傷害較大的問題，進行了原因分析和對策研究，并進行了試驗驗證。從試驗結果看，通過增加頭胸側氣囊和頂棚緩沖墊，改善了頭部加速度的峰值，頭部傷害指標HPC也有顯著降低。

A Motor Vehicle Designed to Optimize Side-impact Occupant Head Protection

HUANG Qiang，WANG Xing-lei，GUO Gang，WANG Heng，Ding Ling
（DongFeng Motor Corporation Technical Center，WuHan，430058，China）

China's current occupant crash safety regulations are mainly GB11551 "passenger frontal impact occupant protection" and GB20071 "car side impact occupant protection." Beginning of a pure electric vehicle development carried out by Chinese laws and regulations GB20071 side impact test thoroughly and found the dummy head protection does not meet regulations. By analyzing the dummy head injury mechanism to identify the main factors causing head injuries during a side impact head hit the ceiling， while the impact energy， and the energy delivered or absorbed by the head. For these reasons， combined with the actual situation of models developed by increasing head and chest side airbags to protect and increase the ceiling buffer block， and ultimately through the real vehicle test verification of head injuries to meet regulatory requirements. Meanwhile， on the subsequent development of models to provide a valuable experience.

side impact； head protection； side airbag

U467.1+4

A

1005-2550（2015）04-0007-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.002

2015-01-26