某轎車膝部氣囊保護區域的定義及其氣袋設計

周厚林

（延鋒百利得（上海）汽車安全系統有限公司，上海 201315）

某轎車膝部氣囊保護區域的定義及其氣袋設計

周厚林

（延鋒百利得（上海）汽車安全系統有限公司，上海 201315）

分析解讀了EuroNCAP和CNCAP試驗規范對膝部保護區域定義的影響，探索建立了在3D數模中模擬定義膝部保護區域的方法，研究了保護區域對氣袋形狀和尺寸設計的影響。

汽車；膝部氣囊；保護區域；氣袋設計

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-83-03

前言

汽車膝部氣囊氣袋設計的基礎性輸入是其目標膝部保護區域。而不同車型因其市場國別、整車性能目標、車身環境參數等不同，其對膝部保護區域的要求也不同。本文基于N車型項目的開發過程，分析解讀了歐洲和中國相關測試規范，確定了保護區域的設立準則；探索建立了膝部氣囊保護區域的模擬定義方法，并加以實踐驗證；研究了膝部保護區域對氣袋形狀和尺寸設計的影響，并給出了設計建議。

1 測試規范對膝部保護區域定義的影響

因為EuroNCAP和CNCAP規范的要求均高于相應的強制性法規，所以本文主要分析解讀這兩份試驗規范。在EuroNCAP規范中，與膝部保護相關的內容有碰撞試驗和罰分項檢查等兩項，而CNCAP規范中只有碰撞試驗這一項。

1.1 碰撞試驗要求對比

EuroNCAP和CNCAP對于正面碰撞試驗中乘員下肢傷害指標的規定一致，差別僅在于試驗方法，具體要求對比如表1[1-2]。

表1 EuroNCAP與CNCAP碰撞試驗乘員下肢保護要求對比表

1.2 罰分檢查要求對比

CNCAP規范中沒有罰分檢查項的要求。EuroNCAP規范對于膝蓋、大腿和骨盆部位的得分有兩項罰分規定，具體是

[1-2]：

1）不一致接觸：

乘員的身材不同，乘坐位置不同，因此碰撞中乘員膝部與儀表板的接觸位置也不同，有時乘員的膝部還有可能侵入儀表板中。因此，潛在膝部接觸區域應定義得更大一些。在此區域內，若接觸點在其它位置，風險會更大，將被罰分。

在豎直方向上，潛在膝部接觸區域應該以膝部接觸點的最高點為基準，向上和向下各延伸50mm。如圖1a所示，紅色區域即為實驗中假人膝部與儀表板接觸后在儀表板上留下的顏料印跡。以該印跡區域的最高點為基準豎直向上和向下各延伸50mm，即為需評估的潛在膝部接觸區域。

在整個潛在膝部接觸區域內，需要被考核的深度是試驗測得的最大膝部侵入深度再加20mm。每個膝蓋對應的深度單獨定義。如圖1b所示，靠右側的豎直虛線是試驗測得的動態最大膝部侵入深度，以此為基準再加20mm即為需考核的深度范圍，即靠左側的豎直實線。

圖1 豎直方向和深度方向潛在膝部接觸區域示意圖

在上述潛在膝部接觸區域和深度范圍內，如果大腿力超過3.8kN和/或膝蓋位移超過6mm，則相應的腿罰1分。

2）集中受力：

在膝蓋碰撞區域內，如果存在某種結構可能導致膝蓋的局部受力集中，則相應的腿罰1分。

如果汽車制造商能夠提供可信的試驗數據證明“不一致接觸”和/或“集中受力”情況不存在，則可以不罰分[3]。

從以上分析可以看出，對于以EuroNCAP獲高分為目標的車型，在水平方向上，其膝部氣囊保護區域需向外延伸至儀表板邊緣，向內延伸至中控臺凸起的側壁，即圖2中兩條豎直藍色實線之間的區域（L1）；在垂直方向，膝部保護區域需以膝部接觸點即圖2中紅色圓點的上邊緣為基準，向上和向下各延伸50mm。圖2中左側兩條水平藍色實線之間的區域為駕駛員左膝的垂直方向保護區域，右側兩條水平藍色實線之間的區域為駕駛員右膝的垂直方向保護區域。

圖2 膝部氣囊保護區域示意圖

綜上所述，如需在EuroNCAP測試中獲得高分，其膝部氣囊保護區域應較大，而對于目標是CNCAP測試的車型，其膝部保護區域可以相對小一些。

2 膝部氣囊保護區域的劃定方法

作者在V車型項目的研究初期階段采用了以下模擬方法來確定初始膝部接觸點，并在開發后期用實際試驗獲得的膝部接觸點來修正。

首先，在3D數模中，按CNCAP中正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗的假人擺放要求，將座椅數模調整至前、后方向的中間位置，高度調至最低；將Hybrid Ⅲ 50%分位假人數模安放在駕駛員側的座椅上，并保證假人H點處于設計位置；將駕駛員假人左腳放在擱腳板上，右腳放在加速踏板上，雙腿前伸并保持與車身X軸平行[4]。

然后，保持假人腳部不動，以腳踝為軸旋轉假人小腿，使假人膝部與儀表板相接觸，如圖3所示。這樣可以在假人左、右膝蓋處各得到一個接觸點，即為駕駛員的初始膝部碰撞接觸點。以此為基準，參考第2節所述方法即可劃定初始膝部保護區域。

圖3 駕駛員膝部碰撞接觸點模擬確定方法示意圖

在N車型項目中，以模擬方法確定的膝部碰撞接觸點，左膝點Z向坐標值514，右膝點Z向坐標值486。該車型以滿足EuroNCAP為目標，參考第2節所述方法，以左、右膝的碰撞接觸點為基準向上和向下各延伸50mm，即分別得到該車型左膝和右膝的Z向初始保護區域。在水平方向上，該車型的膝部保護區域向車門側延伸覆蓋整個儀表板范圍，向車內側延伸到中控臺凸起的側面，測得保護區域水平方向尺寸為610mm。

在該車型項目開發后期，用工程樣件進行臺車碰撞試驗。試驗后用激光儀和標尺測量假人膝部顏料轉印在儀表板上的印跡區域的最高點，獲得其左膝點Z向坐標值為527，右膝點Z坐標值508。根據試驗獲得的膝部接觸點對膝部保護區域進行修訂，即為正式的膝部保護區域。

N車型試驗獲得的膝部接觸點與模擬方法獲得的膝部接觸點差異不大，證明模擬方法可用于項目初期估算膝部接觸點，從而指導初始版氣袋的設計。

3 膝部保護區域對氣袋形狀和尺寸設計的影響分析

從膝部氣囊保護功能的角度，氣袋真正需要充滿氣體且有效覆蓋的是對應于目標保護區域的部分，其它部分為輔助部分。有效部分需大一些，以充分覆蓋保護區域，而輔助部分應盡可能小，以降低所需的氣體量。而以行業內現有技術，膝部氣囊一般安裝在儀表板內偏下的部位，氣袋充氣時均是從下向上展開的。因此，膝部氣囊的氣袋一般采用上寬下窄的近似倒梯形設計。氣袋的上部對應膝部保護區域，即為有效部分，其具有足夠的寬度和高度，以使氣袋的左右邊緣覆蓋膝部保護區域的左右邊緣，同時使氣袋的頂端覆蓋膝部保護區域的上邊緣。而氣袋的下部邊緣與膝部氣囊殼體寬度相當，氣袋下部左右兩側漸變縮小，只輔助維持氣袋的充滿形態，如圖4所示。

圖4 膝部氣囊氣袋倒梯形形狀示意圖

綜上所述，在膝部氣囊的保護區域劃定后，氣袋的上邊緣、左邊緣和右邊緣均已相應確定，再根據本車型氣體發生器的安裝位置確定氣袋下邊緣，則氣袋的主體形狀和尺寸即已確定。

4 結束語

鑒于EuroNCAP和CNCAP試驗規范對于膝部保護要求的差異，整車制造商需根據車型的被動安全系統性能目標來定義膝部氣囊的保護區域目標。在此之后，可采用實物樣件試驗方法或在3D數模中模擬的方法確定膝部接觸點，并以此為基準劃定膝部保護區域。最后，根據膝部保護區域必須被有效覆蓋，而其它區域可以不被覆蓋的原則來設計膝部氣囊氣袋的主體形狀和尺寸。

[1] 中國汽車技術研究中心.C-NCAP.C-NCAP 管理規則(2012 年版).中國∶中國汽車技術研究中心,2012.7.

[2] EuroNCAP-ASSESSMENT PROTOCOL-ADULT OCCUPANT PR -OTECTION-Version -6.0-July-2013-www.euroncap.com.

[3] EuroNCAP-FRONTAL IMPACT TESTING PROTOCOL-Version -6.0.2-October-2013-www.euroncap.com.

[4] 唐洪斌,楊海慶,馬志良,等.乘員膝部碰撞臺車試驗與車身結構設計[J]. 汽車技術, 2012(5).

The knee protection area definition and cushion design of Vehicle N

Zhou Houlin
（Yanfeng KSS (Shanghai) Automotive Safety System Co., Ltd., Shanghai 201315）

The influence of test specification on protection area definition is analyzed. The simulation method of protection area definition is introduced. The effect of the protection area on the cushion design is studied.

Vehicle; Knee airbag; Protection area; Cushion design

U463.8

A

1671-7988 (2017)13-83-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.026

周厚林，就職于延鋒百利得（上海）汽車安全系統有限公司。