某車型偏置碰撞后排女性假人下潛的判定及改善研究

向保才 黃強 郭剛 甘玲 王恒

摘? 要：本文依據C-NCAP評價規則，判定某新開發車型在40%偏置正面碰撞中后排女性假人發生下潛，針對下潛問題，結合試驗現象和類似問題的經驗總結，總結出本次下潛的關鍵影響因素，提出快速的改善方案，并經試驗驗證有效。本次防下潛研究為下潛問題提供了改善思路，同時也為后續新車型開發提供了設計參考。

關鍵詞：C-NCAP;下潛;安全帶

中圖分類號：U467.1+4? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2018）06-0035-07

A Research on the Judgment and Improvement of

Submarining of Rear Female Dummy

XIANG Bao-cai， HUANG Qiang， GUO Gang， GAN Ling， WANG Heng

（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， wuhan 430056， China ）

Abstract： Based on the C-NCAP evaluation rule， this paper judges that the Rear female dummy in the front collision of a new development model have the Submarining problem.For this Submarining problem， Combining the experimental phenomenas and the similar problems. Summarizing the key influencing factors， putting forward the rapid improvement plan， and the effect ofimproved test is obvious. The dodge research for the dive problem provides improved ideas， but also for the follow-up to provide a new model design reference.

在模擬現實中汽車碰撞的碰撞試驗中，下潛專指座椅上的假人在隨車進行減速度前向運動的過程中，假人臀部發生明顯的下沉，作用在骨盆位置處的合力（包括座椅、安全帶等作用）不均衡，此時安全帶的腰帶會從作用于臀部較為堅硬的髂骨部位滑脫，直接作用于柔軟的腹部，造成腹部軟組織受傷，更嚴重時安全帶的肩帶也會脫離假人的肩部和胸部，直接作用于頸部，造成假人頭頸部的二次傷害。2015版的C-NCAP規則開始對64Km/h的40%偏置正面碰撞和50Km/h的完全正面碰撞的考察中，量化了后排5%分位女性假人下潛的判定細則，加大了C-NCAP五星車型的獲取難度，直至2017年下半年，部分C-NCAP評價車型依然存在下潛的問題。

某車型在開發前期進行64Km/h的40%偏置正面碰撞摸底實驗中，依據下潛的判定細則判定后排女性假人發生下潛并扣1分，使得初定的五星安全目標的達成存在風險。通過對下潛關鍵影響因素的分析，并實施相應的改善措施，能夠防止下潛的發生，從而規避了下潛扣分的風險。本文據此對其展開分析，為方便稱呼此車型為H車型。

1? ? 下潛判定

《C-NCAP管理規則（2015年版）》中開始明確第二排女性假人的下潛通過髂骨受力情況進行判斷：在假人骨盆向前，髂骨受力減小階段，在持續1ms的時間范圍內，若髂骨力減小速率大于1000N/ms，判斷發生了下潛;在骨盆回彈階段，若減小速率大于1000N/ms，但此時髂骨力小于2400N的情況除外。另外，髂骨受力不穩定時，以完全卸載階段的信號進行判斷，作為參考，可以通過車載攝像機的視頻圖像及安全帶腰帶力曲線進行輔助確認[1]。結合《C-NCAP管理規則（2015年版）中關于后排假人下潛判定方法》，得出下圖1所示的下潛判定流程圖[2]。

圖2為本次試驗的后排女性假人的左、右髂骨力曲線，由步驟一、二可得出圖3所示的假人左、右髂骨的髂骨力卸載速率V。為方便描述，圖中超過1000N/ms的波峰分別標記為波峰a、波峰b、波峰c。可得出相應的ΔTa=0.7ms、ΔTb=1.4ms、ΔTc=1.7ms、ta1=75.4ms、tb1=90.4ms、tc1=75.6ms。

圖4、圖5分別為本次試驗假人骨盆和車身B柱的減速度、速度曲線，由圖5可得出圖t2=114ms。

由以上分析匯總得出下表1所示的信息，無需再進行第四步即可判斷假人下潛的情況，據此可判定本次試驗的后排女性假人左、右兩側均發生下潛，即總分中扣除1分。

2? ? 下潛的原因分析

影響下潛的因素眾多，涉及到整車、座椅、安全帶、帶扣等的結構設計，安全帶的預緊、限力和鎖舌的動態鎖止等功能，同時也涵蓋被動約束系統的匹配設計。本文主要從以下幾個最有可能導致本次下潛發生的重要因素進行展開分析。

2.1? ?防下潛梁強度

摸底實驗后通過拆解車輛結構件發現，后排座椅的防下潛梁疑似因為強度不足發生較大地壓塌變形。如下圖6 所示的側視圖，此車的防下潛梁基本由3塊厚度較厚的面板組成梯形結構，梯形內部局部增加支撐斜板。在假人隨車向前做減速度水平運動時，因坐墊一般會做得比較柔軟舒適，假人還會有略微的豎直向下的運動趨勢，此時防下潛梁的梯形斜面可以起到較好的支撐坐墊并阻礙假人向下運動的作用，從而取得防止假人下潛的作用。如圖7所示為碰撞完成后的梯形板梁結構，可明顯看出整個梯形支撐面因強度不足已經被壓塌變形，在碰撞中無法有效阻礙假人向下的運動趨勢，從而導致防下潛的作用大打折扣。依據上述分析可以得出防下潛梁的強度不足是發生下潛的原因之一。

2.2? ?防下潛梁位置

關于防下潛梁的位置，行業內基于大量的理論、CAE、實踐基本形成了一個較為被廣泛認同的防下潛硬點設計區域趨勢圖[3]，如下圖8所示。根據假人到H點的X向、Z向距離的遠近依次分為綠色、橙色、黃色區域，綠色區域為最佳的硬點設

計區域，橙色為次佳區域，黃色為可接受區域。同樣的防下潛結構分別布置在綠色、橙色、黃色三種區域內，相應的防下潛效果會依次遞減。但在車型開發時往往因為需要將座椅設計得更加舒適性，從而導致包括防下潛梁在內的各種剛性骨架離人體更加遠，防下潛梁硬點的設計位置往往會處于橙色、黃色或者更遠更差的位置。從圖6中可看出此車的防下潛梁的硬點處于黃色的可接受區域的邊界上，基本快要脫離可接受的范圍。由此可得出此車的防下潛梁在設計之初做了很大的讓步犧牲，防下潛梁的位置設計在一個較差的區域，防下潛梁無法起到更好的防下潛效果。依據上述分析可以得出防下潛梁的設計位置不佳是發生下潛的原因之一。

2.3? ?安全帶下固定點的水平設計角度

在分析水平設計角度前，我們先分析下安全帶走向對下潛產生影響的原理。如圖9所示的正面碰撞時后排使用的混III 5%分位女性假人的側視圖[4]，其中P為髂骨處的皮膚高度，可近似理解為假人腹部下端到大腿的距離。q表示髂骨傳感器的高度。如圖10所示髂骨處的安全帶佩戴示意圖，L表示腰帶中心點至大腿上方的距離，即腰帶的佩戴高度。當L>P時，表明腰帶已經基本脫離骨盆，直接作用于腹部軟組織，兩者的差值越大，下潛的越明顯。當L

如下圖11所示的安全帶腰帶走向示意圖，在車輛同一地板水平面上分別選取不同的下固定點A、B、C，分別模擬出安全帶的織帶走向，每種走向分別對應一個水平設計角度θ，θ即為織帶走向與水平線的夾角。同時每種狀態的織帶對假人的約束力分別為FA、FB、FC。從圖中可以看出，隨著下固定點的后移，θ在逐漸減小，此時約束力的走向也發生著變化，其中FA對髂骨質心的力矩為逆時針方向的力矩，FB對髂骨質心沒有產生旋轉的力矩，FC對髂骨質心的力矩為順時針方向的力矩。從FA往FC過渡會逐漸加大假人下潛的傾向。因此我們得出：安全帶下固定點的水平角度越小，越易加劇假人下潛的傾向。

如下圖12所示的此車的安全帶下固定點水平設計角度示意圖，θ1為帶扣側的腰帶走向示意圖，θ2為非帶扣側的腰帶走向示意圖，其中θ1為34.3°，θ2為51.9°，滿足法規GB14167-2013中對于安全帶下固定點的30°-80°的角度范圍要求。但θ1的角度明顯偏小而接近法規的下限值。如圖13 所示的安全帶下固定點圖，從圖A中可看出此車的后地板呈現出后高前低的溜坡造型，紅色鈑金處于較高位置，黃色面為溜坡面，橙色面處于較低位置。出于某種考慮帶扣需要從座椅靠背和坐墊的縫隙中伸出來，帶扣的下固定點設計得比較偏后。綜合結果就是帶扣下固定點設計得偏后且偏上，兩種原因都將導致θ1設計得更小。

另外為了使帶扣的安裝和使用更加方便，座椅靠背上專門設計了圖B中所示的彈性拉帶。同時坐墊因為美觀的考慮，在帶扣的織帶出口處沒有設計導向凹槽，如圖A中的紅色圓圈處無導向凹槽。兩種方案同時實施導致帶扣的實際走向呈現出了圖12中所示的走向，即織帶方向并非沿著設想的黃實線，而是沿著圖中的藍虛色，使織帶的約束力走向對髂骨質心的力矩為順時針方向的傾向更加明顯，從而加劇了假人的下潛傾向。

2.4? ?坐墊的發泡硬度、設計角度和表皮摩擦力

將假人簡化成如圖14所示的模型，假人分解成以臀部中心為鉸鏈中心的幾何體，紫色為上軀干，紅色為下軀干，對其進行運動學分析。其中狀態A為靜態乘坐姿態，上、下軀干都緊貼靠背和坐墊。狀態B為下潛姿態，此時鉸鏈中心處于較前較下的位置，下軀干前向位移量較大，上軀干接近直立且前撲現象不明顯。狀態C為非下潛姿態，此時假人向下運動不是很明顯，上軀干向前傾斜且前撲現象明顯。

在假人隨車進行前向減速度運動時，上軀干僅受安全帶的肩帶的約束，下軀干同時受安全帶的腰帶和座椅發泡、防下潛梁等的約束，上、下軀干的前向減速運動會不同步。上、下軀干最開始前向位移量會保持一致，隨著鉸鏈中心處的骨盆受到的約束力越來越強，下軀干會隨著骨盆一起運動至最前端而停止向前運動，上軀干會一直向前運動直至上織帶的受力達到設定的力值。通常情況下上軀干較下軀干前向位移量會更多，形成比較明顯的上軀干的前撲現象，即狀態C的姿態。但當坐墊發泡硬度較軟時，發泡無法阻擋鉸鏈中心處的骨盆因人體重力而產生的向下運動，此時假人坐姿偏低，髂骨質心也會偏低，腰帶約束力相對假人偏上，腰帶約束力對髂骨質心的力矩為順時針方向的傾向更加明顯，同時因腰帶約束力相對假人偏上，假人上軀干有受到腰帶約束力的趨勢，上軀干的前向位移也會相應減小，從而易于形成狀態B的姿態。找到假人在骨盆開始回彈時刻t2=114ms時的圖片如圖15所示，可明顯看出假人上軀干被安全帶緊緊地勒住，上軀干沒有比下軀干多出明顯的位移，上軀干的姿態十分接近圖14中狀態B的姿態，且幾乎沒有前撲的趨勢。

關于坐墊的設計角度，如下圖16所示，記L點為假人大腿及以上部位的最低點，以L點為起點做一條水平線A，F阻礙力為水平線A以上的發泡對假人前向運動的阻礙約束力。當坐墊傾角α=0°時，坐墊表面為水平面，理想狀態下水平線A以上沒有發泡，即假人的向前運動不受坐墊的阻礙約束，實際上因假人自重對坐墊會產生較小的壓塌變形，從而坐墊表皮會對假人產生向后的摩擦阻力，此時F阻礙力≌F摩擦力。當α>0°時，水平線A以上會存在發泡，這部分發泡在假人向前的運動過程中，會被壓縮而產生巨大的變形，從而對假人產生向后的彈性阻力，此時F阻礙力=F摩擦力+F彈性阻力，且通常情況下F彈性阻力遠大于=F摩擦力。α越大，水平線A以上的發泡越多，F彈性阻力也就越大，而從F阻礙力越大，最終導致假人下軀干向前的水平位移越小，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢越小。

關于坐墊表皮摩擦力，隨著表皮材質的不同，摩擦力也會不一樣，摩擦力越大，假人受到的阻礙力越大，前向位移越小，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢越小。

2.5? ?其它影響因素

除以上分析的重要影響因素，其它很多因素都會對是否下潛產生影響，但都并非導致本次下潛的關鍵因素，如安全帶預緊功能的有無，提前預緊能夠消除安全帶和假人之間的間隙，降低假人下軀干向前的位移量，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢越小;如帶扣的鎖盒高度，當鎖盒高到緊貼假人臀部及以上部位時，因鎖盒為剛性件，對假人臀部的包覆性沒有織帶強，從而達不到最佳的約束效果，而不利于阻礙假人下軀干的前向位移。等等這些都會對假人下潛產生影響，本次不再深入展開。

3? ? 防下潛的對策

如下表2所示，基于以上對于影響本次下潛的重要影響因素的分析，總結出本次碰撞四大結構件帶來的9個方面的影響。結合試驗現象和相關論文中有關問題的分析總結，得出本次下潛的重要影響因素，因車身鈑金數據已固化，無法做較大更改，本次僅實施四項較易達成的改善措施：

措施一：增加防下潛梁的強度，在防下潛梁的腔體內部增加兩塊梯形加強板。

措施二：坐墊發泡開凹槽，如圖18所示坐墊開槽后，通過數模模擬可看出帶扣織帶的走向基本沿著設計的方向

措施三：取消帶扣的彈性拉帶，如圖18所示拉帶取消后，通過數模模擬可看出帶扣織帶的走向基本沿著設計的方向

措施四：帶扣長度剪短20mm，因坐墊發泡、拉帶的改善，使帶扣走向沿著設計的方向，但鎖盒會比原來實際佩戴的高度較高，高度較高不利于腰帶對于假人的包覆和約束力，故織帶長度剪短。

4? ? 改善效果

表2 后排女性假人防下潛對策表

將改善的方案搭載實車進行64Km/h的40%偏置正面碰撞，按照圖1所示的下潛判定流程圖，進行第一步后可得出如圖19、圖20的后排假人的髂骨力、髂骨力卸載速率曲線，從圖20可以看出Vmax遠遠小于1000N/ms，從而判定假人未下潛，從實驗結果可看出改善方案效果明顯。

5? ? 總結

隨著C-NCAP評價規則的深入發展，后排乘客的安全防護性能越來越受到重視。本文針對某五星目標車型開發初期后排假人的下潛問題，結合具體實驗現象和行業內類似問題的經驗總結，找出下潛的關鍵影響因素，為車型開發提供了快速有效的改善優化方案。同時本次案例也為后續新項目提供了參考，在新車型開發時，后排與防下潛相關的防下潛梁、座椅、安全帶等的結構設計需規范要求，不能一味地追求舒適性、美觀性而忽略安全性。

參考文獻：

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