某車型正面碰撞乘員頸部保護性能提升

黃強 李三紅 李潤晗 李建功 馮杰

摘? 要：某車型在正碰開發(fā)試驗過程中，駕駛員頸部傷害值不滿足正面碰撞的乘員保護法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機理、假人運動情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，得出造成頸部傷害的因素主要是安全帶對假人軀干的約束效果差，正面氣囊剛度偏大。通過取消安全帶限力裝置，調整正面氣囊的剛度，最終實車試驗驗證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。

關鍵詞：正面碰撞;頸部;安全帶

中圖分類號：U467.1+4? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0040-05

前言

乘用車正面碰撞的乘員保護法規(guī)GB11551于2014年9月改版發(fā)布，2015年1月開始實施，新版法規(guī)主要增加了頭部3ms合成加速度、頸部NIC傷害指標、頸部伸張彎矩和胸部粘性指標等新要求[1]，更加完整地考核正碰中前排假人的傷害情況，對車輛的正碰乘員保護性能提出了更高的要求。

某車型開發(fā)初期按中國法規(guī)GB11551進行正面碰撞摸底試驗，發(fā)現(xiàn)駕駛員假人頸部傷害值不滿足法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機理、假人運動情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，找出造成頸部傷害值超標的原因主要是安全帶對假人軀干的約束性能差，導致軀干向前位移量較大，同時正面氣囊剛度偏大。針對上述原因，結合車型開發(fā)的實際情況，通過取消安全帶限力軸和降低正面氣囊的剛度，經(jīng)過實車試驗驗證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。

1? ? 問題描述

某車型為小型SUV車型，前排安全帶有預緊限力和限力共2種配置，正面氣囊僅根據(jù)預緊限力安全帶進行仿真優(yōu)化和滑臺試驗優(yōu)化。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗及受試驗資源限制，限力安全帶僅進行了仿真優(yōu)化，摸底試驗頸部伸張彎矩Myi達到60Nm，超過法規(guī)允許的最大值57Nm，不滿足法規(guī)要求。通過試驗采集并計算后的頸部伸張彎矩曲線見圖1，詳細的假人傷害值見表1：

2? ? 原因分析

2.1? ?頸部伸張彎矩傷害機理說明

按法規(guī)及假人傳感器方向文件說明[2]，頸部伸張彎矩考核取負向值，即考核頸部向后伸張產(chǎn)生的彎矩，頸部向后伸張由軀干相對頸部向前運動或頭部相對頸部向后運動產(chǎn)生，見圖2示意。

根據(jù)頸部伸張彎矩產(chǎn)生機理，分別從軀干向前運動和頭部向后運動的情況分析原因。

2.2? ?軀干向前運動分析

軀干向前位移量主要受到車身吸能性能、假人布置和安全帶束縛性能等影響，以下分析摸底試驗上述三個因素的試驗情況。軀干位移量以胸部位移量為代表。

2.2.1 車身吸能性能

車身吸能性能主要通過B柱峰值加速度、碰撞持續(xù)時間、前艙吸能變形空間和乘員載荷指標OLC[3]等評估。乘員載荷指標OLC為碰撞安全專業(yè)常用的指標，能夠較全面地評估車身吸能情況，并評估安全帶和氣囊匹配的難度。OLC越大，說明車身吸能性能越差，車內乘員受到的沖擊越大，越不利于安全帶和氣囊匹配以得到較優(yōu)的假人傷害值。見表2，該車前端吸能空間有限，OLC達到32g，遠大于一般車型的28g。

為便于描述說明，本文所研究車型代號為A，其他參考車型代號分別B、C、D和E。

2.2.2 假人布置

見表3，在人機布置中，轎車前排乘員軀干角通常為25°，SUV通常為22°。因為SUV假人軀干角小，導致SUV正碰試驗中假人軀干向前運動比轎車會更早，假人胸部位移量會偏大。從表3數(shù)據(jù)可以看出SUV胸部到方向盤中心的距離比轎車小30mm左右，以上均導致SUV假人頭部與氣囊接觸更早。

2.2.3 安全帶束縛性能

本文所提車型均為限力式安全帶，即安全帶在受到向前運動假人的一定作用力后，會釋放出一段距離的織帶，從而減輕織帶對人體胸部的壓迫[4]。從圖3看出，車型A肩帶力開始增大時刻早于車型B，與2.2.2分析的假人軀干角小，假人開始往前運動時刻早的趨勢一致。

從曲線看，車型A的安全帶功能和性能正常。

2.2.4 座椅防下潛性能

經(jīng)檢查座椅防下潛梁位置，符合相關設計規(guī)范;從試驗后防下潛梁變形情況看，防下潛梁強度符合要求。

2.2.5 胸部位移量

通過合成假人胸部X、Y和Z共三個方向的加速度，并通過積分和換算等方法，得到胸部合成方向的絕對位移量曲線，用同樣的方法得到車體合成方向的絕對位移量曲線，然后胸部合成方向的位移量曲線減去車體曲線，最終近似得到假人胸部相對車體向前的位移量。

從圖4可以看出，車型A的胸部最大位移量達到313mm，車型B只有249mm，相差64mm，車型A的胸部位移量偏大，代表軀干位移量偏大。

2.3? ?頭部向前運動分析

頭部向前位移量，主要受到正面氣囊保護性能、安全帶束縛性能和轉向管柱潰縮性能影響。2.2已分析了安全帶束縛性能，本節(jié)分析摸底試驗中另外兩個因素的試驗情況。

2.3.1 正面氣囊保護性能

從試驗錄像及頭部加速度曲線看，正面氣囊展開正常，頭部無擊穿氣袋的現(xiàn)象。

受2.2.2假人布置的影響，車型A假人頭部與氣囊接觸時刻早于車型B接近6ms，車型A的氣囊與車型B為共用產(chǎn)品，氣體發(fā)生器、氣袋和排氣孔尺寸等均相同。頭部與氣囊接觸時刻過早，同樣的氣囊就會表現(xiàn)為偏硬，一定程度上使假人頭部往前位移量減小，引起頸部拉伸后仰的傷害[5]。

2.3.2 轉向管柱潰縮性能

從試驗后拆解轉向管柱試驗樣件看，試驗過程中轉向管柱潰縮功能未實現(xiàn)，影響假人頭部向前位移量，不利于頸部伸張彎矩。

2.3.3 頭部位移量

參考2.2.5胸部位移量的計算方法，計算得到圖5頭部相對車體的向前位移量。從圖5看出兩車的頭部位移量相當。

2.4? ?分析小結

通過上述分析，頸部伸張彎矩（向后）過大的主要因素的頭部相對胸部向前位移量小，與假人胸部向前位移量過大直接相關。

3? ? 解決方案

針對上述原因分析，解決頸部伸張彎矩過大需要增大頭部相對胸部向前位移量，可以通過增大頭部向前位移量或減小胸部向前位移量實現(xiàn)。

3.1? ?增大頭部位移量

基于開發(fā)實際情況，增大正面氣囊排氣孔尺寸為比較可行的方案，一定程度上降低氣囊的剛度，能夠適當增大頭部位移量，但需注意防止頭部擊穿氣袋。摸底試驗的氣囊設計2個排氣孔，每個排氣孔尺寸均為φ30mm，推薦排氣孔尺寸增大到φ35mm和φ40mm，并通過仿真進行評估。

由于轉向管柱為平臺沿用產(chǎn)品，考慮相關因素，不進行更改。

3.2? ?減小胸部位移量

基于該車型開發(fā)的客觀因素，減小胸部位移量最有效和最直接的方法就是增強安全帶的束縛性能。摸底試驗的安全帶限力軸規(guī)格為4KN。基于該車型的開發(fā)目標為滿足法規(guī)，結合假人其他部位傷害值情況，可以增大限力軸規(guī)格或取消限力軸，并通過仿真評估方案可行性。

3.3? ?方案說明

根據(jù)3.1和3.2的分析，制定以下方案并仿真計算，安全帶限力軸分別是4KN、5KN和無限力軸，氣囊排氣孔分別是φ30mm、φ35mm和φ40mm，共有9個組合，結果見表6。

通過表6仿真1的結果與摸底試驗對比，可以看出仿真的精度欠佳，受車型開發(fā)的客觀因素和開發(fā)周期限制，短期內無法通過對標等手段提高仿真精度。從頭部傷害值看，氣囊排氣孔越大，頭部傷害值越小，但是基于圖6，需防止實車試驗排氣孔增大后頭部擊穿氣袋，最終確定排氣孔增大到φ35mm為氣囊的改進方案。

表6 改進方案仿真計算結果

基于該供應商安全帶在幾款車的束縛性能情況，結合摸底試驗胸部壓縮量處于較理想的水平，且從技術降成本角度考慮，最終確定取消限力軸為安全帶的改進方案，能夠最大程度減小假人胸部位移量，并有利于防止頭部擊穿氣袋。

4? ? 方案驗證

根據(jù)第3.3節(jié)確定的安全帶和氣囊改進方案，按GB11551完成實車碰撞試驗，頸部伸張彎矩由60Nm降低到22Nm，通過試驗采集并計算后的頸部伸張彎矩曲線見圖7，曲線A+為改進試驗的曲線。其他部位傷害值有增大，但仍處于理想水平范圍內，詳見表7。試驗驗證上述改進方案有效，且獲得了一定的降成本收益。

從圖8可以看出，取消安全帶限力軸后，胸部

向前位移量減小了40mm左右，且提前5ms達到最大位移量，間接減小了頸部伸張彎矩。曲線A+為改進試驗的曲線。

從圖9可以看出，取消安全帶限力軸和增大氣囊排氣孔后，假人頭頸部相對軀干有明顯的向前彎曲伸張，從而減小了向后伸張的傷害值。

5? ? 總結

摸底試驗通過仿真及已量產(chǎn)的幾款車型參數(shù)確定安全帶限力軸規(guī)格，未更加深入了解車型之間的車身吸能性能、假人布置等差異，同時仿真分析精度低，仿真對后續(xù)試驗風險評估支撐力度不足。

后續(xù)新車型開發(fā)需全面考慮各種影響因素，需通過對標等手段提高仿真分析的精度。

本文介紹了頸部伸張彎矩的傷害機理，分析了頸部傷害的相關影響因素，并采取有效對策，通過試驗驗證降低了頸部傷害值，為后續(xù)車型開發(fā)提供了一定的參考。

參考文獻：

[1]GB11551-2014《乘用車正面碰撞的乘員保護》.

[2]SAE-J-1733-2007 Sign Convention for Vehicle Crash Testing， SAE International， 2007.11.

[3]劉玉濤，吳淼等，TRW正面碰撞波形評價方法及其應用，2012年中國汽車安全技術國際研討會.

[4]鐘志華，張維剛等，汽車碰撞安全技術，機械工業(yè)出版社，2003.7.

[5]邱少波.汽車碰撞安全工程，北京理工大學出版社，2016.1.