簡易滑臺(tái)碰撞安全件產(chǎn)品的平臺(tái)化開發(fā)

楊凱 歐陽俊 劉宗華 肖一淵 岳亦財(cái)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

隨著安全領(lǐng)域的快速發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)汽車安全性的加深關(guān)注，安全件相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)越來越受到各大主機(jī)廠的重視。然而不同項(xiàng)目產(chǎn)品的整車驗(yàn)證往往占用大量研發(fā)資源，通過利用簡易滑臺(tái)角度可調(diào)式風(fēng)擋、儀表、可調(diào)式轉(zhuǎn)向管柱等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同項(xiàng)目不同設(shè)計(jì)下的安全件性能驗(yàn)證。另一方面，對(duì)于同一參數(shù)的產(chǎn)品，需要在不同環(huán)境參數(shù)下驗(yàn)證其能否滿足不同車型的性能需求，通過仿真分析影響假人得分的關(guān)鍵因素，基于簡易滑臺(tái)裝置將最惡劣工況進(jìn)行組合以驗(yàn)證產(chǎn)品性能。若滿足最惡劣工況下的性能目標(biāo)，則滿足參數(shù)范圍內(nèi)的其他項(xiàng)目要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了安全件產(chǎn)品的平臺(tái)化開發(fā)與相關(guān)性能的驗(yàn)證。

1 正面約束系統(tǒng)參數(shù)平臺(tái)化分析

1.1 安全件參數(shù)設(shè)計(jì)

以正面約束系統(tǒng)安全件的平臺(tái)化開發(fā)為例，在概念階段有效控制乘員空間及安全帶布置，驗(yàn)證主駕安全氣囊、副駕安全氣囊、安全帶對(duì)應(yīng)的平臺(tái)化參數(shù)是否滿足針對(duì)C-NCAP 開發(fā)目標(biāo)的平臺(tái)化要求。安全帶相關(guān)參數(shù)中，影響安全帶性能的要素包括限力等級(jí)和延伸率；影響主/副駕側(cè)安全氣囊性能的參數(shù)包括氣體發(fā)生器型號(hào)、氣袋材料、氣袋涂層、拉帶長度及方式、泄氣孔與氣袋直徑、包型等。通過統(tǒng)計(jì)，得出一套適用范圍最廣的安全件平臺(tái)化參數(shù)，然后針對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 影響環(huán)境因素分析

安全件平臺(tái)化的前提條件是影響試驗(yàn)得分的環(huán)境因素（包括碰撞波形、腿部空間距離、轉(zhuǎn)向管柱角度、胸部空間、座椅強(qiáng)度及安全帶安裝點(diǎn)位）得到有效控制。經(jīng)過仿真分析，可計(jì)算出以往車型的乘員載荷指數(shù)（OLC），并將最惡劣的波形作為試驗(yàn)惡劣條件工況的組合之一。其次，對(duì)空間及安全帶布置開展校核，保證環(huán)境件的基礎(chǔ)要求。腿部空間的距離影響著大腿的承載程度，空間越小，承受的沖擊越小，胸部損傷則越大。同理，最大膝部空間距離可作為惡劣工況輸入之一來評(píng)估胸部損傷的情況。另外，轉(zhuǎn)向管柱的角度影響潰縮需要的力，同時(shí)影響胸部空間至儀表的距離。胸部空間越大，駕駛員受到安全帶有效束縛的效果越好。

1.3 簡易滑臺(tái)設(shè)計(jì)

簡易滑臺(tái)通過可調(diào)式支架進(jìn)行不同項(xiàng)目試驗(yàn)中儀表、管柱與座椅等樣件的更換，如圖1 所示。相機(jī)由簡易支架固定于滑臺(tái)前后部，用于監(jiān)測(cè)假人在試驗(yàn)過程中的運(yùn)動(dòng)過程。不同項(xiàng)目試驗(yàn)開始前僅需更換對(duì)應(yīng)的改制儀表、管柱、DAB/PAB、安全帶及座椅，并嚴(yán)格按照整車設(shè)計(jì)的安全帶點(diǎn)位、空間距離、風(fēng)擋玻璃角度等進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備。

圖1 簡易滑臺(tái)裝置示意圖

2 開發(fā)流程及分析

2.1 滑臺(tái)開發(fā)流程

通過分析不同環(huán)境參數(shù)對(duì)假人得分的影響，選擇各類因素最為嚴(yán)苛的參數(shù)進(jìn)行組合，歸納出試驗(yàn)條件最為嚴(yán)苛的工況。如果驗(yàn)證規(guī)定的產(chǎn)品滿足最為嚴(yán)苛環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)的工況開發(fā)要求，則安全件產(chǎn)品滿足環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)的其他項(xiàng)目開發(fā)需求，進(jìn)而達(dá)成平臺(tái)化集成安全開發(fā)降本增效的效果。

2.2 理論曲線

當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，駕駛員主要受到來自安全氣囊、安全帶、座椅、地板等的外力，如圖2 所示。分析假人損傷時(shí)，要研究外力對(duì)假人各個(gè)部位的影響。通過生成各部位自由體線圖，可以得到各個(gè)部位運(yùn)動(dòng)情況與受力情況的相互關(guān)系。在安全帶約束開始后，假人頭部受到的力主要來自頸部對(duì)頭部的剪切力（Fx/N）；當(dāng)氣囊安全展開并與頭部接觸開始約束時(shí)，頭部受到的力主要為面部施加的力（Fa/N）為：

式中：m頭——假人頭部質(zhì)量，kg；

a頭——頭部質(zhì)心處加速度，m/s2。

圖2 汽車正面碰撞時(shí)駕駛員俯仰現(xiàn)象示意圖

后期計(jì)算頭部F-s 曲線的斜率，即代表氣囊的剛度[1]。

胸部外力與胸廓變形的關(guān)系較為復(fù)雜，假人胸部主要受到安全肩帶兩端對(duì)假人前后方向施加的力（Fsb1x/N）、（Fsb2x/N）以及安全氣囊施加的力（Fairbagx/N）而發(fā)生變形。假設(shè)胸部前后方向?qū)γ織l肋骨后端施加的載荷為Frib、假人胸壓量為D、胸部剛度為k，胸廓密度為ρ，加速度 arib則有公式近似成立[2]：

式中：mchest——假人胸部的質(zhì)量，kg；

achestx——胸部質(zhì)心處x 方向加速度，m/s2；

Farm（r），F(xiàn)arm（1）——作用于胸部的右肩、左肩關(guān)節(jié)內(nèi)力，N；

Fneckx——作用于頸部的內(nèi)力，N；

Flumbarx——作用于腰椎上端內(nèi)力，N。

對(duì)12 條肋骨體積進(jìn)行積分慣性項(xiàng)：

式中：Frib——每條肋骨后端受到胸部前后方向上的載荷，N；

Vsternum，Vrib——胸骨和12 條肋骨的體積進(jìn)行積分得到的慣性項(xiàng)。

由式（1）和式（2）可得：

由式（4）可以看出，內(nèi)力越大，對(duì)胸部加速度與變形的影響均越大。汽車正面碰撞時(shí)駕駛員發(fā)生的俯仰現(xiàn)象，如圖2 所示。

2.3 開發(fā)思路及分析

由于試驗(yàn)主要為驗(yàn)證DAB/PAB/安全帶平臺(tái)化參數(shù)，這些安全件影響頭頸胸的損傷，另外由于簡易滑臺(tái)無法復(fù)現(xiàn)腳歇板等結(jié)構(gòu)，所以下肢得分不予考慮。通過定義平臺(tái)化性能C-NCAP 開發(fā)目標(biāo)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果判定最惡劣工況下的假人損傷值滿足要求來定義環(huán)境參數(shù)項(xiàng)目范圍。試驗(yàn)首先需要驗(yàn)證簡易滑臺(tái)試驗(yàn)波形迭代是否與整車波形一致，波形的關(guān)鍵參數(shù)主要是對(duì)比滑臺(tái)的g-t，g-s，OLC 值。其目的是通過對(duì)比試驗(yàn)輸入與輸出的關(guān)鍵值以確認(rèn)簡易滑臺(tái)的可靠性及穩(wěn)定性。簡易滑臺(tái)試驗(yàn)波形對(duì)比及頭部加速度-時(shí)間曲線，如圖3 所示。

圖3 簡易滑臺(tái)試驗(yàn)波形對(duì)比及頭部加速度-時(shí)間曲線

對(duì)比轉(zhuǎn)向管柱項(xiàng)目范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的最大值與最小值工況，將結(jié)果與前期項(xiàng)目下的整車及滑臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得出滑臺(tái)試驗(yàn)對(duì)頭部傷害的結(jié)果比整車結(jié)果更為惡劣。原因是整車碰撞試驗(yàn)發(fā)生俯仰（Pitch）導(dǎo)致頭部相對(duì)氣囊向上前方向遠(yuǎn)離，頭部受力更小。另一方面，通過觀察g-t 曲線，可判斷在92 ms 處簡易滑臺(tái)均發(fā)生輕微頭部觸底，然而峰值水平與項(xiàng)目前期滑臺(tái)試驗(yàn)當(dāng)量相同。通過對(duì)比換算出簡易滑臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與整車預(yù)測(cè)值同樣滿足性能開發(fā)要求。此外，轉(zhuǎn)向管柱角度較小時(shí)，假人胸壓量更大，如圖4 所示。通過分析胸部損傷原因判斷，影響假人得分的因素包括氣囊的高度、轉(zhuǎn)向管柱的潰縮情況、安全帶至下顎距離（胸部接觸位置）以及安全帶受力情況。然而，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)上述因素?cái)?shù)據(jù)均一致，從而可以推測(cè)出是轉(zhuǎn)向管柱角度的不同影響了假人胸部與氣囊接觸的位置及受力面積，在相同氣囊保壓情況下，小角度氣囊接觸假人位置更低、面積更大，以至于胸壓量更高[3]。

圖4 不同角度轉(zhuǎn)向管柱角度頭部g-t 曲線與胸壓量s-t 曲線

副駕側(cè)影響頭部損傷因素基本與主駕一致，在不同安全帶惡劣情況及不同波形的惡劣情況下，頭部外力曲線的斜率基本一致，通過對(duì)比F-s 曲線可以判定波形和安全帶點(diǎn)位的惡化對(duì)頭部傷害的敏感度低。而從副駕側(cè)假人胸部損傷分析中發(fā)現(xiàn)，在其他影響胸壓量的環(huán)境參數(shù)中，氣囊剛度條件、副駕假人胸部至儀表的IP 距離一致，安全帶限力一致，但安全帶D 環(huán)點(diǎn)位的下降導(dǎo)致下顎至安全肩帶的距離更大（安全帶點(diǎn)位更惡劣），胸壓量隨之增加[4]，如圖5 所示。

圖5 不同安全帶點(diǎn)位頭部外力F-s 曲線與胸壓量曲線s-t 曲線對(duì)比

2.4 平臺(tái)化效益分析

約束系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)開發(fā)對(duì)成本及開發(fā)周期有很大影響。開發(fā)成本方面以安全帶為例，整車安全帶產(chǎn)品全新開發(fā)產(chǎn)生的模具費(fèi)用和試驗(yàn)費(fèi)用高達(dá)近400 萬元，其中模具費(fèi)占比66%、試驗(yàn)費(fèi)用占比34%，而通過平臺(tái)化沿用可節(jié)省該部分開發(fā)費(fèi)用。安全帶產(chǎn)品平臺(tái)化開發(fā)成本效益占比，如圖6 所示。

圖6 安全帶產(chǎn)品平臺(tái)化開發(fā)成本效益占比

除此之外，平臺(tái)化開發(fā)還大幅度減少了轉(zhuǎn)向盤、主/副駕駛員氣囊、側(cè)氣囊/簾、座椅等產(chǎn)品的單獨(dú)開發(fā)費(fèi)用。采用平臺(tái)沿用設(shè)計(jì)，除省去模具費(fèi)之外，單品的試驗(yàn)亦可等效視同，試驗(yàn)費(fèi)用可同步省去，效益改善明顯。此外，當(dāng)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)施平臺(tái)化方案后，單車成本對(duì)應(yīng)不同配置收益同樣大幅度降低。

2.5 產(chǎn)品優(yōu)化建議

為了改善正面碰撞中主駕頭部與氣囊接觸發(fā)生觸底的情況，可以增加氣囊涂層及改善氣囊剛度。帶有涂層的主駕氣囊（DAB）在試驗(yàn)后，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，帶涂層氣囊保壓性能更好，氣囊剛度更高，頭部觸底得到改善，如圖7 所示。

圖7 DAB 不同涂層頭外力對(duì)比情況

雖然胸壓量增加，但仍滿足性能開發(fā)要求。副駕側(cè)氣囊（PAB）在展開時(shí)由于縱向發(fā)生的抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致在假人頭部與副駕側(cè)反彈回的氣囊接觸時(shí)，頸部彎矩值有著明顯的增高。通過改善氣囊氣體發(fā)生器的導(dǎo)軌形式，可有效解決氣囊抖動(dòng)并改善頸部損傷的問題，如圖8 所示。

圖8 PAB 不同抖動(dòng)方案頸部彎矩（My）對(duì)比情況

3 結(jié)論

文章基于簡易滑臺(tái)試驗(yàn)工況，對(duì)平臺(tái)化安全件產(chǎn)品進(jìn)行研究，并根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)環(huán)境組合匹配最惡劣工況進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證及研究。此外，在約束系統(tǒng)平臺(tái)化的一系列試驗(yàn)中，解決了單變量參數(shù)單獨(dú)開發(fā)的高成本流程問題；提出了產(chǎn)品平臺(tái)化開發(fā)驗(yàn)證思路與流程，減少了安全產(chǎn)品件涉及的模具費(fèi)與試驗(yàn)驗(yàn)證費(fèi)用，進(jìn)一步大幅度降低了研發(fā)周期及成本。

關(guān)于深入課題研究的建議包括如何優(yōu)化簡易滑臺(tái)工裝，使其更實(shí)用、便利且準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)出整車不同環(huán)境件參數(shù)。另外，如何模擬出腳踏板等影響假人下肢得分的因素也可作為后續(xù)的研究方向。