正面碰撞時安全氣囊對乘員的保護作用分析

龐 璐

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著汽車保有量的急劇增長，汽車的安全性越來越重要[1]。在汽車發(fā)生正面碰撞時，乘員約束系統(tǒng)是最重要的被動安全系統(tǒng)，而安全氣囊是乘員約束系統(tǒng)的一個關鍵組成部分[2-3]。

本文將某國產(chǎn)車按照標準要求進行兩次正面碰撞試驗，對采集到的數(shù)據(jù)用EVAlution軟件進行對比分析，研究安全氣囊對乘員的保護效果。

1 汽車正面碰撞試驗

1.1 試驗條件

本試驗依托于某實車碰撞試驗平臺，該平臺有全長400米的室內(nèi)試驗路面，主要試驗設備有固定壁障、牽引系統(tǒng)、照明裝置、假人、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像機等。

1.2 試驗方法

本文按照標準GB11551-2014《乘用車正面碰撞的乘員保護》進行試驗，標準中規(guī)定的正面碰撞形式是剛性固定壁障碰撞，在這種條件下，車身的碰撞能量很大，車內(nèi)乘員易受到較大程度的損傷[4]。因此，本試驗為分析安全氣囊對乘員的保護效果提供了優(yōu)良條件。

汽車正面碰撞試驗方法為：

（1）車輛準備：車輛在進行試驗前，所有裝備都進行正常安裝，保證其能夠正常工作，并保證提交試驗的車輛質(zhì)量為整備質(zhì)量。

（2）放置車輛：在試驗車輛上焊接掛鉤，與牽引系統(tǒng)掛鉤連接。

（3）安放假人：在前排座椅上按照標準規(guī)定放置50%Hybrid Ⅲ假人，將假人頭部、身體軀干、手臂、腿、腳及H點安放在固定位置，并使用安全帶進行約束。

（4）驅動車輛：利用電力牽引裝置驅動車輛，當車輛達到固定速度時，與牽引系統(tǒng)分離，以規(guī)定速度撞擊到固定壁障上。

（5）數(shù)據(jù)采集：在假人重要部位安裝不同類型的傳感器，如在頭部安裝3軸加速度傳感器，在頸部安裝6軸載荷傳感器。本試驗采用DTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄整個試驗過程的相關數(shù)據(jù)[5]。

1.3 乘員損傷性能指標

在發(fā)生正面碰撞事故時，乘員會受到一定程度的傷害，GB11551-2014《汽車正面碰撞乘員保護》中規(guī)定了發(fā)生碰撞后乘員受到損傷時重要部位的性能指標及要求，見表1。

表1 身體各部位的性能指標

2 數(shù)據(jù)分析

本文使某乘用車以40 km/h的速度進行兩次正面碰撞試驗，一次為安全氣囊未打開，另一次為安全氣囊打開，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的兩組數(shù)據(jù)導入EVAlution軟件，對假人的頭部、胸部和頸部性能指標進行對比分析。

2.1 頭部性能指標分析

頭部加速度—時間曲線如圖1所示，圖a）為安全氣囊未打開，b）為安全氣囊打開。圖a）中頭部合成加速度Max（0.1004s）=1117 m/s2，在峰值附近急劇上升；圖b）中頭部合成加速度Max（0.0751s）=481.5 m/s2，峰值附近曲線變化較為平緩，并且最大加速度發(fā)生時間也提前了，這是因為安全氣囊在發(fā)生碰撞的瞬間彈出，在乘員與車內(nèi)飾組件之間形成氣墊，減輕了碰撞對乘員造成的巨大沖擊。

圖1 頭部3向及合成加速度—時間曲線圖

對碰撞過程中的加速度值進行積分，得到氣囊未打開時的頭部性能指標HPC值為636，氣囊打開時的HPC值為286，降低了55.03%。由此可見，氣囊對乘員頭部有明顯的保護效果。

2.2 胸部性能指標分析

胸部位移—時間曲線如圖2所示，圖a）中胸部位移Min=31.96 mm；圖b）中胸部位移Min=56.44 mm。

圖2 胸部位移—時間曲線圖

當安全氣囊打開時，胸部壓縮量增加了43.37%，這是因為發(fā)生碰撞時，安全氣囊瞬間彈出，作用于乘員胸部的壓力較大，超過了安全氣囊未打開時安全帶對乘員的束緊力，導致胸部壓縮量變大。當乘員體形較小或較脆弱時，安全氣囊的相對壓力尤其大，極有可能使乘員受到傷害[6]。

2.3 頸部性能指標分析

頸部X軸向剪切力力Fx—時間曲線如圖3所示，圖a）中頸部X軸向力Max=1224 N，圖b）中頸部X軸向力Max=574.6 N。頸部對Y軸彎矩—時間曲線如圖4所示，圖a）中頸部對Y軸彎矩Max=22.62 N·m，Min=-23.39 N·m；圖b）中頸部對Y軸彎矩Max=34.62 N·m，Min=-30.28 N·m。

圖3 頸部X軸向剪切力Fx—時間曲線圖

圖4 頸部對Y軸彎矩—時間曲線圖

在圖3中，上方折線為標準中規(guī)定的頸部前后向剪切力的極限值，下方曲線為試驗中測得的數(shù)據(jù)。對比圖a）與圖b）可知，安全氣囊被觸發(fā)時，乘員頸部受到的剪切力減小了53.06%。

在圖4中，對比圖a）與圖b）可以明顯看出，當安全氣囊打開時，頸部Y軸彎矩比安全氣囊未打開時變化劇烈，并且最大值和最小值的絕對值均較大。

在碰撞過程中，安全氣囊打開雖然會使頸部前后向剪切力減小，但是會使頸部對Y軸的彎矩變大，所以，安全氣囊有可能對頸部造成一定程度的傷害，需進行深入研究分析。

3 結論

本文通過兩次正面碰撞對比試驗，分析了安全氣囊對乘員頭部、頸部、胸部的影響，得出結論：在正面碰撞的過程中，安全氣囊打開可以使乘員頭部傷害降低55.03%，使頸部受到的剪切力降低53.06%，同時也使胸部壓縮量增大43.37%，頸部對Y軸的彎矩增大20%以上。

由此表明，安全氣囊對乘員身體重要部位有著至關重要的保護作用，但是當碰撞強度較大或者彈出安全氣囊的能量等級較高時，安全氣囊有可能對乘員的胸部造成一定程度的損傷。