乘用車前排人員膝部傷害測試方法的研究

吳剛，孫偉東，徐浩

(上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

高性能限值：大腿壓縮力為3.8 kN，膝蓋滑動位移為6 mm；

低性能限值：大腿壓縮力為9.07 kN @ 0 ms,7.56 kN @ ≥10 ms，膝蓋滑動位移為15 mm[5]。

目前國內各試驗檢測機構對于汽車儀表板膝部沖擊試驗的試驗方法主要有以下兩種[6]。

(1)采用實車或臺車碰撞。這一類試驗方法的優點是得到的試驗數據真實準確，假人膝部可以以正確的試驗條件沖擊儀表板上正確的位置，缺點是需要提供整車或者白車身來進行試驗，成本大、試驗設置復雜、試驗準備時間長，特別是對儀表板廠家來說，需要在研發前期提供試驗所需要的其他部件及參數較為困難。

(2)采用剛性模型的臺架沖擊試驗。這種試驗方法是利用一套發射設備，在發射設備上安裝一個近似膝部的剛性模型，對準儀表板上膝部的接觸位置，按一定的速度進行沖擊，最后通過安裝在剛性模型上加速度傳感器所采集到加速度數據來計算出沖擊力。目前該試驗方法使用率最為廣泛，尤其是對于儀表板廠家，其優點是只需要提供儀表板總成，樣品準備簡單、試驗周期短、試驗成本低，缺點是因剛性模型與假人膝部的差異導致數據不準確，往往得到的沖擊力較大。

綜合以上兩種試驗方法，本文作者采用臺架沖擊試驗方法并使用50% Hybrid III型假人的腿部模塊作為沖擊模塊，通過分析實車碰撞中前排假人膝部與儀表板的碰撞情況來決定臺架試驗的碰撞速度與方向。

1 模擬臺架試驗條件的研究

沖擊速度的大小是膝部沖擊試驗中最為關鍵的因素，因此需要找到確定沖擊速度合理正確的方法。

在實車正面碰撞過程中，由于假人上半身有約束系統的作用，以及假人腳跟與車輛地板的作用，可認為假人大腿的慣性向前移動與假人臀部的向前移動是一致的，因此，骨盆處所采集的加速度數據具有重要價值，可視為假人大腿的向前加速度，圖1為某一車型正面碰撞中假人骨盆處在整個實車正面碰撞過程中的加速度曲線。從曲線上可以看出，在實車碰撞過程中，假人腿部因慣性力作用向前加速度逐漸增大直至膝部碰到前面的儀表板。

圖1 某車型正面碰撞假人骨盆的加速度曲線

通過對某一車型正面碰撞中車內的高速攝像進行分析，從實車開始碰撞時刻假人腿部因慣性移動，到假人膝部剛接觸到前面儀表板的時間段為整個假人腿部的加速過程。圖2和圖3分別為假人腿部開始移動時刻和假人膝部剛接觸到儀表板時刻，整個加速時間為50 ms。

圖2 假人腿部開始移動時刻的高速攝像

圖3 假人膝部剛接觸到儀表板時刻的高速攝像

在實車的正面碰撞過程中，假人腿部從相對靜止到慣性力作用下達到最大速度碰到儀表板后減速。在以上加速度曲線中，從產生加速度開始，截取一段時間為50 ms的加速度曲線，作為膝部在碰到儀表板前的加速度曲線，再根據速度公式v=at(v為速度、a為加速度、t為加速時間)，將該加速度曲線對加速時間進行積分，得出腿部從開始移動到膝部碰到儀表板前的速度曲線，如圖4所示，曲線上的最大值即為膝部在碰到儀表板前的速度，其最大值為2.46 m/s。

圖4 膝部在碰到儀表板前的速度曲線

為保證膝部沖擊試驗中的膝部沖擊更接近于實車正面碰撞中的狀況，需通過能量公式將實車正面碰撞中膝部的最大移動速度轉化為膝部沖擊試驗中的膝部沖擊速度。表1為50% Hybrid III假人中所考慮的各部件的質量，即假人臀部及以下部分不包含腳，總質量為42 kg；表2為直線沖擊上滑軌支架、腿部模型和連接裝置的質量，總質量為22 kg。根據動能公式E=1/2mv2

表1 假人中所考慮的各部件的質量

表2 直線沖擊上滑軌支架、腿部模型和連接裝置的質量

式中：E為動能(J);m為移動質量(kg);v為移動速度(m/s)。

得出實車正面碰撞中假人膝部在碰到儀表板前的最大動能為127 J，即假人雙腿對前面儀表板的總沖擊能量，而單個膝部對儀表板的沖擊能量可視為其1/2等于63.5 J，最后再根據動能公式計算出膝部沖擊試驗中的膝部沖擊速度為2.4 m/s，即8.6 km/h。

2 模擬臺架試驗方法

根據在實車放置50% Hybrid III假人或CAD模型中測量出假人H點的坐標、踝關節的坐標、膝關節的坐標以及儀表板上某一安裝點坐標作為參考點，如圖5所示，以便于在膝部模型沖擊試驗中確定腿部模型的沖擊時的角度和位置。

圖5 假人H點的坐標、踝關節的坐標、膝關節的坐標示意

在試驗開始之前，腿部模型中需安裝兩個傳感器，一個是力傳感器，用來測量沖擊過程中大腿的壓縮力，記錄大腿受到正面沖擊時的損傷情況；另一個是位移傳感器，用來測量沖擊過程中膝蓋的滑動位移，記錄膝關節受到撕裂及脫臼時的損傷情況。

文中采用的發射裝置是西班牙ENCOPIM公司生產的直線沖擊設備。該裝置的高度調節范圍為1 625 mm，角度調節范圍為-10°～90°，可根據項目中駕駛員或前排乘員實際的乘坐位置來進行高度和角度的調節。該設備最大發射質量為40 kg，最大發射速度為45 km/h，最大發射動能為1 500 J。控制器上配的是HBM公司的QuantumX MX840A型通用測量放大器模塊，可采集多種傳感器信號。該模塊具有8個通道，通道上采用的是D-Sub-HD 15芯接口。因其采用先進的即插即測技術，能自動識別并配置傳感器，并具有高精度、靈活等特點，可減少傳感器配置的時間，大大增加了測量的效率。

文中還設計了50% Hybrid III假人膝部模型與直線沖擊設備的連接裝置，該連接裝置保有了Y軸方向的旋轉自由度，旋轉中心應與假人H點相重合，更加符合人體實際碰撞時的情況，如圖6所示。

圖6 假人與直線沖擊設備連接裝置

安裝好一套某一車型的全新的儀表板樣品總成，假人腿部模型的膝部對準駕駛員左側位置，如圖7所示，開始儀表板膝部沖擊試驗。

圖7 膝部傷害模擬臺架試驗

3 模擬臺架試驗數據分析

利用HBM公司的QuantumX數據分析軟件進行試驗數據分析，得到此次儀表板沖擊試驗的時間-大腿壓縮力曲線和時間-膝蓋滑動位移曲線，如圖8所示，大腿壓縮力的最大值為1 972 N，膝蓋滑動位移的最大值為0.53 mm。

圖8 某車型模擬臺架試驗結果

圖9為該車型正面碰撞中所采集的駕駛員左腿的時間-大腿壓縮力曲線和時間-膝蓋滑動位移曲線，大腿壓縮力的最大值為1 578 N，膝蓋滑動位移的最大值為0.54 mm。

圖9 某車型正面碰撞試驗結果

圖10為該車型CAE分析后儀表板變形量-大腿壓縮力曲線和時間-膝蓋滑動位移曲線，大腿壓縮力的最大值為2 800 N，膝蓋滑動位移的最大值為0.3 mm。

圖10 某車型CAE碰撞試驗結果

通過對以上三組數據的對比，發現膝部沖擊試驗與實車正面碰撞試驗的兩組數據相當接近，而兩組曲線的差異也不大。CAE分析因為與具體試驗的條件有一些差異，所以分析出的結果有一定的偏差。因而可以得出結論，此項目的儀表板膝部沖擊試驗所得出試驗數據是具有參考價值的，可以通過該試驗預先了解假人膝部在實車正面碰撞試驗中的結果。

4 結論

文中通過對現有標準的分析，確定采用帶有力傳感器和位移傳感器的50% Hybrid III假人的左腿總成作為直線沖擊模塊，并在ENCOPIM直線滑軌發射設備上設計了一套連接裝置，能夠將假人腿部模型牢固地固定在發射設備上。通過對整車碰撞數據的分析，確定了模擬臺架試驗條件。同時，通過對控制器放大器模塊接口、數據連接線和傳感器接口的定義的了解，準確地將傳感器接入放大器模塊上，并通過對應的數據采集軟件，在軟件內對傳感器信號進行配置和標定，確定了儀表板膝部沖擊的試驗方法。最后得出的數據曲線與實車正面碰撞膝部碰撞的曲線相當接近。為國內外零部件廠商提供了一種高效、精確以及經濟的乘用車前排乘員膝部傷害的試驗方法。