安全帶預緊性能對假人運動姿態的影響

劉昕耀 韓非 李明陽 韓嘯

沈陽金杯錦恒汽車安全系統有限公司 遼寧省沈陽市 110141

1 引言

被動安全性是指汽車在發生碰撞事故時，有效約束車內乘員使其避免受傷或傷害程度降到最低。安全帶是被動安全重要的組成部分，是約束車內乘員的最重要的零件，因此安全帶的約束性能對整個安全系統來說都非常重要。

基于2018 版C-NCAP 針對后排得分權重的增加，后排安全帶配置也在提升。因此，在現有市場，預緊限力式安全帶已經成為最普遍的安全帶配置，也是保證乘員安全的基礎配置。2018 版C-NCAP 針對肩帶力要求小于6KN，因此汽車安全系統開發時，低扭力桿會越來越受到歡迎。

近年來，隨著輕量化汽車及小型汽車的發展，車內空間有限，要求安全帶的約束性能更強。僅通過改變扭力桿大小已經無法滿足主機廠的要求，改善安全帶的預緊性能，進而實現提升對假人的約束，便成為了更加有效的方式。

2 產品設計思路

根據開發經驗發現，多家汽車廠對卷收器出口力值預緊后跌落值有標準值規定，例如不能小于1KN 以下。預緊后跌落對整體約束有何影響，還需要進行有效的驗證。我們預想的結果是預緊后跌落，導致鎖止不及時，使得限力上升時間較晚，這樣表現的卷收器，假人約束效果明顯較差。

在上述設計思路下，我們開展以下工作，進行仿真驗證設計思路，搭建仿真模型進行對標分析，保證模型的準確性，通過調整模型給實現預緊跌落與預緊不跌落兩種狀態，得到假人各個位置加速度的曲線，對比假人的約束效果，驗證得到設計思路為正確。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型的建立

使用仿真軟件進行安全帶系統仿真技術研究。模型搭建參照GB14166-2013標準要求進行試驗方式，仿真模型使用Hybrid Ⅲ50%男性假人、剛性座椅。使用某知名主機廠的新款車型的坐標點和波形。利用有限元方法模擬安全帶、假人、座椅等零部件系統，仿真模型如圖1 所示：

圖1 安全帶系統仿真示意圖

仿真模型在進行開發思路驗證前，需要進行對標分析，即實現仿真輸出數據與實際試驗數據進行對比，調整模型達到足夠的精度，保證模型的準確性。建立的仿真模型運算后，輸出安全帶的常用力值和假人常用參數，包括卷收器出口力值、肩帶力、插鎖力、腰帶力、胸壓、頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等。將以上仿真數據與實際試驗數據進行CORA 分析，通過調整模型參數，實現仿真與實際試驗數據相似度達到90%以上，相似度較高，可以用于以后的仿真思路驗證。

3.2 安全帶仿真力值

通過調整模型中的相關參數，實現預緊與限力之間的轉換，改善跌落和鎖止不及時的情況。卷收器出口力值和肩帶力值表現如圖2 所示，原有狀態代號為H4（黑色），改善后的狀態代號為H7（紅色）：

圖2 仿真出口力和肩帶力對比

通過調整實現預緊與鎖止之間跌落力值上升，由1KN 升至1.5KN，限力上升時間明顯提前，提前最少5ms 的時間，達到我們預期的效果，可以進行后續假人運動姿態的分析。

對比模型中假人的運動狀態，可以體現出假人運動狀態的參數包括插鎖力、腰帶力、胸壓、頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等，通過這些參數進行對比，可以觀測預緊與限力轉換的改善對假人束縛能力的影響。

仿真測量安全帶力值部分，插鎖力和腰帶力進行結果比較。原有狀態代號為H4（黑色），改善后的狀態代號為H7（紅色）：

圖3 仿真插鎖力和腰帶力對比

由曲線可以看出：

1）改善后狀態H7 安全帶插鎖力值上升階段明顯提前，力值降低約1.5KN。

2）改善后狀態H7 安全帶腰帶力值上升階段明顯提前，力值降低約2KN。

以上力值表現均可以體現出對假人腰部約束效果明顯，腰帶力值低證明假人骨盆前移量較小，預緊與限力之間的改善，對假人骨盆運動趨勢產生明顯的影響。

3.3 假人仿真加速度及胸壓

仿真使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，輸出假人X、Y、Z 三個方向的合成加速度，包括頭部加速度、胸部加速度和骨盆加速度，同時采集假人胸部壓縮量，進行對比得到的曲線如下（圖4）：

圖4 仿真假人加速度和胸壓對比

由曲線可以看出，改善后狀態的表現如下：

1）曲線尖峰代表頭部碰撞膝蓋的時間，碰撞時間點明顯延后，峰值較低，說明碰撞幅度減小。

2）骨盆合成加速度明顯低于原有狀態。

3）胸部合成加速度明顯低于原有狀態。

4）胸部壓縮量高于原有狀態。

以上加速度及胸壓的表現，均體現出對假人的約束效果明顯。頭部、骨盆、胸部加速度峰值點都有明顯的下降，證明假人頭、骨盆、胸部向前運動趨勢減小，對假人整體約束增強，胸部壓縮量增加也是對胸部約束增加的表現。

通過本節內容可以得出，產品設計思路是正確的，更改產品特性將預緊與限力之間轉換的力值

提升，限力上升時間提前，可以明顯增加對假人的束縛能力。對比同一時刻的運動姿態，如圖5 所示可以看出，相對安全帶位置，原狀態假人臀部前移量更大，上軀干前傾量更大。通過仿真結果可以看出，對假人頭部、胸部、骨盆位置的約束效果都明顯增強。

圖5 同一時刻假人仿真運動狀態的對比

但是結果表現胸壓變大，這樣會影響乘員保護結果，傷害值更大。由于前期約束效果提升，可以降低扭力桿等級，前期約束效果提升可使用低扭力桿等級，實現與高扭力桿等級一樣的約束效果，達到降低胸壓的效果。

4 結論

本文針對預緊與限力轉換部分的性能表現對假人運動趨勢的影響，進行仿真分析得出以下結論：

1）改善了預緊后安全帶出口力值跌落問題，限力上升時間明顯提前。

2）出口力值預緊后提升以及限力上升時間提前，無論對于假人頭部、胸部還是骨盆位置，假人的約束效果都有明顯提升。

綜上所述：本文進行仿真分析驗證研發方向的正確性，得出預緊性能對假人運動趨勢的影響，為主機廠安全帶選型提供更多更好的選擇。目前主機廠由于車型或者空間的限制，急需約束效果更好的安全帶性能。本文的產品設計及驗證擴展了今后的安全帶開發思路，為汽車企業進行性能匹配提供一些新的方法，對汽車企業進行安全帶選型有一定的指導意義。