汽車前碰撞中儀表板對(duì)乘員的保護(hù)性研究

亓 楠，代亞君

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300462)

0 引 言

汽車的駕駛安全性能是很多用戶購(gòu)車時(shí)首要考慮的問(wèn)題，如何降低汽車碰撞過(guò)程中對(duì)乘員的傷害程度一直是汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。自 1952年汽車安全氣囊系統(tǒng)逐步建立之后，1980年預(yù)緊式安全帶與安全氣囊構(gòu)成的汽車約束系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的完善，并開始逐步普及安裝到各個(gè)國(guó)家的主流汽車上。隨著汽車安全技術(shù)水平的提高，目前被動(dòng)安全約束系統(tǒng)更是朝智能化方向發(fā)展，能夠根據(jù)碰撞強(qiáng)度、乘員坐姿、安全帶約束情況等參數(shù)實(shí)時(shí)控制氣囊的點(diǎn)火時(shí)間和排氣卸載能力，切實(shí)減少乘員二次碰撞帶來(lái)的損傷[1]。

但是乘員的下肢在汽車行駛過(guò)程中是處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，安全帶的約束保護(hù)作用不明顯，在發(fā)生碰撞時(shí)，即使儀表板裝配了膝部氣囊也不能避免乘員下肢與內(nèi)飾件碰撞帶來(lái)的損傷。《車輛事故深度調(diào)查概論》中相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在汽車各類碰撞事故中，下肢是僅次于頭面部、胸部，最容易受到損傷的部位[2]。乘員下肢包含骨盆、大腿、膝蓋、小腿和腳踝5個(gè)部分，盡管在事故中受傷很少會(huì)危及生命，但是會(huì)造成癱瘓或行走不利，會(huì)給傷員的身體和心理帶來(lái)雙重打擊，并且 70%的下肢損傷發(fā)生在正面碰撞中[2]。所以本文把研究重點(diǎn)放在非位離狀態(tài)下發(fā)生前碰撞時(shí)汽車儀表板及相關(guān)部件的吸能結(jié)構(gòu)對(duì)乘員下肢的保護(hù)性。

1 乘員下肢損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 C-NCAP腿部指標(biāo)

在 C-NCAP實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，目前主要采用HybridⅢ型假人，通過(guò)在腿部安裝傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要有膝蓋滑移位移、大腿骨軸向壓縮力、脛骨壓縮力、脛骨指數(shù) 4項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)置上限值和下限值，并根據(jù)滑尺比例法確定具體分值。

1.1.1 膝蓋滑移位移

在汽車前碰撞事故中，膝蓋與儀表板撞擊會(huì)造成擠壓變形，當(dāng)撞擊力傳導(dǎo)至膝蓋下方時(shí)，膝蓋受到剪切力作用會(huì)導(dǎo)致十字韌帶損傷，甚至斷裂。所以把膝蓋滑移位移作為表達(dá)膝蓋受到撞擊力沖擊程度的參數(shù)，用 mm 表示，上限值 15mm，下限值 6mm，小于6mm得滿分。

1.1.2 大腿骨軸向壓縮力

在前碰撞中，大腿骨骨折主要是由于受到從膝部傳導(dǎo)來(lái)的軸向壓縮力，當(dāng)軸向壓縮力過(guò)大時(shí)甚至能引起盆骨骨折，用kN表示，上限值為9.07kN和下限值3.8kN，小于3.8kN得滿分。

1.1.3 脛骨壓縮力

脛骨壓縮力F是指沿小腿軸向傳導(dǎo)來(lái)的壓力，可以直接由脛骨處載荷傳感器采集的數(shù)據(jù)獲得，壓力過(guò)大能引起小腿脛骨骨折、腳踝脫臼等損傷，用 kN表示，上限值為 8kN，下限值 1.3kN，小于 1.3kN得滿分。

1.1.4 脛骨指數(shù)

脛骨指數(shù)TI是綜合小腿脛骨軸向壓力和彎曲力矩計(jì)算得出式(1)，分為脛骨上部和下部 2個(gè)部分，上限值為2，下限值0.4。

其中，F(xiàn)為脛骨軸向壓力，用 kN 表示；FC為臨界壓縮力，取 35.9kN；MC為臨界合成轉(zhuǎn)矩；Mx為x方向的轉(zhuǎn)矩。

在 C-NCAP的已測(cè)試且公布成績(jī)的 52款車型中，正面 100%碰撞試驗(yàn)中大腿和小腿部位的平均得分為 1.69分和 1.20分[3]。大部分車型的前碰撞腿部指標(biāo)都有失分情況，并且由于小腿處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更容易失分，目前還沒(méi)有獲得滿分的車型。

除此之外，踏板的滑動(dòng)位移也被列為評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)。當(dāng)踏板的向后滑動(dòng)量小于 100mm時(shí)不扣分，大于 200mm時(shí)扣 1分；當(dāng)踏板的向上滑動(dòng)量小于72mm 時(shí)不扣分，大于 88mm 時(shí)扣 1分。對(duì)于中間值，則采用線性插值法計(jì)算得分。

1.2 影響下肢損傷的主要因素

由于腿部在駕駛過(guò)程中一直處于自由狀態(tài)，安全帶對(duì)腿部的保護(hù)作用不明顯，汽車車身的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、儀表板的緩沖吸能設(shè)計(jì)、腿部空間設(shè)計(jì)、踏板的可潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)腿部的保護(hù)作用更為重要。從汽車部件受到撞擊后的變形情況來(lái)看，小腿骨折主要是由于踏板未潰縮導(dǎo)致對(duì)脛骨傳導(dǎo)的軸向力過(guò)大或在撞擊過(guò)程中腳部滑脫踏板夾在踏板下面扭轉(zhuǎn)所致[4]，目前一部分車型采用可潰縮式制動(dòng)踏板，當(dāng)受到外部撞擊力后支架變形，使制動(dòng)桿和踏板分離脫落，從而保護(hù)腳部和小腿。為了避免腳部從踏板滑脫，制動(dòng)踏板的外形尺寸也不能設(shè)計(jì)得太小，并盡可能降低腳部背曲，從而保護(hù)腳踝不會(huì)扭傷。一部分高檔轎車和電動(dòng)汽車采用電子傳感器控制汽車加速、減速和剎車，這樣的設(shè)計(jì)拆除了油門踏板和制動(dòng)踏板及相關(guān)支架和構(gòu)件，更好地優(yōu)化了腿部空間，也提升了對(duì)乘員腿部的保護(hù)作用。但是受限于較高的生產(chǎn)成本和傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣，以及電子傳感器的安全穩(wěn)定性、智能化發(fā)展等因素的影響，目前還沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)車型中。

膝部、大腿、骨盆骨折或挫傷主要是由于與儀表板、手套箱的二次碰撞引起的，所以儀表板的安全設(shè)計(jì)、內(nèi)飾組件的吸能結(jié)構(gòu)、膝部安全氣囊的智能匹配也是至關(guān)重要的。通過(guò)在儀表板和膝部接觸的部位進(jìn)行材料剛度的仿真實(shí)驗(yàn)可以了解到接觸部位采用略微偏軟的彈性材料能夠有效降低碰撞時(shí)膝部和大腿的接觸力，起到良好的保護(hù)效果。另外，車身前部結(jié)構(gòu)及緩沖吸能性能、乘員室的碰撞變形量以及車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等剛性零件的侵入量也是影響乘員下肢損傷的主要因素。

2 汽車儀表板的安全設(shè)計(jì)

2.1 膝部氣囊的保護(hù)作用和不足

膝部氣囊位于方向盤下方儀表板內(nèi)部，受到碰撞時(shí)，氣體發(fā)生器收到點(diǎn)爆信號(hào)進(jìn)行充氣。充氣后氣帶撕開盒體沿儀表板表面進(jìn)行延伸，向上覆蓋小腿和膝蓋，向下覆蓋到腳踝位置，在 30s內(nèi)迅速填充滿腿部與儀表板之間的空隙。

由于腿部與儀表板之間的空隙比較狹窄，膝部氣囊的氣袋大多做成扁平長(zhǎng)方形或梯形氣墊狀，容積為12～16L，氣體發(fā)生器的輸出壓強(qiáng)控制在 205～250kPa。其主要的構(gòu)成部件如圖1所示，包含氣囊盒面板、氣袋、氣體發(fā)生器、壓力傳感器、氣囊盒支架及墊片。氣體發(fā)生器是氣囊的核心部件，一般采用迭氮化鈉為燃料，其化學(xué)性能穩(wěn)定，且燃燒后產(chǎn)生氮?dú)猓?40～105℃的溫度區(qū)間都可以正常工作。通過(guò)調(diào)整助燃劑比例可以比較容易地控制燃燒速度和充氣量。氣袋要求包裝體積小、面料不易燃燒且耐熱、耐微生物腐蝕；在收到壓力傳感器的信號(hào)激勵(lì)后完成充氣，并能快速展開且在整個(gè)碰撞過(guò)程中保持一定的剛度，有較好的彈性與較低的空氣滲透性；即使被壓扁也能避免腿部與儀表板直接接觸，尺寸穩(wěn)定。氣袋一般設(shè)計(jì)成多氣室結(jié)構(gòu)，用以限制氣室內(nèi)部氣體的流動(dòng)，從而保證在整個(gè)碰撞過(guò)程中都保持一定的剛度，如圖2所示。

圖1 膝部氣囊構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of knee airbag

雖然氣囊能夠有效的保護(hù)乘員腿部，但是由于其制造成本高，目前市場(chǎng)上主流的經(jīng)濟(jì)適用型轎車基本都沒(méi)有配備，而且不可重復(fù)利用，氣體發(fā)生器在點(diǎn)爆后或超過(guò)使用安全期限后需要整體更換氣囊，維修費(fèi)用較高。

2.2 座椅坐墊氣囊的保護(hù)作用和不足

市場(chǎng)上的一部分高級(jí)轎車會(huì)在駕駛員及副駕駛員的座椅坐墊中配備安全氣囊，發(fā)生事故時(shí)該氣囊并不會(huì)彈出來(lái)，而是通過(guò)充氣改變坐墊的高度，影響乘員的坐姿，以起到保護(hù)作用。在佩戴好安全帶的前提下，充氣后可以讓成員軀干后仰一定的角度來(lái)減少與儀表板的接觸傷害，同時(shí)大腿和小腿整體被抬高，避免制動(dòng)桿和踏板對(duì)韌帶的損傷。

但是氣囊充氣后不能重復(fù)利用，更換時(shí)要和座椅總成一起更換，維修費(fèi)用較高。

2.3 安全帶氣囊的保護(hù)作用和不足

另外，一些轎車也會(huì)另辟蹊徑，將安全帶與氣囊結(jié)合，發(fā)生事故時(shí)安全帶內(nèi)部進(jìn)行充氣，會(huì)膨脹到原來(lái) 5倍的體積，將乘員與座椅固定在一起，以避免二次碰撞帶來(lái)的傷害，如圖3所示。

這種安全帶氣囊對(duì)乘員的頭部和頸部保護(hù)作用良好，但是對(duì)于腿部的保護(hù)作用比較微弱，而且成本較高，不適宜推廣。

2.4 儀表板吸能設(shè)計(jì)方案

在保證儀表板造型面不變的前提下，如果不裝配膝部氣囊，儀表板橫梁和儀表板下板是吸收碰撞能量保護(hù)乘員腿部的主要部件，是優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)。

對(duì)儀表板和膝部接觸部位的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用略微偏軟的彈性材料作為吸能塊添加到碰撞變形部位來(lái)吸收一部分碰撞能量，具體方案如下：

①在保證儀表板橫梁強(qiáng)度要求和周邊零部件搭載要求的前提下，去掉冗余的粉色支架，見圖4；

②為了避免儀表板受到碰撞力后直接與橫梁接觸，增加了茶色吸能塊，并且為了固定吸能塊，增加了樹脂支架，見圖5；

圖5 增加茶色吸能塊Fig.5 Add brown energy absorbing box

③把儀表板駕駛席下板與氣囊盒面板合成為一個(gè)部件，為了滿足汽車內(nèi)飾造型不變的要求，部件基材采用和原部件相同的樹脂材料，僅對(duì)新部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整零件背面加強(qiáng)筋的形狀和厚度來(lái)改善零件的強(qiáng)度和變形能力；

④為了提升合成部件的吸能效果，在其兩側(cè)與周邊部件卡接位置處增加了吸能塊；

⑤建立吸能塊的仿真模型，對(duì)吸能塊的位置、形狀和材料剛度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬碰撞時(shí)儀表板的受力情況，以選出吸能塊各參數(shù)的最優(yōu)組合；

⑥制作吸能塊樣品，進(jìn)行實(shí)物組裝，檢查生產(chǎn)裝配性能。

作為后續(xù)的研究方案，如果造型可以進(jìn)行少量調(diào)整，在前述方案的基礎(chǔ)上還可以替換新部件表面的基材，采用硬度可調(diào)且回彈性好的TPE材料做表面，采用 PP/PE樹脂做加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙色注塑工藝將兩種材料的結(jié)構(gòu)整體加工出來(lái)。

這種新型的吸能零件既不影響美觀，也能在最大程度上避免二次碰撞帶來(lái)的損傷，且有成本優(yōu)勢(shì)，適于推廣。

2.5 實(shí)車前碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

目前耐撞性測(cè)試有 3種類型，即零部件試驗(yàn)、臺(tái)車試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)。其中實(shí)車碰撞試驗(yàn)是模擬事故程度最高的，其得到的碰撞數(shù)據(jù)對(duì)零部件試驗(yàn)、臺(tái)車試驗(yàn)同樣有效，實(shí)車碰撞的結(jié)果除了對(duì)約束系統(tǒng)有指導(dǎo)意義外，對(duì)于儀表板的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也同樣具有指導(dǎo)意義，所以本次采用該方法進(jìn)行校核。下面具體介紹其試驗(yàn)步驟：

①調(diào)整實(shí)車碰撞角度；

②連接氣囊引爆器，設(shè)定引爆時(shí)間；

③安放假人，調(diào)整假人姿勢(shì)，系好安全帶，在假人頭部加涂顏料；

④固定各種引線，避免固定不良物品影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

⑤將實(shí)車調(diào)整到發(fā)射位置，調(diào)整高速攝像機(jī)位置，進(jìn)行攝像準(zhǔn)備；

⑥開啟照明設(shè)備，實(shí)車加速設(shè)備進(jìn)行加速準(zhǔn)備；

⑦發(fā)射實(shí)車(速度 48.6km/h，參照 GB11551—2014)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)；

⑧停止后對(duì)碰撞后狀態(tài)進(jìn)行拍照、檢查。

對(duì)儀表板裝配膝部氣囊和裝配吸能結(jié)構(gòu) 2種方案都進(jìn)行實(shí)車前碰撞測(cè)試，下面對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表 1所示。對(duì)比項(xiàng)目列出了頭、頸、胸部、大腿、小腿在前碰撞測(cè)試中的傷害值，有膝部氣囊指優(yōu)化前配置了 D席膝部氣囊的實(shí)車，無(wú)膝部氣囊指優(yōu)化后沒(méi)有D席膝部氣囊的實(shí)車。

表1 兩種狀態(tài)的實(shí)車前碰撞結(jié)果進(jìn)行對(duì)比Tab.1 Comparison of real vehicle frontal impactresults in two states

3 結(jié) 論

從實(shí)車碰撞結(jié)果來(lái)看，安裝膝部氣囊對(duì)乘員腿部有更好的保護(hù)作用，同時(shí)也能在一定程度上降低駕駛員的頭部傷害值。優(yōu)化吸能結(jié)構(gòu)的儀表板也在很大程度上保護(hù)了乘員腿部，大腿得分為 2分，小腿得分為 1.762，對(duì)比其他 52款車型大腿和小腿部位的1.69分和1.20分平均成績(jī)，高于市場(chǎng)平均水平。結(jié)合制造成本和維修成本綜合考慮，用吸能結(jié)構(gòu)代替膝部氣囊也是不錯(cuò)的選擇。

目前采用柔性材料制作轉(zhuǎn)向柱蓋板、儀表臺(tái)、膝部蓋板等零件也在研討當(dāng)中，比較常見的是在零件外表面包覆發(fā)泡及表皮，以緩解碰撞時(shí)和人體接觸的作用力。但是受到造型及成本限制，并不是所有與人體的接觸的表面都能采用該方法。所以未來(lái)的研究方向是采用 TPE等硬度可調(diào)材料制作零件的外表面，配合零件內(nèi)部合理的潰縮吸能結(jié)構(gòu)，來(lái)緩解碰撞時(shí)和人體接觸的作用力。