FLEX PLI腿型膝部韌帶彈簧調節優化方法

賴政劍

（阿維塔科技有限公司，重慶 401120）

隨著人們生活水平的提高，轎車作為代步工具，普及率逐年提升。近年，中國轎車市場增長率達到了 6%～9%。汽車成為人們生活必需品的同時，道路交通事故量也在逐年增長，汽車安全性能已經受到消費者的重視[1-2]。為了準確評估新車安全性能，國內外的歐洲新車評價流程（Europe New Car Assessment Program, E-NCAP），中國新車評價流程（China-New Car Assessment Program,C-NCAP），聯合國歐洲經濟委員會汽車法規（Economic Commission of Europe, ECE），全球統一汽車技術法規等新車安全性能法規，逐漸趨于完善[3-6]。在所有安全性能評估法規中，行人保護腿型試驗均占有一定比重。為了公平準確地評估新車對行人腿型造成的傷害程度，采用統一標準的腿型沖擊模塊[7-8]。目前，較為成熟的模塊是FLEX PLI腿型，其膝部測量值有內側副韌帶（Medial Collateral Ligament, MCL）、前十字韌帶（Anterior Cruciate Ligament, ACL）、后交叉韌帶（Posterior Cruciate Ligament, PCL），均會作為行人保護安全性能的重要指標。FLEX PLI腿型使用一年或者出現異常時，必須進行靜態標定校準。這是保證 FLEX PLI腿型試驗結果準確的重要方法。然而，在FLEX PLI腿型靜態標定過程中，普遍采用試錯法調整腿型狀態，這種方法對 FLEX PLI腿型膝部標定結果的影響很不穩定，大概率出現如圖1所示不通過的標定結果。對于FLEX PLI腿型膝部標定不通過狀態，無法判斷是腿型沒調整到位，還是腿型膝蓋中的韌帶彈簧性能下降到極限。為此需要一種將FLEX PLI腿型膝部調整到最佳狀態的方法。

圖1 FLEX PLI腿型膝部MCL標定結果

1 膝部標定判定值

使用FLEX PLI腿型進行行人保護試驗時，膝部韌帶指標在整車評價中占有很大比重。所以，每年定期或試驗數據出現異常，需要對內置傳感器——位移傳感器、加速度傳感器進行校準。在位移傳感器、加速度傳感器拆卸校準或者更換其他部件后，FLEX PLI腿型膝部模塊，均需要重新組裝，組裝后按照C-NCAP管理規則進行標定。在組裝膝部模塊過程中，調整圖 2中標號螺母 1記為nut1、螺母2記為nut2、螺母3記為nut3、螺母4記為nut4的韌帶彈簧壓緊螺母，以調節韌帶彈簧壓縮量，使MCL在如圖3所示的容差上下限內，使ACL、PCL在如圖4所示的容差上下限內。所以，調節韌帶彈簧壓緊螺母，控制韌帶彈簧壓縮量，對膝部模塊標定結果至關重要。

圖2 FLEX PLI腿型膝部側面

圖3 FLEX PLI腿型膝部標定MCL判斷值

圖4 FLEX PLI腿型膝部標定ACL和PCL判斷值

測量結果越靠近容差中間值，腿型膝部調教的越好，故容差中間值為腿型膝部性能最佳指標。為方便定量分析試驗測試曲線與腿型標定結果容差的關系，引入參數MV作為測量的MCL曲線中，距離容差中間值最遠的測量值，表示其性能偏差。引入參數AV作為測量的ACL曲線中，距離容差中間值最遠的測量值，表示其性能偏差。引入參數PV作為測量的PCL曲線中，距離容差中間值最遠的測量值，表示其性能偏差。計算方法為

式中，MU為上限值；ML為下限值；Mmcl為MCL的測試值。

式中，AU為上限值；AL為下限值；Aacl為ACL的測試值。

式中，PU為上限值；PL為下限值；Ppcl為PCL的測試值。

通過上述公式，計算出標定試驗測量的MCL、ACL、PCL曲線的性能偏差MV、AV、PV（最靠近容差中間值的最大距離）。該值趨近于0時，彈簧壓縮量調整為最佳狀態。

2 影響因子確定

由FLEX PLI腿型靜態標定過程，不難得知韌帶彈簧壓縮量直接影響膝部標定結果。然而，韌帶彈簧壓縮量是由如圖 2所示的四排壓緊螺母松緊程度所決定。故四排螺母nut1、nut2、nut3、nut4的松緊程度成為膝部標定的可控影響因子。螺母擰入螺栓，測量螺紋露出長度，可直接表示四排壓緊螺母的松緊程度。當螺紋露出長度為 0 mm時，作為低水平，當螺母沒入膝部模塊孔內，不能再擰入時，作為高水平，測量螺紋露出長度為3.4 mm。采用Minitab，進行部分因子試驗設計。

3 Minitab部分因子試驗設計及優化

使用Minitab工具產生試驗計劃，如圖5所示，按照試驗計劃矩陣進行8次標定試驗，分別得到相應的Mmcl、Aacl、PPCL，使用式（1）、式（2）、式（3），計算出MV、AV、PV。

圖5 Minitab產生的試驗矩陣

采用Minitab中的因子分析，得到如圖6所示的標準效應圖。從MV、PV、AV標準效應圖中可以得到，第四排彈簧的松緊程度對柔性腿膝部標定所有指標的影響最大，第二排彈簧松緊對 PCL的標定結果影響較大，第三排彈簧松緊對ACL的標定結果影響較大，第一、二、三排彈簧松緊對MCL的標定結果均有一定影響。

圖6 標準效應圖

根據前面分析可知，韌帶彈簧壓縮量調整為最佳狀態時，MV、AV、PV均需要趨近于0。使用Minitab中的優化響應器進行優化處理，結果如圖7所示，得到nut1、nut2、nut3、nut4螺紋露出長度分別為2.7 mm、3.1 mm、3.2 mm、0.9 mm時，靜態標定輸出結果最接近中間值，柔性腿調整為最佳狀態。

圖7 優化結果圖

4 試驗驗證優化結果

將nut1、nut2、nut3、nut4螺紋露出長度分別調整至優化結果2.7 mm、3.1 mm、3.2 mm、0.9 mm，進行標定試驗。標定結果如圖8、圖9所示。MCL與中間值的最大距離為6.11 Nm，在±17 Nm判斷范圍內，ACL與中間值的最大距離為-0.11 mm，在±1 mm判斷范圍內，PCL與中間值的最大距離為0.09 mm，在±1 mm判斷范圍內。

圖8 試驗驗證結果MCL

圖9 試驗驗證結果ACL和PCL

5 總結

試驗所用的優化后腿型測試結果與理論測試優化值存在一定誤差，與螺紋調節精度和膝部模塊的復合剛度有一定關系。但不影響使用Minitab對柔性腿膝部韌帶調節的優化。根據Minitab優化過程，得出結論如下：

（1）膝部韌帶螺母松緊程度，對MCL、PCL、ACL均有較大影響。

（2）通過Minitab優化螺母松緊程度，可以使韌帶性能達到最優狀態。由于韌帶彈簧自身性能影響，不能確定測試結果在要求范圍內。