某皮卡車型乘員保護性能分析

劉曉東，陳 開，王瀚楓，栗 國，胡帛濤

某皮卡車型乘員保護性能分析

劉曉東，陳 開，王瀚楓，栗 國，胡帛濤

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

基于2024版中國新車評價規程（C-NCAP），對某皮卡車型的乘員保護性能進行了研究，以提升該皮卡被動安全性能。對C-NCAP下皮卡車型的乘員保護測評內容進行了解析，對該皮卡車型的乘員艙空間尺寸、車身結構碰撞指標與多款乘用車進行了對比研究，對C-NCAP各碰撞工況下約束系統性能進行了仿真分析，并針對乘員保護重要問題點結合假人傷害進行了優化分析。結果表明，皮卡車型乘員正面與側面空間較為充足，但正面工況侵入量偏大，通過合理的油門踏板、座椅和氣囊設計，能有效的改善皮卡乘員保護性能。

皮卡；乘員保護；約束系統；C-NCAP

21世紀以來，隨著中國經濟的快速發展，國民用車需求也在極速增長，農村或城鄉結合地區，對既能載人且兼顧拉貨這一類多用途工具車的需求逐年上升[1-2]。皮卡車型采用乘用車式車頭和駕駛室，并帶有敞開式貨廂，低矮車身易于裝卸一噸左右貨物[3]，同時又具有乘用車的配置和舒適性，兼顧了乘用車和商用車的優點，被廣泛應用于城鄉物流運輸工作中[4-5]。全國多個城市陸續出臺了皮卡進城解禁政策[6]，并伴隨著相關利好政策的不斷落地實施，以及市場內外部環境的持續改善，皮卡車型的銷量得到較大增長。

用戶對于皮卡車型的要求，已經從商用車功能，升級到不斷提升內飾品質、安全性能、駕駛樂趣等乘用化體驗[7-8]，安全性能成為用戶最為關注的性能之一。目前國內乘用車，包含轎車、運動型多功能車（Sports Utility Vehicle, SUV）、多功能乘用車（Multi Purpose Vehicles, MPV）等，基于中國新車評價規程（China New Car Assessment Programme, C-NCAP）的碰撞安全性能開發技術，經過多年發展，已經較為完善。而皮卡車型屬于多功能貨車范疇，2022年之前未被納入C-NCAP評價車型范圍，碰撞安全性能開發以針對國標工況為主，基于C-NCAP的開發技術相對不成熟。

皮卡車型按照重量、尺寸和載重等因素，可分為緊湊型皮卡、中型皮卡、全尺寸皮卡、噸卡等。本文基于某中型皮卡的碰撞安全性能開發過程，對2024版C-NCAP規程下該皮卡的乘員保護性能開發進行了研究。

1 C-NCAP皮卡測試工況解析

2021年10月21日，中汽中心汽車測評管理中心發布了《C-NCAP管理規則（2021年版）》修訂說明，選車范圍增加了最大設計總質量小于等于3.5 t的皮卡車（多用途貨車），提出皮卡車按照《C-NCAP管理規則（2021年版）》中的單排座車進行測試評價，并于2022年1月開始實施，這對新推出的皮卡產品安全性有了更高的要求。

2024版C-NCAP對測試工況和內容進行了全面更新，根據《C-NCAP管理規則（2024年版）》草案[9]，皮卡乘員保護版塊包含如下測試工況和評價項目，如表1所示。

按照2024版規則，皮卡車型按不計后排分數，且不進行兒童保護靜態評價，乘員保護版塊滿分85分。移動漸進可變形壁（Moving Progressive Deformable Barrier, MPDB）碰撞試驗中的兼容性作為監測項目，不參與評分，后續根據觀察和試驗數據積累結果進行修訂。

本文按照2024版C-NCAP規程要求，進行了正面剛性墻（Front Rigid Wall Barrier, FRB）碰撞、正面MPDB碰撞、側面中國版可移動壁障（Suitbale for China-Moving Deformable Barrier, SC-MDB）碰撞、側面柱碰（Side Pole Barrier, SPB）及遠端乘員保護工況（Farside）下基于LS-DYNA的約束系統仿真建模分析。

表1 皮卡乘員保護版塊評價項目及分值分配

2 約束系統仿真邊界條件對比研究

仿真分析中邊界條件的惡劣與否，是影響計算結果的重要因素。約束系統匹配的邊界條件主要包括假人的初始生存空間、車身結構碰撞性能輸入。初始生存空間是未發生碰撞時，假人與車體內飾或結構件之間的空間。車身結構碰撞性能輸入，主要包含車體加速度和乘員艙變形侵入量。車體加速度，反應了碰撞的劇烈程度。乘員艙變形侵入會擠占假人的生存空間。侵入量越大，假人的實際生存空間越小。當假人初始空間大，車身加速度及入侵較友好時，約束系統匹配更容易。當假人初始空間較大，但車身結構碰撞性能輸入比較惡劣時，約束系統開發難度也會加大。

2.1 初始生存空間

該皮卡車型長5.36 m，寬1.95 m，高1.86 m，軸距3.26 m，整備質量2.17 t，采用前置四驅形式動力總成。由于皮卡車型只對前排進行測試，本文將該皮卡車型乘員艙前排主駕側生存空間與緊湊型SUV、中大型SUV、MPV車型進行了對比，結果如表2所示。正面空間數據，是將座椅、方向盤等調整至C-NCAP要求位置，放置50百分位HybridIII假人后的空間測量數據。側面空間數據，是放置50百分位WorldSID假人后的測量數據。主駕側空間數據，具有較好的代表性。HybridIII假人與WorldSID假人分別是FRB工況與柱碰工況中主駕位置假人，能分別較好的反應C-NCAP正面與側面碰撞工況中，假人生存空間的綜合情況。

表2 初始生存空間尺寸對比 單位：mm

正面空間方面，假人頭部、胸部空間略大于中大型SUV、MPV，膝蓋處空間與緊湊型SUV相當，該皮卡正面空間整體相對較為充足。側面空間方面，該皮卡與所列的MPV車型情況較為接近，大于緊湊型SUV。

綜合而言，該皮卡前排假人生存空間較為充足，與大尺寸乘用車水平相當，可以為約束系統匹配提供良好的基礎條件。

2.2 皮卡結構碰撞性能輸入指標研究

將該皮卡的結構指標與C-NCAP五星乘用車進行了對比，如表3所示。正面工況，對比了B柱下向加速度峰值及乘員載荷準則（Occupant Load Criterion, OLC）、前圍侵入量、加速踏板安裝點侵入量。側面工況，對比了柱碰與側碰工況下的前車門內板侵入量、侵入速度。Farside工況，對比了柱碰遠端向加速度峰值、OLC。

對比表3數據可知，對于正面工況的加速度指標，乘用車之間差異較大，該皮卡沒有表現出明顯的不足。但該皮卡的FRB前圍及踏板安裝點入侵量明顯較所列的乘用車偏大。結合整車碰撞仿真結果，這是由于該皮卡發動機體積較大且縱向布置，占用了機艙較大的正面吸能空間，碰撞過程中動力總成擠壓前圍板與轉向機構，造成結構入侵較大。

表3 結構指標對比

柱碰入侵量相對較高，遠端側向加速度峰值與乘用車相當。這表明該皮卡抵擋剛性柱入侵時，側面結構剛度相對不足。相對參考乘用車，該皮卡由于B柱及門檻區域結構件厚度偏小，變形較大。采用了非承載式車身設計，但承載大梁較早彎折變形，未能有效降低柱碰中車身變形。在SC-MDB側碰中皮卡底盤相對較高，門檻結構能有效吸收部分碰撞能量，車門及B柱變形能夠滿足預期要求。

總體而言，皮卡車型乘員艙空間與大尺寸乘用車相當，正面、側面碰撞中車體加速度指標也基本達到開發目標要求。但乘員艙入侵變形較大，可能會導致假人相關部位出現較大傷害。

3 約束系統開發設計

3.1 約束系統仿真分析

基于DYNA有限元分析方法，搭建約束系統仿真模型，進行C-NCAP 2024下各工況分析。約束系統配置方面，采用了雙預緊限力式安全帶，配備駕駛員氣囊（Driver Air Bag, DAB）、乘員氣囊（Passenger Air Bag, PAB）、側氣囊（Side Air Bag, SAB）、簾式氣囊（Curtain Air Bag, CAB）及遠端保護氣囊（Farside Air Bag, FAB）。各工況下，進行了安全帶限力等級、氣囊氣孔、氣囊拉帶長度等約束系統基礎參數的匹配分析，得到假人各部位得分結果。

FRB工況下，假人各部位得分如表4所示，主駕胸部及小腿區域得分不足。小腿區域TI值較大，結合仿真動畫，這是由于踏板入侵造成小腿彎矩M過大造成的。胸部區域肋骨壓縮量比目標值略大。

表4 FRB工況得分

MPDB工況得分高于FRB，滿足五星開發目標要求，如表5所示。SC-MDB工況，得分同樣較好，假人各部位沒有出現扣分。

表5 MPDB工況得分

柱碰工況，胸部壓縮量得分1.5分，但由于肩部力超過極限值3 kN，導致胸部綜合得分為0，如表6所示。腹部壓縮量超過高性能限制，出現0.42罰分。假人撞擊側胳膊抬起不足，橫向擠壓肩部傳感器。SAB包型對腹部覆蓋區域不足，造成門內飾直接擠壓腹部。

表6 SPB工況得分

FARSIDE工況評價，需結合柱碰脈沖，對八個滑臺工況進行分析，通過假人頭部偏移量和各部位傷害值綜合評價計算單個滑臺得分，取所有滑臺得分平均值作為最終得分。仿真結果如表7所示，假人傷害值未出現超標問題，但頭部偏移量出現罰分。FARSIDE得分7分，低于目標7.6分。

表7 Farside工況得分

對約束系統主要問題點進行總結，如下所述：

1）由于踏板入侵FRB主駕小腿傷害較大；

2）FRB主駕胸部傷害偏大；

3）柱碰肩部、腹部傷害較大；

4）FASIDE下，FAB氣囊無法有效支撐假人頭部。

基于上述問題，對油門踏板、座椅及氣囊等約束系統零部件進行了優化設計。

3.2 油門踏板優化設計

采用可斷裂式踏板結構進行優化分析，小腿部受踏板作用造成的彎矩值降低，如圖1所示，腿部得分改善。

圖1 小腿彎矩My優化

3.3 前排座椅結構優化設計

乘用車前排座椅的防下潛結構設計較為成熟，可以對假人骨盆的前向滑動起到有效限制作用。當前皮卡的座椅防下潛結構較弱，假人相對座椅的前向位移較大，不利于胸部保護，也增加了下潛風險，優化方案中增加防下潛結構，如圖2所示部件。

圖2 座椅優化示意圖

增加防下潛梁結構后，FRB工況中假人前移量減小，胸部壓縮量改善約2 mm，如圖3(a)所示。MPDB工況中假人髂骨力變化速率峰值減小，下潛風險降低，如圖3(b)所示。

圖3 座椅優化前后傷害曲線對比

3.4 SAB氣囊優化設計

對SAB包型進行優化，適當縮小氣囊肩部區域，增加氣囊底部對假人腹部覆蓋范圍，如圖4所示。

圖4 SAB包型優化設計

優化后SAB展開時會上頂假人胳膊，胳膊抬起更高，肩部力改善，腹部壓縮量降低，如圖5所示。

圖5 SAB優化前后傷害曲線對比

3.5 FAB氣囊優化設計

初始單腔FAB氣囊對頭部支撐作用不足，頭部偏移等級較大。優化方案中，采用雙腔FAB包型，FARSIDE頭部偏移量改善明顯，如圖6所示，得分滿足了目標要求。

圖6 FAB優化前后同時刻頭部位移對比

4 結論

本文基于2024版C-NCAP規程，對某中型燃油皮卡的乘員保護性能進行了研究，主要結論如下：

1）相對于乘用車，皮卡車型乘員艙空間較為充足，可以為乘員保護開發提供良好的基礎條件。但正面、側面乘員艙入侵變形均較大。車身結構碰撞性能優化將是皮卡車型碰撞性能開發的重點問題。

2）采用斷裂式踏板，可以改善由于結構入侵造成的小腿傷害過大問題。

3）座椅設計中，需要關注是否具備有效的防下潛結構，防止假人前向滑動過度。

4）SAB氣囊包型設計中，需關注假人運動姿態、氣囊對假人各部位的覆蓋區域是否合理。

5）FAB氣囊包型設計中，需要重點關注是否對假人頭部起到側向支撐作用。

本文研究內容可為皮卡車型乘員保護性能開發提供參考。

[1] 舒余安.皮卡汽車駕駛室的人機工程學研究[D].南 昌:南昌大學,2005.

[2] 王魏.混合動力皮卡車輛動力總成域實時控制關鍵技術研究[D].保定:河北農業大學,2021.

[3] 常浩.基于有限元仿真優化的某皮卡車型正碰安全性開發[D].北京:清華大學,2018.

[4] 張成,黃勤.某乘用型皮卡排氣系統性能試驗與仿真分析[J].南方農機,2023,54(2):137-140.

[5] 沈志偉.皮卡正面碰撞時車身主要吸能部件抗撞性的研究分析[D].長春:吉林大學,2007.

[6] 黃毅,鐘根丁,熊德明,等.某商用皮卡NVH性能試驗[J].汽車實用技術, 2022,47(16):96-99.

[7] 田國紅,齊登科,孫立國.某皮卡正面碰撞模擬仿真研究[J].汽車實用技術,2016,41(1):114-116.

[8] 廣云鵬.某皮卡車架輕量化分析與碰撞性能驗證[D].邯鄲:河北工程大學,2016.

[9] 中國汽車技術研究中心有限公司.C-NCAP 管理規則( 2024版草案)[S].天津:中國汽車技術研究中心有限公司,2023.

Analysis of the Occupant Protection Performance for a Pickup Truck

LIU Xiaodong, CHEN Kai, WANG Hanfeng, LI Guo, HU Botao

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

Under the 2024 version of the China new car assessment programme (C-NCAP), the occupant protection performance of a pickup truck is studied with the aim of improving the passive safety performance of the pickup truck.The occupant protection evaluation content of the C-NCAP for pickup truck model is analyzed, the passenger compartment space and body structure collision indicators of the pickup truck are compared with a variety of passenger cars, the performance of the restraint system under each collision condition of C-NCAP is simulated and analyzed, and the important problems of occupant protection are optimized combined with dummy injury. The research shows that the front and side space of the pickup truck occupants are sufficient, but the intrusion of the front working conditions is large, and the protection performance of the pickup truck occupants can be effectively improved through reasonable accelerator pedal, seat and airbag design.

Pickup truck; Occupant protection; Constraint system; C-NCAP

U463

A

1671-7988(2023)21-71-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.015

劉曉東（1988－），男，碩士，高級工程師，研究方向為汽車被動安全領域，E-mail:liuxiaodong@catarc.ac.cn。