基于2021版C-NCAP儀表板五星膝碰研究

摘" 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車從“零死亡”向“零傷亡”再向“零事故”的終極目標(biāo)不斷前進(jìn)，汽車的安全性尤其是碰撞安全越來越受到人們的關(guān)注。相較于2018版C-NCAP，2021版儀表板knee-mapping試驗(yàn)采用正面50%重疊移動漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗(yàn)（MPDB）替代了正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)，同時引入了可變區(qū)域接觸和集中力載荷的評分要求以及試驗(yàn)前提達(dá)成規(guī)則，評分要求越趨嚴(yán)格。本文基于對2021版C-NCAP膝碰評分規(guī)程解讀，探索并提出達(dá)成五星膝碰的儀表板設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：C-NCAP；儀表板；五星膝碰

中圖分類號：U467.1+4" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "文章編號：1005-2550（2024）01-0061-09

Based on the 2021 C-NCAP of IP Five-star Knee-mapping Research

LI Wei， YE Qin， KANG Sheng-li， WANG Hong-ming， HE Qiao-li

（ Dongfeng Motor Corporation Researchamp;Development Institute，Wuhan 430058， China）

Abstract： With the development of the automobile industry， the ultimate goal of automobile from \"zero death\" to \"zero casualties\" and then to \"zero accidents\" continues to move forward， and the safety of automobiles， especially collision safety， has attracted more and more attention. Compared with C-NCAP 2018 version， knee mapping test of instrument panel 2021 version adopts front 50% overlap moving progressive deformation barrier crash test （MPDB） to replace front 40% overlap deformable barrier crash test， and introduces the scoring requirements of variable area contact and concentrated force load as well as the test prerequisite to achieve rules. Based on the interpretation of C-NCAP knee touch scoring procedures for 2021 edition， this paper explores and proposes a dashboard design method to achieve five-star knee-mapping.

Key" Words： C-NCAP; Instrument Panel; Five-Star Knee-Mapping

引" " 言

C-NCAP按照乘員保護(hù)、行人保護(hù)和主動安全三個部分的綜合得分率來進(jìn)行星級評價，其中乘員保護(hù)中的100%正面碰撞和MPDB碰撞與膝碰相關(guān)，分值分別2分和4分，占比分值較大，按照C-NCAP星級評定方案，整車碰撞若要達(dá)到C-NCAP五星需要綜合得分率達(dá)到超過83%且小于92%（如表1），同時乘員保護(hù)、行人保護(hù)和主動安全同時達(dá)到相應(yīng)閾值，而其中綜合得分率=乘員保護(hù)部分得分率×60%+行人保護(hù)部分得分率×15%+主動安全部分得分率×25%，由此可見達(dá)成五星C-NCAP條件即為苛刻，經(jīng)統(tǒng)計[1]，五星級車的膝碰滿分車型占比100%，避免大腿扣分成為五星車必保項(xiàng)。

本文基于某車型儀表板的設(shè)計開發(fā)、CAE仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，探索并提出了達(dá)成五星膝碰的儀表板設(shè)計可行方法。

1" " 2021版KNEE-MAPPING法規(guī)解讀與歸納

1.1" "2021版KNEE-MAPPING總況說明

1）在正面100%碰撞中，對大腿和膝部評分有修正，修正包括可變區(qū)域接觸和集中力載荷兩部分。對于每條腿單獨(dú)評估，并在對應(yīng)的腿部得分基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

2）為避免大腿/膝部的修正，可通過KNEE-MAPPING試驗(yàn)來證明在劃定的風(fēng)險區(qū)域內(nèi)大腿力載荷應(yīng)小于3.8kN，膝位移小于6mm，否則修正適用。

3）KNEE-MAPPING試驗(yàn)在滑臺上進(jìn)行。在進(jìn)行正式KNEE-MAPPING測試前，必須進(jìn)行滑臺與整車碰撞之間的性能驗(yàn)證試驗(yàn)。若滑臺試驗(yàn)中假人傷害指標(biāo)及儀表板破壞程度與整車相似，則可以進(jìn)行正式的KNEE-MAPPING。

1.2" "2021版KNEE-MAPPING試驗(yàn)前提

若車輛出現(xiàn)以下情況之一，則不接受KNEE-MAPPING試驗(yàn)（如圖1）：

1）正面100%或MPDB碰撞試驗(yàn)中，駕駛員或前排乘員大腿力載荷大于3.8kN；

2）正面100%或MPDB碰撞試驗(yàn)中，駕駛員或前排乘員膝部位移大于6mm；

3）車身結(jié)構(gòu)、乘員艙完整性和（或）腳坑破裂修正適用的情況；

4）車輛A柱位移大于65mm；

5）任何正面碰撞約束系統(tǒng)裝置，如正面安全氣囊、安全預(yù)張緊器等未能正確展開。

1.3" "2021版KNEE-MAPPING評分規(guī)則

對于每條腿單獨(dú)評估，并在單獨(dú)對應(yīng)的腿部得分的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

1）在可變接觸評估區(qū)域內(nèi)，若存在可能導(dǎo)致大腿力超過3.8kN和/或膝部位移超過6mm的碰撞位置點(diǎn)，則相應(yīng)腿部得分應(yīng)被修正，修正值為-1分，車輛制造商可以通過KNEE-MAPPING試驗(yàn)消除該項(xiàng)罰分。

2）集中載荷區(qū)域，在膝碰評估區(qū)域內(nèi)，若因存在結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)而導(dǎo)致大腿力超出3.8kN的膝部接觸位置，則相應(yīng)腿部得分應(yīng)被修正，修正值為-1分，車輛制造商可以通過KNEE-MAPPING試驗(yàn)消除該項(xiàng)罰分。

3）對于駕駛員，若集中力載荷修正不適用，將上述評估區(qū)域重新劃分為轉(zhuǎn)向管柱區(qū)域和其余儀表板區(qū)域。轉(zhuǎn)向管柱區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)向管柱中心線向兩側(cè)外延60mm。對于每條腿，此時可變區(qū)域接觸-1分修正分分為轉(zhuǎn)向管柱區(qū)域-0.5分，其余儀表板區(qū)域-0.5分。

1.4" "2021版KNEE-MAPPING評分項(xiàng)目與方法

膝部風(fēng)險評價主要用來評價車輛碰撞過程中是否會對不同體位乘員膝部造成相應(yīng)的損傷，主要是在膝部可能接觸的區(qū)域內(nèi)檢查是否存在集中載荷和可變區(qū)域接觸風(fēng)險的情況。

首先，將整車100%FRB碰撞試驗(yàn)后假人膝部接觸儀表板的位置作為劃分基準(zhǔn)，確定不同體位假人膝部可能接觸的空間，這個空間我們稱為膝部評估區(qū)域。評價區(qū)域內(nèi)分為儀表板表面和向里20mm的深度區(qū)域。

其次，在評價區(qū)域內(nèi)檢查是否有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)或部件，會造成膝部集中載荷和可變區(qū)域接觸風(fēng)險。集中載荷與硬點(diǎn)相關(guān)，如果存在硬點(diǎn)，確認(rèn)是否存在傳遞介質(zhì)和路徑，能夠?qū)⒓休d荷進(jìn)行分散。判定方法是確定在硬點(diǎn)和碰撞面之間是否存在夾層結(jié)構(gòu)（如泡沫墊），其最小間距為10mm；碰撞中泡沫墊不應(yīng)移位，否則認(rèn)為填充不充分；同時不應(yīng)出現(xiàn)斷裂的情況。另一方面，即使在不存在硬點(diǎn)的情況下，較硬的儀表板和突兀的結(jié)構(gòu)造型，也會增加膝部損傷風(fēng)險，這就是所謂存在可變區(qū)域接觸風(fēng)險。是否存在集中載荷或可變區(qū)域接觸風(fēng)險最終判定是通過KNEE-MAPPING（下面簡稱KM）試驗(yàn)來確定。具體講，集中載荷修正通過KM試驗(yàn)中假人大腿載荷力是否達(dá)到3.8KN來確定；可變區(qū)域接觸修正通過大腿載荷力是否達(dá)到3.8KN或位移量是否達(dá)到6mm來確定。

最后還有一種情況是，在評估區(qū)域外，如果存在阻礙小腿運(yùn)動、造成膝部位移超出6mm的結(jié)構(gòu)，也需要進(jìn)行可變區(qū)域接觸罰分。

膝碰風(fēng)險評價主要包括4個步驟

一是評價區(qū)域劃分；二是評價區(qū)域內(nèi)風(fēng)險點(diǎn)選擇；三是臺車驗(yàn)證試驗(yàn)；四是KM試驗(yàn)與罰分確認(rèn)。

若膝部與儀表板無接觸的情況下

對于假人膝部有可能接觸不到儀表板的情況，在進(jìn)行100%FRB碰撞試驗(yàn)前，企業(yè)需提供相關(guān)信息，試驗(yàn)前需在儀表板上粘貼花泥，根據(jù)接觸位置來進(jìn)行評價區(qū)域劃分，這種情況下，不需要進(jìn)行滑臺驗(yàn)證試驗(yàn)。

1）粘貼花泥進(jìn)行試驗(yàn)后，假人膝部接觸花泥，按照接觸深度進(jìn)行評價區(qū)域劃分。

2）粘貼花泥進(jìn)行試驗(yàn)后，假人膝部未接觸到花泥，不再進(jìn)行評價區(qū)域劃分，也不再進(jìn)行膝部風(fēng)險評估。

3）未粘貼花泥進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中也未接觸儀表板。需要通過單獨(dú)假人腿型進(jìn)行評估區(qū)域劃分。

2" " 儀表板應(yīng)對knee-mapping技術(shù)方案設(shè)計

Knee-mapping試驗(yàn)中大腿有兩個評分項(xiàng)目：①大腿壓縮力、②膝蓋滑動位移量；①和②均小于高性能限值則滿分；力大于高性能限值則在“力-時間曲線”中用差值法進(jìn)行讀分[2]，滑移量大于高性能限值則通過線性差值讀分，兩者取最低分（如圖7）。

因此保證Knee-mapping試驗(yàn)滿分需設(shè)計目標(biāo)是同時保證膝部滑移量＜6mm且控制大腿壓縮力＜3.8KN。

2.1" "儀表板膝碰評價區(qū)域劃分

根據(jù)2021版Knee-mapping評價要求與罰分方法，儀表板膝碰區(qū)域劃分方法如下：

首先進(jìn)行評價區(qū)域坐標(biāo)軸定義。X向?yàn)檐囕v的碰撞方向，Y為車輛寬度方向，Z向?yàn)檐囕v高度方向。在劃分評估區(qū)域前，需要將車身調(diào)整到試驗(yàn)前的姿態(tài)。評價區(qū)域的X方向是以膝部印記接觸最低位置點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，向儀表板內(nèi)部延伸20mm形成的區(qū)域。

Y方向，對于駕駛員位置，檢查員（50百分位身材）將左腳放置在腳踏板或地板上最接近試驗(yàn)狀態(tài)時的位置。作為參考，腳跟可以在此位置基礎(chǔ)上向后移動100mm，向座椅中線方向移動50mm，同時膝部盡可能遠(yuǎn)地向左側(cè)移動。右腳放置在加速踏板上，在保持腳部不移動情況下，將膝部盡量向右移動。以確定膝部能夠接觸到的區(qū)域，若有必要，座椅可向后移動至95百分位位置。

Z方向?yàn)橄ゲ坑∮浗佑|最高位置點(diǎn)向上、向下各50mm 的區(qū)域范圍（如圖10）。

劃分完評估區(qū)域，進(jìn)行風(fēng)險點(diǎn)檢查。首先，進(jìn)行儀表板表面風(fēng)險點(diǎn)檢查；其次進(jìn)行20mm深度內(nèi)風(fēng)險點(diǎn)檢查。最后檢查評估區(qū)域外是否存在阻礙小腿運(yùn)動的機(jī)構(gòu)（如圖11）。

2.2" "儀表板造型階段技術(shù)方案設(shè)計

為了盡可能的降低膝碰風(fēng)險提高膝碰得分，在前期儀表板造型面設(shè)計時我們采用作圖法規(guī)劃儀表板型面邊界，具體作法如圖12。

步驟1：取50%混Ⅲ假人H點(diǎn)向車頭方向做一條115mm的水平線S，此線為100%正面碰撞人體最大滑移量；

步驟2：以水平線S末點(diǎn)作半徑404的圓，半徑404為50%混Ⅲ假人的大腿骨長；

步驟3：維持50%混Ⅲ假人保持腫點(diǎn)不動將加速踏板踩到下極限位置，由此得到下極限位置的踝點(diǎn)，已此踝點(diǎn)做半徑417的圓，半徑417為50%混Ⅲ假人的小腿腿骨長；

步驟4：取大腿圓和小腿圓上相交點(diǎn)做半徑67的圓，半徑67為膝蓋半徑；

步驟5：連接膝蓋圓點(diǎn)與下極限踝點(diǎn)得到小腿骨線（Tibia）[3]，將小腿骨線平行偏移100mm同時與膝蓋圓相切，已此切點(diǎn)分別做20×154和100×154長方體[2]，20×154區(qū)域?yàn)橄ヅ霭踩珔^(qū)，100×154為膝碰風(fēng)險區(qū)。

通過上述作圖法得到了20×154區(qū)域?yàn)橄ヅ霭踩珔^(qū)和100×154為膝碰風(fēng)險區(qū)，在儀表板造型設(shè)計時，儀表板的外邊界建議落在20×154的膝碰安全區(qū)，且此區(qū)域不得有尖銳凸出物，在100×154為膝碰風(fēng)險區(qū)內(nèi)若有尖銳凸出物，需保留吸能空間；

同時在Knee-mapping正碰試驗(yàn)中，若假人小腿先接觸儀表板型會形成對膝部的力臂效應(yīng)，小腿骨和大腿骨將在膝蓋處剪切撕裂導(dǎo)致滑移量超標(biāo)，如下圖所示：

為了防止小腿與儀表板型面先接觸，儀表板的型面及腿部姿態(tài)控制需滿足（如圖14）參數(shù)。

同時為了減小大腿壓縮力有以下設(shè)計方法：

①在膝部碰撞區(qū)儀表板表面以內(nèi)20mm不得布置尖銳物，不得設(shè)計剛性支架；

②膝部碰撞區(qū)（100×154矩形區(qū)）內(nèi)若有堅硬尖銳物，需保留吸能空間；

③膝部碰撞區(qū)儀表板型面應(yīng)均勻和連續(xù)，不能突變的型面，保持膝蓋接觸面均勻連續(xù)；

④膝部碰撞區(qū)域儀表板結(jié)構(gòu)弱化設(shè)計，變料厚，局部去筋，增加吸能快；

⑤膝部碰撞區(qū)域盡量不要實(shí)際實(shí)體開關(guān)按鍵，如必須設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)弱化；

3" "儀表板膝部碰撞CAE分析與優(yōu)化

采用第二章闡述的儀表板設(shè)計方法優(yōu)化儀表板造型面、環(huán)境件布置以及儀表板內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在完成第一輪3D數(shù)據(jù)后，啟動CAE仿真，對儀表板膝部碰撞進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時根據(jù)CAE仿真結(jié)果，不斷優(yōu)化儀表板結(jié)構(gòu)，直至達(dá)成膝碰不扣分的性能要求。

3.1" "儀表板膝部碰撞CAE仿真輸入和方法

CAE仿真輸入：

膝碰點(diǎn)輸入：通過第一、二節(jié)闡述的作圖法劃分膝碰區(qū)域，在膝碰區(qū)域內(nèi)任何一個卡扣安裝點(diǎn)、結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)、預(yù)掛支撐點(diǎn)、螺釘固定點(diǎn)、輪角凸出點(diǎn)、本體卡接點(diǎn)、轉(zhuǎn)向柱扣手、手套箱開啟扣手、顯示屏左右側(cè)、凸起倫邊以及懷疑有可能導(dǎo)致膝碰扣分點(diǎn)均需納入此次CAE仿真分析，本次在膝碰區(qū)域內(nèi)選取30個點(diǎn)如圖15所示。

仿真方法輸入：選取一個16.2kg剛性沖擊塊，剛性沖擊塊前部圓柱體直徑130mm，厚度55mm，后部圓柱直徑30mm，長80mm，剛性沖擊快以4.3m/s的初始速度軸向撞擊儀表板膝碰點(diǎn)（如圖16所示），要求大腿壓縮力≤3.8KN。

3.2" " 儀表板膝部碰撞CAE仿真和優(yōu)化

采用上述CAE仿真方法對儀表板膝碰點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，第一輪仿真結(jié)果如圖17所示，第一輪CAE仿真選取30個膝碰點(diǎn)，碰撞結(jié)果顯示23碰撞點(diǎn)不滿足要求，僅有7個點(diǎn)滿足要求，依據(jù)本次仿真結(jié)果對儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化方法如圖18所示。

按照上述方法完成儀表板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)優(yōu)化后開始第二輪仿真，仿真結(jié)果如圖19所示。

通過本輪仿真驗(yàn)證，儀表板所有膝碰點(diǎn)均達(dá)滿足要求。

4" " 儀表板膝部碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)儀表板完成開模，并且經(jīng)過一段時間質(zhì)量整改得到質(zhì)量相對穩(wěn)定的儀表板工裝零件后啟動對儀表板總成進(jìn)行正式滑臺摸底試驗(yàn)，摸底試驗(yàn)需要在中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）進(jìn)行[4]。

4.1" "儀表板膝碰滑臺試驗(yàn)選點(diǎn)

首先將整車100%FRB碰撞試驗(yàn)后假人膝部接觸儀表板的位置作為劃分基準(zhǔn)劃分出膝碰區(qū)域，試驗(yàn)人員在膝碰區(qū)域內(nèi)選點(diǎn)，本次試驗(yàn)中汽中心選取了6個膝碰點(diǎn)，如圖20。

本次選點(diǎn)選取了儀表板型面的凸出特征線、轉(zhuǎn)向柱扣手、顯示屏左右側(cè)以及手套箱扣手，從選點(diǎn)結(jié)果來看前期設(shè)計開發(fā)過程中風(fēng)險較大點(diǎn)均被選中，因此在設(shè)計開發(fā)過程中懷疑有膝碰風(fēng)險的點(diǎn)，均需納入CAE仿真驗(yàn)證，從仿真?zhèn)纫?guī)避優(yōu)化。

4.2" "儀表板膝碰滑臺試驗(yàn)

儀表板膝碰滑臺試驗(yàn)試驗(yàn)方法如下：

◆ 將全裝配總成的主副儀表板（含環(huán)境件）、主副駕座椅、安全約束系統(tǒng)、地毯以及前風(fēng)擋玻璃安裝至滑臺；

◆ 根據(jù)4.1節(jié)所選取的膝碰點(diǎn)，確定本次滑臺試驗(yàn)要碰撞的碰撞點(diǎn)，本次碰撞試驗(yàn)所選取的碰撞假人以及大腿姿態(tài)根據(jù)所選取的碰撞點(diǎn)來確定，試驗(yàn)過程中采用的假人以及假人的大腿擺放姿態(tài)必須要碰撞到膝碰點(diǎn)，如若碰不到膝碰點(diǎn)，試驗(yàn)人員可采取相應(yīng)工裝設(shè)備促使假人碰到膝碰點(diǎn)；

◆ 碰撞假人和大腿姿態(tài)確認(rèn)后，分別在假人膝蓋和膝碰點(diǎn)粘貼上碰撞傳感器，一切就緒后按照正面100%剛性碰撞方法對滑臺進(jìn)行碰撞，碰撞結(jié)束后讀取大腿滑移力和膝部位移，以此判斷是否滿足試驗(yàn)要求[5]。

從圖21滑臺試驗(yàn)碰撞過程圖中可以看出，試驗(yàn)采取了不同分位的假人和不同大腿擺放姿態(tài)，所有膝碰點(diǎn)均被假人膝蓋碰撞到。

4.3" "儀表板膝碰滑臺試驗(yàn)結(jié)果

滑臺碰撞試驗(yàn)結(jié)果如圖22，從試驗(yàn)結(jié)果可以得出本次試驗(yàn)選取的碰撞點(diǎn)均滿足Knee-mapping試驗(yàn)滿分要求。

5" " 總結(jié)

本文基于2021版C-NCAP法規(guī)解讀、儀表板設(shè)計方法優(yōu)化、CAE仿真論證以及膝碰滑臺試驗(yàn)驗(yàn)證，最終滿足五星膝碰的性能要求，本文可為后續(xù)車型儀表板膝碰達(dá)成五星提供下述參考：

◆ 2021版Knee-mapping試驗(yàn)要求、評分規(guī)則以及膝碰區(qū)域的作圖方法；

◆ 在儀表板造型設(shè)計階段，膝碰緩沖區(qū)和膝碰風(fēng)險區(qū)的作圖方法，控制儀表板造型邊界；假人腿型與儀表板型面的設(shè)計參數(shù)關(guān)系，防止小腿與儀表板型面優(yōu)先接觸，已降低膝部滑移量超標(biāo)的風(fēng)險；

◆ 在儀表板結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，儀表板本體結(jié)構(gòu)的弱化設(shè)計方法（變料厚、區(qū)域去筋、增加吸能塊、切弱化孔）以規(guī)避膝蓋壓縮力超標(biāo)；

◆ 在儀表板膝碰CAE仿真驗(yàn)證階段，膝碰仿真點(diǎn)的選取原則以及CAE仿真方法；

◆ 將膝部碰撞分析指標(biāo)加入到checklist清單中檢查項(xiàng)，分別在各個階段檢查；

◆ 完善上述內(nèi)容到儀表板開發(fā)流程中，后續(xù)項(xiàng)目按流程設(shè)計。

本門主要是基于2021版C-NCAP法規(guī)規(guī)程解讀，論述了儀表板達(dá)成5星膝碰的設(shè)計要點(diǎn)、CAE仿真方法以及根據(jù)仿真結(jié)果的儀表板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

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[5]唐洪斌、楊海慶等.乘員膝部碰撞臺車試驗(yàn)與車身結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].汽車技術(shù)，2012（5）：13-16.

專家推薦語

屈新田

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院

CAE專業(yè)副總師" 高級工程師

本論文基于對2021版C-NCAP膝碰評分規(guī)程解讀，探索并提出達(dá)成五星膝碰的儀表板設(shè)計方法，數(shù)據(jù)詳實(shí)，方法科學(xué)，對工程設(shè)計工作具有指導(dǎo)意義。

李" 威

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，任主管工程師，主要研究方向?yàn)槠噧x表板儀表板技術(shù)方案設(shè)計，曾發(fā)表相關(guān)論文3篇，并獲得15項(xiàng)專利。