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某車型正面碰撞乘員頸部保護(hù)性能提升

2020-04-13 20:14:45·  來源：智數(shù)汽車大數(shù)據(jù)  
　
摘 要：某車型在正碰開發(fā)試驗(yàn)過程中，駕駛員頸部傷害值不滿足正面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機(jī)理、假人運(yùn)動(dòng)情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情
摘 要：某車型在正碰開發(fā)試驗(yàn)過程中，駕駛員頸部傷害值不滿足正面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機(jī)理、假人運(yùn)動(dòng)情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，得出造成頸部傷害的因素主要是安全帶對(duì)假人軀干的約束效果差，正面氣囊剛度偏大。通過取消安全帶限力裝置，調(diào)整正面氣囊的剛度，最終實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。
 
關(guān)鍵詞：正面碰撞；頸部；安全帶
 
 前言 
乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)GB11551于2014年9月改版發(fā)布，2015年1月開始實(shí)施，新版法規(guī)主要增加了頭部3ms合成加速度、頸部NIC傷害指標(biāo)、頸部伸張彎矩和胸部粘性指標(biāo)等新要求，更加完整地考核正碰中前排假人的傷害情況，對(duì)車輛的正碰乘員保護(hù)性能提出了更高的要求。某車型開發(fā)初期按中國(guó)法規(guī)GB11551進(jìn)行正面碰撞摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)駕駛員假人頸部傷害值不滿足法規(guī)。通過分析假人頸部傷害機(jī)理、假人運(yùn)動(dòng)情況和安全帶等約束系統(tǒng)部件的工作情況，找出造成頸部傷害值超標(biāo)的原因主要是安全帶對(duì)假人軀干的約束性能差，導(dǎo)致軀干向前位移量較大，同時(shí)正面氣囊剛度偏大。針對(duì)上述原因，結(jié)合車型開發(fā)的實(shí)際情況，通過取消安全帶限力軸和降低正面氣囊的剛度，經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證頸部傷害值滿足法規(guī)要求。
 
 1 問題描述 
 
某車型為小型SUV車型，前排安全帶有預(yù)緊限力和限力共2種配置，正面氣囊僅根據(jù)預(yù)緊限力安全帶進(jìn)行仿真優(yōu)化和滑臺(tái)試驗(yàn)優(yōu)化。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及受試驗(yàn)資源限制，限力安全帶僅進(jìn)行了仿真優(yōu)化，摸底試驗(yàn)頸部伸張彎矩Myi達(dá)到60Nm，超過法規(guī)允許的最大值57Nm，不滿足法規(guī)要求。通過試驗(yàn)采集并計(jì)算后的頸部伸張彎矩曲線見圖1，詳細(xì)的假人傷害值見表1：
圖1 頸部伸張彎矩曲線圖（摸底試驗(yàn)）
 
表1 正碰摸底試驗(yàn)假人傷害值
 
 2 原因分析 
2.1 頸部伸張彎矩傷害機(jī)理說明
按法規(guī)及假人傳感器方向文件說明，頸部伸張彎矩考核取負(fù)向值，即考核頸部向后伸張產(chǎn)生的彎矩，頸部向后伸張由軀干相對(duì)頸部向前運(yùn)動(dòng)或頭部相對(duì)頸部向后運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，見圖2示意。
根據(jù)頸部伸張彎矩產(chǎn)生機(jī)理，分別從軀干向前運(yùn)動(dòng)和頭部向后運(yùn)動(dòng)的情況分析原因。
圖2 頸部伸張彎矩產(chǎn)生示意圖
 
2.2 軀干向前運(yùn)動(dòng)分析
軀干向前位移量主要受到車身吸能性能、假人布置和安全帶束縛性能等影響，以下分析摸底試驗(yàn)上述三個(gè)因素的試驗(yàn)情況。軀干位移量以胸部位移量為代表。
2.2.1 車身吸能性能
車身吸能性能主要通過B柱峰值加速度、碰撞持續(xù)時(shí)間、前艙吸能變形空間和乘員載荷指標(biāo)OLC等評(píng)估。乘員載荷指標(biāo)OLC為碰撞安全專業(yè)常用的指標(biāo)，能夠較全面地評(píng)估車身吸能情況，并評(píng)估安全帶和氣囊匹配的難度。OLC越大，說明車身吸能性能越差，車內(nèi)乘員受到的沖擊越大，越不利于安全帶和氣囊匹配以得到較優(yōu)的假人傷害值。見表2，該車前端吸能空間有限，OLC達(dá)到32g，遠(yuǎn)大于一般車型的28g。
為便于描述說明，本文所研究車型代號(hào)為A，其他參考車型代號(hào)分別B、C、D和E。
2.2.2 假人布置
見表3，在人機(jī)布置中，轎車前排乘員軀干角通常為25°，SUV通常為22°。因?yàn)镾UV假人軀干角小，導(dǎo)致SUV正碰試驗(yàn)中假人軀干向前運(yùn)動(dòng)比轎車會(huì)更早，假人胸部位移量會(huì)偏大。從表3數(shù)據(jù)可以看出SUV胸部到方向盤中心的距離比轎車小30mm左右，以上均導(dǎo)致SUV假人頭部與氣囊接觸更早。
表2 各車型車身吸能性能指標(biāo)表
 
表3 各車型假人布置表
 
2.2.3 安全帶束縛性能
本文所提車型均為限力式安全帶，即安全帶在受到向前運(yùn)動(dòng)假人的一定作用力后，會(huì)釋放出一段距離的織帶，從而減輕織帶對(duì)人體胸部的壓迫。從圖3看出，車型A肩帶力開始增大時(shí)刻早于車型B，與2.2.2分析的假人軀干角小，假人開始往前運(yùn)動(dòng)時(shí)刻早的趨勢(shì)一致。
從曲線看，車型A的安全帶功能和性能正常。
圖3 安全帶肩帶力曲線圖
 
2.2.4 座椅防下潛性能
經(jīng)檢查座椅防下潛梁位置，符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范；從試驗(yàn)后防下潛梁變形情況看，防下潛梁強(qiáng)度符合要求。
2.2.5 胸部位移量
通過合成假人胸部X、Y和Z共三個(gè)方向的加速度，并通過積分和換算等方法，得到胸部合成方向的絕對(duì)位移量曲線，用同樣的方法得到車體合成方向的絕對(duì)位移量曲線，然后胸部合成方向的位移量曲線減去車體曲線，最終近似得到假人胸部相對(duì)車體向前的位移量。
從圖4可以看出，車型A的胸部最大位移量達(dá)到313mm，車型B只有249mm，相差64mm，車型A的胸部位移量偏大，代表軀干位移量偏大。
圖4 胸部位移曲線圖
 
2.3 頭部向前運(yùn)動(dòng)分析
頭部向前位移量，主要受到正面氣囊保護(hù)性能、安全帶束縛性能和轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能影響。2.2已分析了安全帶束縛性能，本節(jié)分析摸底試驗(yàn)中另外兩個(gè)因素的試驗(yàn)情況。
2.3.1 正面氣囊保護(hù)性能
從試驗(yàn)錄像及頭部加速度曲線看，正面氣囊展開正常，頭部無(wú)擊穿氣袋的現(xiàn)象。
受2.2.2假人布置的影響，車型A假人頭部與氣囊接觸時(shí)刻早于車型B接近6ms，車型A的氣囊與車型B為共用產(chǎn)品，氣體發(fā)生器、氣袋和排氣孔尺寸等均相同。頭部與氣囊接觸時(shí)刻過早，同樣的氣囊就會(huì)表現(xiàn)為偏硬，一定程度上使假人頭部往前位移量減小，引起頸部拉伸后仰的傷害。
2.3.2 轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能
從試驗(yàn)后拆解轉(zhuǎn)向管柱試驗(yàn)樣件看，試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)向管柱潰縮功能未實(shí)現(xiàn)，影響假人頭部向前位移量，不利于頸部伸張彎矩。
2.3.3 頭部位移量
參考2.2.5胸部位移量的計(jì)算方法，計(jì)算得到圖5頭部相對(duì)車體的向前位移量。從圖5看出兩車的頭部位移量相當(dāng)。
圖5 頭部位移曲線圖
 
2.4 分析小結(jié)
通過上述分析，頸部伸張彎矩（向后）過大的主要因素的頭部相對(duì)胸部向前位移量小，與假人胸部向前位移量過大直接相關(guān)。
 3 解決方案 
針對(duì)上述原因分析，解決頸部伸張彎矩過大需要增大頭部相對(duì)胸部向前位移量，可以通過增大頭部向前位移量或減小胸部向前位移量實(shí)現(xiàn)。
3.1 增大頭部位移量
基于開發(fā)實(shí)際情況，增大正面氣囊排氣孔尺寸為比較可行的方案，一定程度上降低氣囊的剛度，能夠適當(dāng)增大頭部位移量，但需注意防止頭部擊穿氣袋。摸底試驗(yàn)的氣囊設(shè)計(jì)2個(gè)排氣孔，每個(gè)排氣孔尺寸均為φ30mm，推薦排氣孔尺寸增大到φ35mm和φ40mm，并通過仿真進(jìn)行評(píng)估。
由于轉(zhuǎn)向管柱為平臺(tái)沿用產(chǎn)品，考慮相關(guān)因素，不進(jìn)行更改。
3.2 減小胸部位移量
基于該車型開發(fā)的客觀因素，減小胸部位移量最有效和最直接的方法就是增強(qiáng)安全帶的束縛性能。摸底試驗(yàn)的安全帶限力軸規(guī)格為4KN?；谠撥囆偷拈_發(fā)目標(biāo)為滿足法規(guī)，結(jié)合假人其他部位傷害值情況，可以增大限力軸規(guī)格或取消限力軸，并通過仿真評(píng)估方案可行性。
3.3 方案說明
根據(jù)3.1和3.2的分析，制定以下方案并仿真計(jì)算，安全帶限力軸分別是4KN、5KN和無(wú)限力軸，氣囊排氣孔分別是φ30mm、φ35mm和φ40mm，共有9個(gè)組合，結(jié)果見表6。
通過表6仿真1的結(jié)果與摸底試驗(yàn)對(duì)比，可以看出仿真的精度欠佳，受車型開發(fā)的客觀因素和開發(fā)周期限制，短期內(nèi)無(wú)法通過對(duì)標(biāo)等手段提高仿真精度。從頭部傷害值看，氣囊排氣孔越大，頭部傷害值越小，但是基于圖6，需防止實(shí)車試驗(yàn)排氣孔增大后頭部擊穿氣袋，最終確定排氣孔增大到φ35mm為氣囊的改進(jìn)方案。
表6 改進(jìn)方案仿真計(jì)算結(jié)果
 
基于該供應(yīng)商安全帶在幾款車的束縛性能情況，結(jié)合摸底試驗(yàn)胸部壓縮量處于較理想的水平，且從技術(shù)降成本角度考慮，最終確定取消限力軸為安全帶的改進(jìn)方案，能夠最大程度減小假人胸部位移量，并有利于防止頭部擊穿氣袋。
圖6 假人頭部與氣袋接觸示意圖
 
 4 方案驗(yàn)證 
根據(jù)第3.3節(jié)確定的安全帶和氣囊改進(jìn)方案，按GB11551完成實(shí)車碰撞試驗(yàn)，頸部伸張彎矩由60Nm降低到22Nm，通過試驗(yàn)采集并計(jì)算后的頸部伸張彎矩曲線見圖7， 曲線A+為改進(jìn)試驗(yàn)的曲線。其他部位傷害值有增大，但仍處于理想水平范圍內(nèi)，詳見表7。試驗(yàn)驗(yàn)證上述改進(jìn)方案有效，且獲得了一定的降成本收益。
從圖8可以看出，取消安全帶限力軸后，胸部向前位移量減小了40mm左右，且提前5ms達(dá)到最大位移量，間接減小了頸部伸張彎矩。曲線A+為改進(jìn)試驗(yàn)的曲線。
圖7 頸部伸張彎矩曲線圖（改進(jìn)試驗(yàn)）
 
表7 正碰改進(jìn)試驗(yàn)假人傷害值
 
圖8 改進(jìn)試驗(yàn)的胸部位移量曲線圖
 
從圖9可以看出，取消安全帶限力軸和增大氣囊排氣孔后，假人頭頸部相對(duì)軀干有明顯的向前彎曲伸張，從而減小了向后伸張的傷害值。
圖9 假人頭頸部與軀干相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖
 
 5 總結(jié) 
摸底試驗(yàn)通過仿真及已量產(chǎn)的幾款車型參數(shù)確定安全帶限力軸規(guī)格，未更加深入了解車型之間的車身吸能性能、假人布置等差異，同時(shí)仿真分析精度低，仿真對(duì)后續(xù)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估支撐力度不足。
后續(xù)新車型開發(fā)需全面考慮各種影響因素，需通過對(duì)標(biāo)等手段提高仿真分析的精度。
本文介紹了頸部伸張彎矩的傷害機(jī)理，分析了頸部傷害的相關(guān)影響因素，并采取有效對(duì)策，通過試驗(yàn)驗(yàn)證降低了頸部傷害值，為后續(xù)車型開發(fā)提供了一定的參考。
 
來源：期刊--《汽車科技》
作者：黃強(qiáng)，李三紅，李潤(rùn)晗，李建功，馮杰 
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