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側面碰撞臺車系統(tǒng)簡介
2020-07-14 21:01:07· 來源：上汽安全與CAE技術
側面碰撞是除正面碰撞以外車輛的又一最常見的碰撞模式，已被多個國家和地區(qū)納入了法規(guī)與NCAP考核體系[1][2]。多年來，汽車制造商和研究機構對人體不同部位在側面
側面碰撞是除正面碰撞以外車輛的又一最常見的碰撞模式，已被多個國家和地區(qū)納入了法規(guī)與NCAP考核體系[1][2]。多年來，汽車制造商和研究機構對人體不同部位在側面碰撞中的損傷進行了大量的試驗研究[3]。在眾多試驗方法中，側碰臺車與整車側碰相比具有成本低和周期短的優(yōu)勢，正在獲得越來越多的關注[4][5]。乘員在側面碰撞時的傷害響應是一個多參數(shù)非線性的復雜系統(tǒng)，受到車門侵入速度和加速度[6]，B柱侵入速度和加速度，座椅加速度，車門與乘員的相對距離等很多因素的影響。本文介紹一種帶有二次臺車的側碰臺車試驗系統(tǒng)，并介紹其應用。
1. 側碰臺架介紹
傳統(tǒng)的側面碰撞臺架試驗是使用半個車身以及整車側面碰撞用的蜂窩鋁來進行試驗。將蜂窩鋁加速到指定的速度去撞擊車身，從而模擬側碰的過程。此類試驗每進行一次，要消耗半個車身和一個蜂窩鋁，成本太高。在此基礎上，人們又開發(fā)出利用吸能壓潰管撞擊車身來模擬側面碰撞。然而，進行一次試驗依然需要消耗半個車身，并且前期的對標工作也需要消耗大量的零部件。本文介紹的側碰臺車系統(tǒng)是在加速臺車系統(tǒng)上增加一個二次臺車，用于控制座椅和假人的運動，車門的運動由主臺車控制，從而實現(xiàn)車門與假人相對運動的模擬。其基本原理如圖1所示：
圖1 側碰臺車系統(tǒng)原理圖
該側碰臺車系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是車門和B柱安裝支架，支架上有多個螺栓孔，方便裝卸，同時也可以自由調(diào)節(jié)車門和B柱的位置，確保其與整車的相對位置一致；二是座椅安裝模塊。該模塊用于安裝座椅，整個模塊通過摩擦片與一片剎車刀相連。摩擦片與剎車刀之間的正壓力可通過調(diào)節(jié)與摩擦片相連的氣缸中的氣體壓力來實現(xiàn)變化，充氣壓力越高，正壓力越大，摩擦力也就越大，反之亦然。通過調(diào)節(jié)摩擦力可實現(xiàn)對座椅與車門相對運動的調(diào)節(jié)，從而可精確的模擬整車側面碰撞試驗時的座椅運動狀態(tài)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：車門和B柱經(jīng)過加固后可重復利用，僅需更換門內(nèi)飾和座椅，成本低；通過調(diào)節(jié)氣壓的方式來調(diào)整座椅運動，方便靈活，試驗效率高。
2．試驗方法
車輛在側面碰撞時，車門和B柱的變形是一個非常復雜的過程，不同區(qū)域的加速度信號有著很大的差異。通常，如果需要研究假人某一部位的傷害值，則選取對應部位高度的車門的加速度信號作為主臺車的輸入波形。例如，要分析假人肋骨的傷害，則選取假人對應高度的車門的加速度信號作為臺車的輸入波形。本例中需要分析假人上肋骨的壓縮變形量，因此選取了上肋骨對應高度的車門位置的加速度傳感器采集的信號作為主臺車的輸入波形。將該加速度信號積分后，可得到如圖2所示的速度-時間曲線。該曲線具有明顯的雙峰特征，第一個峰值是車門在遭受側碰壁障沖擊以及受外力擠壓產(chǎn)生變形雙重因素作用下達到的速度峰值；經(jīng)過第一個峰值后車門開始減速，通常在此階段車門與假人開始接觸，直至達到波谷，此時假人與車門的移動速度相同；經(jīng)過波谷后，由于側碰壁障的速度依然快于車門，繼續(xù)推動車門向前運動并達到第二個峰值速度。此階段，整個試驗系統(tǒng)的速度趨于相同并逐漸減速至速度為0。將加速度波形導入臺車系統(tǒng)后，并進行適當?shù)牡屯V波，進行波形擬合。最后完成的狀態(tài)如圖3所示。
圖2 側面碰撞中車門的速度-時間曲線
圖3 側面碰撞臺車試驗系統(tǒng)
3．整車對標
通過建立試驗模型，并經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)節(jié)后給出了側碰臺車與整車碰撞的對標結果。圖4顯示了整車側碰和側碰臺車試驗中的車門以及座椅的速度-時間對比曲線。從圖4(a)中可以看到，整車和臺車的車門侵入速度一致性較高，意味著對側面碰撞起決定性作用的車門侵入速度在側碰臺車上得到了很好的模擬。從圖4(b)座椅速度曲線可以看到，在33ms前，臺車座椅速度低于整車；此后，臺車座椅速度都高于整車直至84ms后又趨于相反。
(a) 車門
(b) 座椅
圖4 整車和臺車試驗中的車門以及座椅的
速度-時間對比曲線
圖5為假人在整車側碰和側碰臺車試驗中的上、中、下肋骨的壓縮量-時間曲線。從曲線對比可以看到，側碰臺車試驗的結果較好的再現(xiàn)了整車側碰中假人的肋骨壓縮量，尤其是中肋骨和下肋骨，曲線的形狀和峰值都和整車非常接近。當然，在時間上側碰臺車比整車側碰有10ms的延遲。在車門和座椅的速度與整車基本吻合的情況下，肋骨壓縮量的相位差可能是由于整車試驗中車門在侵入的同時有變形，而臺車試驗中車門作為剛體變形非常小導致的。
(a) 上肋骨
(b) 中肋骨
(c) 下肋骨
圖5 整車和臺車的肋骨壓縮量-時間曲線
圖6-8為整車和臺車試驗中假人的腹部力，恥骨結合力和臀部加速度的對比曲線。腹部力（前中后）臺車與整車相比，形狀和峰值非常接近，開始時間與峰值時間一致，只是波形比整車更寬一些。從恥骨結合力來看，整車與臺車的曲線基本一致，對標結果很好。臺車的臀部加速度（Y方向）的峰值則比整車的臀部加速度峰值小8g。如前文所述，也可以通過調(diào)節(jié)臺車輸入波形來進一步調(diào)節(jié)假人傷害值，使之與整車的對標達到更好的效果。
(a) 前腹部力
(b) 中腹部力
(c) 后腹部力
圖6 整車和臺車腹部力的對比曲線
圖7 整車和臺車恥骨結合力的對比曲線
圖8 整車和臺車臀部加速度的對比曲線
4 結論
本文所介紹的側碰臺車系統(tǒng)通過座椅，車門和B柱搭建了一個與整車側碰相似的碰撞環(huán)境，用主臺車模擬車門加速度，二次臺車控制控制座椅的加速度，來模擬整車側碰的假人運動和傷害值。由于使用零部件少，并且車門和B柱在適當加固后可以反復使用，因此試驗成本低；車門加速度可通過主臺車精確模擬，而座椅加速度可通過充氣壓力的大小來進行調(diào)節(jié)，從而可精確的模擬車門和假人之間的相對運動，該方法簡單易行，效率高。通過與整車對標的實例，證明了該方法在實際應用中的可行性。綜上所述，側碰臺車作為一種低成本，高效率的試驗手段，可較為精確的模擬整車中的假人行為，作為仿真與整車試驗之間的一種開發(fā)工具，可滿足車輛安全開發(fā)的需要，可以預見在未來將獲得越來越多的應用。
參考文獻：
[1] 張維剛，范體強，汽車側面碰撞安全性研究探討，客車技術與研究，2007年第1期；
[2] 韓玉環(huán)，于紅秀，孫振動，解析中國側面碰撞乘員保護標準，上海汽車，2007.10；
[3] 曹立波，王鵬，杜文建，胡敏鋒，基于乘員損傷分析的轎車側面碰撞安全性研究，北京汽車，2007.No.3；
[4] 張孟周，樊平，張桂明，一種新型的側面碰撞臺車系統(tǒng)及其試驗方法，上海汽車，2013.05；
[5] 劉志新，張曉龍，婁磊，楊運生，側面碰撞模擬臺車試驗研究，2010中國汽車工程學會年會論文集，SAE-C2010E135；
[6] 馬志雄，朱西產(chǎn)，陶穎，李霖，側碰試驗中車門運動與假人傷害響應的相關性，汽車技術，2010年第1期；
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