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某车型正面碰撞乘员颈部保护性能提升
2020-04-13 20:14:45· 来源：智数汽车大数据
摘 要：某车型在正碰开发试验过程中，驾驶员颈部伤害值不满足正面碰撞的乘员保护法规。通过分析假人颈部伤害机理、假人运动情况和安全带等约束系统部件的工作情
摘 要：某车型在正碰开发试验过程中，驾驶员颈部伤害值不满足正面碰撞的乘员保护法规。通过分析假人颈部伤害机理、假人运动情况和安全带等约束系统部件的工作情况，得出造成颈部伤害的因素主要是安全带对假人躯干的约束效果差，正面气囊刚度偏大。通过取消安全带限力装置，调整正面气囊的刚度，最终实车试验验证颈部伤害值满足法规要求。
关键词：正面碰撞；颈部；安全带
前言
乘用车正面碰撞的乘员保护法规GB11551于2014年9月改版发布，2015年1月开始实施，新版法规主要增加了头部3ms合成加速度、颈部NIC伤害指标、颈部伸张弯矩和胸部粘性指标等新要求，更加完整地考核正碰中前排假人的伤害情况，对车辆的正碰乘员保护性能提出了更高的要求。某车型开发初期按中国法规GB11551进行正面碰撞摸底试验，发现驾驶员假人颈部伤害值不满足法规。通过分析假人颈部伤害机理、假人运动情况和安全带等约束系统部件的工作情况，找出造成颈部伤害值超标的原因主要是安全带对假人躯干的约束性能差，导致躯干向前位移量较大，同时正面气囊刚度偏大。针对上述原因，结合车型开发的实际情况，通过取消安全带限力轴和降低正面气囊的刚度，经过实车试验验证颈部伤害值满足法规要求。
1 问题描述
某车型为小型SUV车型，前排安全带有预紧限力和限力共2种配置，正面气囊仅根据预紧限力安全带进行仿真优化和滑台试验优化。根据开发经验及受试验资源限制，限力安全带仅进行了仿真优化，摸底试验颈部伸张弯矩Myi达到60Nm，超过法规允许的最大值57Nm，不满足法规要求。通过试验采集并计算后的颈部伸张弯矩曲线见图1，详细的假人伤害值见表1：
图1 颈部伸张弯矩曲线图（摸底试验）
表1 正碰摸底试验假人伤害值
2 原因分析
2.1 颈部伸张弯矩伤害机理说明
按法规及假人传感器方向文件说明，颈部伸张弯矩考核取负向值，即考核颈部向后伸张产生的弯矩，颈部向后伸张由躯干相对颈部向前运动或头部相对颈部向后运动产生，见图2示意。
根据颈部伸张弯矩产生机理，分别从躯干向前运动和头部向后运动的情况分析原因。
图2 颈部伸张弯矩产生示意图
2.2 躯干向前运动分析
躯干向前位移量主要受到车身吸能性能、假人布置和安全带束缚性能等影响，以下分析摸底试验上述三个因素的试验情况。躯干位移量以胸部位移量为代表。
2.2.1 车身吸能性能
车身吸能性能主要通过B柱峰值加速度、碰撞持续时间、前舱吸能变形空间和乘员载荷指标OLC等评估。乘员载荷指标OLC为碰撞安全专业常用的指标，能够较全面地评估车身吸能情况，并评估安全带和气囊匹配的难度。OLC越大，说明车身吸能性能越差，车内乘员受到的冲击越大，越不利于安全带和气囊匹配以得到较优的假人伤害值。见表2，该车前端吸能空间有限，OLC达到32g，远大于一般车型的28g。
为便于描述说明，本文所研究车型代号为A，其他参考车型代号分别B、C、D和E。
2.2.2 假人布置
见表3，在人机布置中，轿车前排乘员躯干角通常为25°，SUV通常为22°。因为SUV假人躯干角小，导致SUV正碰试验中假人躯干向前运动比轿车会更早，假人胸部位移量会偏大。从表3数据可以看出SUV胸部到方向盘中心的距离比轿车小30mm左右，以上均导致SUV假人头部与气囊接触更早。
表2 各车型车身吸能性能指标表
表3 各车型假人布置表
2.2.3 安全带束缚性能
本文所提车型均为限力式安全带，即安全带在受到向前运动假人的一定作用力后，会释放出一段距离的织带，从而减轻织带对人体胸部的压迫。从图3看出，车型A肩带力开始增大时刻早于车型B，与2.2.2分析的假人躯干角小，假人开始往前运动时刻早的趋势一致。
从曲线看，车型A的安全带功能和性能正常。
图3 安全带肩带力曲线图
2.2.4 座椅防下潜性能
经检查座椅防下潜梁位置，符合相关设计规范；从试验后防下潜梁变形情况看，防下潜梁强度符合要求。
2.2.5 胸部位移量
通过合成假人胸部X、Y和Z共三个方向的加速度，并通过积分和换算等方法，得到胸部合成方向的绝对位移量曲线，用同样的方法得到车体合成方向的绝对位移量曲线，然后胸部合成方向的位移量曲线减去车体曲线，最终近似得到假人胸部相对车体向前的位移量。
从图4可以看出，车型A的胸部最大位移量达到313mm，车型B只有249mm，相差64mm，车型A的胸部位移量偏大，代表躯干位移量偏大。
图4 胸部位移曲线图
2.3 头部向前运动分析
头部向前位移量，主要受到正面气囊保护性能、安全带束缚性能和转向管柱溃缩性能影响。2.2已分析了安全带束缚性能，本节分析摸底试验中另外两个因素的试验情况。
2.3.1 正面气囊保护性能
从试验录像及头部加速度曲线看，正面气囊展开正常，头部无击穿气袋的现象。
受2.2.2假人布置的影响，车型A假人头部与气囊接触时刻早于车型B接近6ms，车型A的气囊与车型B为共用产品，气体发生器、气袋和排气孔尺寸等均相同。头部与气囊接触时刻过早，同样的气囊就会表现为偏硬，一定程度上使假人头部往前位移量减小，引起颈部拉伸后仰的伤害。
2.3.2 转向管柱溃缩性能
从试验后拆解转向管柱试验样件看，试验过程中转向管柱溃缩功能未实现，影响假人头部向前位移量，不利于颈部伸张弯矩。
2.3.3 头部位移量
参考2.2.5胸部位移量的计算方法，计算得到图5头部相对车体的向前位移量。从图5看出两车的头部位移量相当。
图5 头部位移曲线图
2.4 分析小结
通过上述分析，颈部伸张弯矩（向后）过大的主要因素的头部相对胸部向前位移量小，与假人胸部向前位移量过大直接相关。
3 解决方案
针对上述原因分析，解决颈部伸张弯矩过大需要增大头部相对胸部向前位移量，可以通过增大头部向前位移量或减小胸部向前位移量实现。
3.1 增大头部位移量
基于开发实际情况，增大正面气囊排气孔尺寸为比较可行的方案，一定程度上降低气囊的刚度，能够适当增大头部位移量，但需注意防止头部击穿气袋。摸底试验的气囊设计2个排气孔，每个排气孔尺寸均为φ30mm，推荐排气孔尺寸增大到φ35mm和φ40mm，并通过仿真进行评估。
由于转向管柱为平台沿用产品，考虑相关因素，不进行更改。
3.2 减小胸部位移量
基于该车型开发的客观因素，减小胸部位移量最有效和最直接的方法就是增强安全带的束缚性能。摸底试验的安全带限力轴规格为4KN。基于该车型的开发目标为满足法规，结合假人其他部位伤害值情况，可以增大限力轴规格或取消限力轴，并通过仿真评估方案可行性。
3.3 方案说明
根据3.1和3.2的分析，制定以下方案并仿真计算，安全带限力轴分别是4KN、5KN和无限力轴，气囊排气孔分别是φ30mm、φ35mm和φ40mm，共有9个组合，结果见表6。
通过表6仿真1的结果与摸底试验对比，可以看出仿真的精度欠佳，受车型开发的客观因素和开发周期限制，短期内无法通过对标等手段提高仿真精度。从头部伤害值看，气囊排气孔越大，头部伤害值越小，但是基于图6，需防止实车试验排气孔增大后头部击穿气袋，最终确定排气孔增大到φ35mm为气囊的改进方案。
表6 改进方案仿真计算结果
基于该供应商安全带在几款车的束缚性能情况，结合摸底试验胸部压缩量处于较理想的水平，且从技术降成本角度考虑，最终确定取消限力轴为安全带的改进方案，能够最大程度减小假人胸部位移量，并有利于防止头部击穿气袋。
图6 假人头部与气袋接触示意图
4 方案验证
根据第3.3节确定的安全带和气囊改进方案，按GB11551完成实车碰撞试验，颈部伸张弯矩由60Nm降低到22Nm，通过试验采集并计算后的颈部伸张弯矩曲线见图7， 曲线A+为改进试验的曲线。其他部位伤害值有增大，但仍处于理想水平范围内，详见表7。试验验证上述改进方案有效，且获得了一定的降成本收益。
从图8可以看出，取消安全带限力轴后，胸部向前位移量减小了40mm左右，且提前5ms达到最大位移量，间接减小了颈部伸张弯矩。曲线A+为改进试验的曲线。
图7 颈部伸张弯矩曲线图（改进试验）
表7 正碰改进试验假人伤害值
图8 改进试验的胸部位移量曲线图
从图9可以看出，取消安全带限力轴和增大气囊排气孔后，假人头颈部相对躯干有明显的向前弯曲伸张，从而减小了向后伸张的伤害值。
图9 假人头颈部与躯干相对运动关系示意图
5 总结
摸底试验通过仿真及已量产的几款车型参数确定安全带限力轴规格，未更加深入了解车型之间的车身吸能性能、假人布置等差异，同时仿真分析精度低，仿真对后续试验风险评估支撑力度不足。
后续新车型开发需全面考虑各种影响因素，需通过对标等手段提高仿真分析的精度。
本文介绍了颈部伸张弯矩的伤害机理，分析了颈部伤害的相关影响因素，并采取有效对策，通过试验验证降低了颈部伤害值，为后续车型开发提供了一定的参考。
来源：期刊--《汽车科技》
作者：黄强，李三红，李润晗，李建功，冯杰
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