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侧面碰撞台车系统简介

2020-07-14 21:01:07·  来源：上汽安全与CAE技术  
　
侧面碰撞是除正面碰撞以外车辆的又一最常见的碰撞模式，已被多个国家和地区纳入了法规与NCAP考核体系[1][2]。多年来，汽车制造商和研究机构对人体不同部位在侧面
侧面碰撞是除正面碰撞以外车辆的又一最常见的碰撞模式，已被多个国家和地区纳入了法规与NCAP考核体系[1][2]。多年来，汽车制造商和研究机构对人体不同部位在侧面碰撞中的损伤进行了大量的试验研究[3]。在众多试验方法中，侧碰台车与整车侧碰相比具有成本低和周期短的优势，正在获得越来越多的关注[4][5]。乘员在侧面碰撞时的伤害响应是一个多参数非线性的复杂系统，受到车门侵入速度和加速度[6]，B柱侵入速度和加速度，座椅加速度，车门与乘员的相对距离等很多因素的影响。本文介绍一种带有二次台车的侧碰台车试验系统，并介绍其应用。
 
1.     侧碰台架介绍
传统的侧面碰撞台架试验是使用半个车身以及整车侧面碰撞用的蜂窝铝来进行试验。将蜂窝铝加速到指定的速度去撞击车身，从而模拟侧碰的过程。此类试验每进行一次，要消耗半个车身和一个蜂窝铝，成本太高。在此基础上，人们又开发出利用吸能压溃管撞击车身来模拟侧面碰撞。然而，进行一次试验依然需要消耗半个车身，并且前期的对标工作也需要消耗大量的零部件。本文介绍的侧碰台车系统是在加速台车系统上增加一个二次台车，用于控制座椅和假人的运动，车门的运动由主台车控制，从而实现车门与假人相对运动的模拟。其基本原理如图1所示：
 
图1 侧碰台车系统原理图
该侧碰台车系统主要由两部分组成：一是车门和B柱安装支架，支架上有多个螺栓孔，方便装卸，同时也可以自由调节车门和B柱的位置，确保其与整车的相对位置一致；二是座椅安装模块。该模块用于安装座椅，整个模块通过摩擦片与一片刹车刀相连。摩擦片与刹车刀之间的正压力可通过调节与摩擦片相连的气缸中的气体压力来实现变化，充气压力越高，正压力越大，摩擦力也就越大，反之亦然。通过调节摩擦力可实现对座椅与车门相对运动的调节，从而可精确的模拟整车侧面碰撞试验时的座椅运动状态。该系统的优点是：车门和B柱经过加固后可重复利用，仅需更换门内饰和座椅，成本低；通过调节气压的方式来调整座椅运动，方便灵活，试验效率高。
2．试验方法
车辆在侧面碰撞时，车门和B柱的变形是一个非常复杂的过程，不同区域的加速度信号有着很大的差异。通常，如果需要研究假人某一部位的伤害值，则选取对应部位高度的车门的加速度信号作为主台车的输入波形。例如，要分析假人肋骨的伤害，则选取假人对应高度的车门的加速度信号作为台车的输入波形。本例中需要分析假人上肋骨的压缩变形量，因此选取了上肋骨对应高度的车门位置的加速度传感器采集的信号作为主台车的输入波形。将该加速度信号积分后，可得到如图2所示的速度-时间曲线。该曲线具有明显的双峰特征，第一个峰值是车门在遭受侧碰壁障冲击以及受外力挤压产生变形双重因素作用下达到的速度峰值；经过第一个峰值后车门开始减速，通常在此阶段车门与假人开始接触，直至达到波谷，此时假人与车门的移动速度相同；经过波谷后，由于侧碰壁障的速度依然快于车门，继续推动车门向前运动并达到第二个峰值速度。此阶段，整个试验系统的速度趋于相同并逐渐减速至速度为0。将加速度波形导入台车系统后，并进行适当的低通滤波，进行波形拟合。最后完成的状态如图3所示。
 
图2 侧面碰撞中车门的速度-时间曲线
 
图3 侧面碰撞台车试验系统
3．整车对标
通过建立试验模型，并经过多次参数调节后给出了侧碰台车与整车碰撞的对标结果。图4显示了整车侧碰和侧碰台车试验中的车门以及座椅的速度-时间对比曲线。从图4(a)中可以看到，整车和台车的车门侵入速度一致性较高，意味着对侧面碰撞起决定性作用的车门侵入速度在侧碰台车上得到了很好的模拟。从图4(b)座椅速度曲线可以看到，在33ms前，台车座椅速度低于整车；此后，台车座椅速度都高于整车直至84ms后又趋于相反。
 
 (a) 车门
 
(b) 座椅
图4 整车和台车试验中的车门以及座椅的
速度-时间对比曲线
图5为假人在整车侧碰和侧碰台车试验中的上、中、下肋骨的压缩量-时间曲线。从曲线对比可以看到，侧碰台车试验的结果较好的再现了整车侧碰中假人的肋骨压缩量，尤其是中肋骨和下肋骨，曲线的形状和峰值都和整车非常接近。当然，在时间上侧碰台车比整车侧碰有10ms的延迟。在车门和座椅的速度与整车基本吻合的情况下，肋骨压缩量的相位差可能是由于整车试验中车门在侵入的同时有变形，而台车试验中车门作为刚体变形非常小导致的。
 
(a) 上肋骨
 
(b) 中肋骨
 
(c) 下肋骨
图5 整车和台车的肋骨压缩量-时间曲线
图6-8为整车和台车试验中假人的腹部力，耻骨结合力和臀部加速度的对比曲线。腹部力（前中后）台车与整车相比，形状和峰值非常接近，开始时间与峰值时间一致，只是波形比整车更宽一些。从耻骨结合力来看，整车与台车的曲线基本一致，对标结果很好。台车的臀部加速度（Y方向）的峰值则比整车的臀部加速度峰值小8g。如前文所述，也可以通过调节台车输入波形来进一步调节假人伤害值，使之与整车的对标达到更好的效果。
 
(a) 前腹部力
 
(b) 中腹部力
 
(c) 后腹部力
图6 整车和台车腹部力的对比曲线 
 
图7 整车和台车耻骨结合力的对比曲线
 
图8 整车和台车臀部加速度的对比曲线
 
4 结论
本文所介绍的侧碰台车系统通过座椅，车门和B柱搭建了一个与整车侧碰相似的碰撞环境，用主台车模拟车门加速度，二次台车控制控制座椅的加速度，来模拟整车侧碰的假人运动和伤害值。由于使用零部件少，并且车门和B柱在适当加固后可以反复使用，因此试验成本低；车门加速度可通过主台车精确模拟，而座椅加速度可通过充气压力的大小来进行调节，从而可精确的模拟车门和假人之间的相对运动，该方法简单易行，效率高。通过与整车对标的实例，证明了该方法在实际应用中的可行性。综上所述，侧碰台车作为一种低成本，高效率的试验手段，可较为精确的模拟整车中的假人行为，作为仿真与整车试验之间的一种开发工具，可满足车辆安全开发的需要，可以预见在未来将获得越来越多的应用。
 
参考文献：
[1] 张维刚，范体强，汽车侧面碰撞安全性研究探讨，客车技术与研究，2007年第1期；
[2] 韩玉环，于红秀，孙振动，解析中国侧面碰撞乘员保护标准，上海汽车，2007.10；
[3] 曹立波，王鹏，杜文建，胡敏锋，基于乘员损伤分析的轿车侧面碰撞安全性研究，北京汽车，2007.No.3；
[4] 张孟周，樊平，张桂明，一种新型的侧面碰撞台车系统及其试验方法，上海汽车，2013.05；
[5] 刘志新，张晓龙，娄磊，杨运生，侧面碰撞模拟台车试验研究，2010中国汽车工程学会年会论文集，SAE-C2010E135；
[6] 马志雄，朱西产，陶颖，李霖，侧碰试验中车门运动与假人伤害响应的相关性，汽车技术，2010年第1期；
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