正面碰撞中車體B柱加速度與安全帶選配間的關(guān)聯(lián)性研究

商恩義 師玉濤 楊勁松 張世凱

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 前言

在C-NCAP星級(jí)評(píng)價(jià)體系中，正面碰撞試驗(yàn)前排假人考核部位規(guī)定為頭部、頸部、胸部、大腿和小腿，其中，胸部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)為胸部壓縮變形量和胸部加速度cum.A3ms[1]，規(guī)定假人胸部分值為5分，并指出胸部壓縮變形量22 mm為滿分點(diǎn)，50 mm為零分點(diǎn)，中間值通過(guò)差值法計(jì)算。當(dāng)前，胸部壓縮變形量是碰撞中假人主要失分點(diǎn)，該失分與車體碰撞中B柱x向加速度形狀及安全帶的選擇密切相關(guān)。

2 預(yù)緊限力式安全帶的作用

2.1 安全帶作用與假人胸部傷害間關(guān)系

安全帶在通過(guò)約束對(duì)乘員整體起保護(hù)作用的過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)配帶者胸部造成直接擠壓傷害，該擠壓傷害程度與安全帶的選配關(guān)系密切。假人胸部作為彈性結(jié)構(gòu)，具有一定剛度，該剛度與安全帶的作用力和作用速度等相關(guān)。以50km/h正面碰撞試驗(yàn)中50%假人胸部為例[2]，在普通安全帶作用下，剛度為300N/mm左右，不易變形，但最終作用力大，直接傷害較高；在預(yù)緊限力式安全帶作用下，剛度為200N/mm左右，相對(duì)易變形，但最終作用力幅值小，直接傷害小。因此，結(jié)合成本考慮，卷收器預(yù)緊限力式安全帶當(dāng)前被普遍采用，且考慮到胸部壓縮變形量的滿分點(diǎn)為22mm，限力值通常定在4kN左右（經(jīng)過(guò)上導(dǎo)向環(huán)之后的測(cè)量值）。在實(shí)際碰撞過(guò)程中，安全帶除了直接作用對(duì)乘員胸部造成擠壓傷害之外，若選配不當(dāng)，還可能造成間接擠壓傷害，如當(dāng)選配的安全帶限力值過(guò)低時(shí)，可能會(huì)因其約束力不足，乘員胸部碰撞后期撞擊到轉(zhuǎn)向盤盤緣上，或與安全氣囊形成擠壓，造成瞬間超強(qiáng)傷害。

2.2 預(yù)緊限力式安全帶分類及作用效果

根據(jù)預(yù)緊器所在位置不同，安全帶預(yù)緊方式分為卷收器（retractor）預(yù)緊式、帶扣(buckle)預(yù)緊式和錨點(diǎn)(anchor)預(yù)緊式，以及卷收器預(yù)緊加帶扣預(yù)緊、卷收器預(yù)緊加錨點(diǎn)預(yù)緊的雙級(jí)預(yù)緊方式。相關(guān)研究表明[3]，同等條件正面碰撞試驗(yàn)中，假人骨盆前、后位移量反映出的安全帶腰帶作用強(qiáng)度依次為雙級(jí)預(yù)緊＞帶扣預(yù)緊＞卷收器預(yù)緊＞無(wú)預(yù)緊。碰撞中后期，假人胸部前、后位移量反映出的安全帶肩帶作用強(qiáng)度依次為雙級(jí)預(yù)緊＞卷收器預(yù)緊＞帶扣預(yù)緊＞無(wú)預(yù)緊。因此，在雙級(jí)預(yù)緊作用下，假人向前運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度最低，且胸部明顯表現(xiàn)為平動(dòng)；在帶扣預(yù)緊作用下，假人將表現(xiàn)為平動(dòng)加胸部繞骨盆軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；在卷收器預(yù)緊作用下，假人將出現(xiàn)平動(dòng)加胸部轉(zhuǎn)動(dòng)，但胸部轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)度將低于帶扣預(yù)緊作用。

3 不同B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

碰撞試驗(yàn)中，假人所受傷害與假人相對(duì)車體的運(yùn)動(dòng)密不可分。指定加速度x向?yàn)榍啊⒑蠓较?，向前為正[4]，分析假人x向相對(duì)車體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常用假人骨盆該方向加速度減去車體B柱該方向加速度作為假人相對(duì)加速度[5]。該相對(duì)加速度波形基本是一個(gè)正弦波，加速部分以車體B柱加速度波形為主，減速部分以假人骨盆的加速度波形為主，因此，對(duì)不同B柱加速度波形而言，同類型安全帶對(duì)假人胸部的保護(hù)效果將完全不同。本文根據(jù)正面碰撞試驗(yàn)中車體B柱加速度波形的近似程度，將其分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，分別選取其中駕乘人員配帶4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究。

3.1 前高后低B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

某L車前端剛度偏大，碰撞中B柱加速度波形可視為前高后低階梯形，前排乘員配帶4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶，試驗(yàn)所采集相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 中，B柱加速度曲線前高后低，高平臺(tái)平均為-40 g左右，低平臺(tái)平均為-15 g左右；骨盆加速度曲線幅值達(dá)到-65 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，安全帶有效作用階段處于B柱加速度曲線高平臺(tái)結(jié)束之后。

圖2中，胸部壓縮變形量曲線呈前低后高階梯狀，低平臺(tái)值約為26 mm，時(shí)間為50～63 ms；高平臺(tái)值約為32 mm，時(shí)間為73～83 ms；低平臺(tái)到高平臺(tái)過(guò)渡時(shí)間為63～73 ms。低平臺(tái)值為安全帶直接作用產(chǎn)生，比預(yù)計(jì)偏高4 mm，表明此次碰撞試驗(yàn)中乘員假人胸部剛度偏低。在假人高速標(biāo)定和低速標(biāo)定試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)定反映出假人受到?jīng)_擊時(shí)，速度越高，胸部剛度越低[6，7]。 因此，此次試驗(yàn)中安全帶獨(dú)立作用階段假人胸部剛度偏低原因可能是假人相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高所致；另外，高平臺(tái)值應(yīng)為安全帶選配不當(dāng)造成胸部與安全氣囊發(fā)生沖擊所致。

對(duì)骨盆加速度和B柱加速度取差值計(jì)算出相對(duì)加速度曲線如圖3所示，相對(duì)速度曲線如圖4所示，相對(duì)位移曲線如圖5所示。

圖3 中，假人相對(duì)加速度曲線加速和減速部分絕對(duì)幅值都達(dá)到40 g；圖4中，相對(duì)速度幅值達(dá)到7.4 m/s，成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，相對(duì)速度在 63 ms時(shí)趨于平緩進(jìn)而轉(zhuǎn)向；圖5中，在63 ms前、后出現(xiàn)近似平臺(tái)。

綜合分析圖4和圖5可知，碰撞中假人相對(duì)速度幅值達(dá)到7.4 m/s，與通常5.5 m/s左右相比明顯過(guò)高，與圖2中的初步分析相符；在63 ms時(shí)假人相對(duì)速度下降至0.7 m/s，為最低，可認(rèn)為此時(shí)向前直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)束，后續(xù)可能發(fā)生上挺、下潛等運(yùn)動(dòng)情況。

綜合分析圖2和圖4，圖2中，從63 ms開始，胸部壓縮變形量發(fā)生突變，結(jié)合圖4可確認(rèn)突變發(fā)生在假人相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)束階段。

依據(jù)上述分析可知，假人相對(duì)速度幅值高、結(jié)束快，加速和減速過(guò)程對(duì)試驗(yàn)中假人都將形成較大沖擊。為進(jìn)一步分析沖擊影響，建立胸部壓縮變形量與假人相對(duì)車體位移的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 中，胸部壓縮變形量從低平臺(tái)向高平臺(tái)發(fā)生突變，從26 mm增至32 mm過(guò)程對(duì)應(yīng)假人相對(duì)位移為210～220 mm，即骨盆向前10 mm，胸部壓縮變形量增加6 mm。圖2中，該過(guò)程對(duì)應(yīng)時(shí)間為63～73 ms。整個(gè)突變過(guò)程表明，假人骨盆即將達(dá)到最大位移時(shí)，假人胸部前沖與安全氣囊發(fā)生10 mm左右擠壓沖擊，最終導(dǎo)致胸部壓縮變形量超標(biāo)嚴(yán)重。依據(jù)C-NCAP規(guī)定，胸部壓縮量為26 mm時(shí)可得4.3分，胸部壓縮量為32 mm時(shí)只可得3.2分，胸部后續(xù)擠壓沖擊造成額外損失1.1分。

總體分析可知，本次案例中所選擇安全帶碰撞時(shí)反應(yīng)不及時(shí)，即約束作用滯后性過(guò)強(qiáng)，且約束力不夠，導(dǎo)致假人相對(duì)加速度過(guò)大，相對(duì)速度過(guò)高，不但假人沒(méi)能被及時(shí)拉住，而且在加速和減速過(guò)程中都形成了沖擊。

3.2 前低后高B柱波形與預(yù)緊限力式安全帶的匹配效果研究

某M車前端剛度偏小，隨著碰撞深入，變形累積后剛度偏高，故碰撞中B柱加速度波形可視為前低后高階梯形，駕駛員側(cè)為4.5 kN卷收器預(yù)緊限力式安全帶。

碰撞試驗(yàn)后，所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

圖7 中，B柱加速度曲線視為前低后高階梯形，低平臺(tái)可看作-15 g左右，高平臺(tái)可看作-40 g左右；骨盆加速度曲線幅值達(dá)到-55 g。骨盆加速度曲線與B柱加速度曲線相比，前期作用較好，但后期滯后明顯。

圖8中，胸部壓縮變形曲線呈三角形，未出現(xiàn)安全帶直接作用平臺(tái)。安全帶限力作用開始后，第55 ms時(shí)胸部壓縮變形量出現(xiàn)瞬間回彈，變形值為21 mm，為安全帶直接作用產(chǎn)生。安全帶限力后，假人胸部壓縮變形量快速增加，在約70 ms時(shí)達(dá)到29.5 mm，此結(jié)果應(yīng)為假人胸部與安全氣囊等產(chǎn)生沖擊造成。在約70 ms后，胸部壓縮變形量急速下降，借助高速攝像分析，此時(shí)吸能管柱潰縮吸能，胸部沖擊得到緩解。

取骨盆加速度和B柱加速度差值計(jì)算出相對(duì)加速度曲線如圖9所示，相對(duì)速度曲線如圖10所示。

圖9 中，相對(duì)加速度曲線加速部分幅值約為15g，持續(xù)時(shí)間約為58 ms；減速部分幅值約為-30 g，持續(xù)時(shí)間約為32 ms；圖10中，相對(duì)速度幅值為5.2 m/s，速度歸零時(shí)刻為第82 ms，減速開始至歸零用時(shí)24 ms，不足加速時(shí)間一半，降速相對(duì)較快。圖9和圖10綜合分析表明，假人相對(duì)速度最終幅值不高，但加速過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，即假人遲遲不能被安全帶約束住，最終導(dǎo)致假人與前方發(fā)生沖擊，在沖擊過(guò)程中結(jié)束相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

為進(jìn)一步確認(rèn)此碰撞過(guò)程，計(jì)算出假人相對(duì)位移如圖11所示，相對(duì)位移與胸部壓縮變形量之間關(guān)系如圖12所示。

圖11 中，在82 ms時(shí)，假人相對(duì)位移最大，為202 mm，一段時(shí)間后，在109 ms時(shí)回彈至190 mm。

圖12中，假人骨盆從即將達(dá)到最大位移至反彈初期，假人胸部受到明顯擠壓，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的胸部壓縮變形過(guò)程近似半球形。此結(jié)果進(jìn)一步證明假人胸部與安全氣囊發(fā)生碰撞過(guò)早，此時(shí)，安全氣囊剛度較大。假人胸部前沖擠壓到一定程度后，伴隨安全氣囊泄荷、方向管柱潰縮吸能，胸部沖擊才得以緩解；在胸部受阻及安全帶作用下，假人回彈，即假人回彈與胸部受到安全氣囊的沖擊作用密不可分。

綜合分析可知，本案例中安全帶約束效果一般，造成假人胸部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較差，最終導(dǎo)致胸部與安全氣囊產(chǎn)生沖擊擠壓。

4 B柱加速度波形與安全帶選配間的關(guān)聯(lián)性研究

4.1 理想B柱x向加速度波形研究

對(duì)B柱2種階梯形加速度波形的研究表明，安全帶作用效果對(duì)B柱加速度波形的依賴程度較高，因此，為了提高安全帶作用效果及約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化可調(diào)整空間，車體需要在碰撞過(guò)程中出現(xiàn)一種理想的B柱加速度波形，使假人在常用的卷收器預(yù)緊限力式安全帶作用下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)平緩、無(wú)沖擊。

考慮到安全帶腰帶對(duì)骨盆的作用結(jié)果通常為前低后高近似階梯形，理想B柱加速度波形也應(yīng)為前低后高階梯形。另外，在安全帶腰帶作用后應(yīng)確保假人在整個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)沖擊，因此，應(yīng)產(chǎn)生如下結(jié)果：假人骨盆相對(duì)位移在200 mm左右，整個(gè)相對(duì)動(dòng)作時(shí)間為80 ms左右，相對(duì)速度基本為對(duì)稱三角形。

依據(jù)相對(duì)位移為200 mm、運(yùn)動(dòng)時(shí)間為80 ms，計(jì)算出理想最大相對(duì)速度為5.5 m/s。相對(duì)速度基本為對(duì)稱三角形，則其加速度波形也基本對(duì)稱，時(shí)間歷程均為40 ms左右。

相對(duì)加速度加速部分以車體B柱加速度波形低平臺(tái)為主，時(shí)間歷程應(yīng)為15 ms左右。將低平臺(tái)部分看作梯形，以加速度幅值為高，以40 ms為下底、15 ms為上底，以速度5.5 m/s為面積，則可估算出加速度幅值為-20 g?？紤]到被骨盆加速度曲線取差值后會(huì)有所減弱，故理想B柱加速度曲線的低平臺(tái)應(yīng)為-23 g左右。

相對(duì)加速度的減速部分以骨盆加速度為主，主體部分通過(guò)骨盆加速度高平臺(tái)與理想B柱加速度曲線高平臺(tái)取差值獲得。考慮到骨盆加速度的幅值通常在-55 g左右，差值后欲得到-20 g的平臺(tái)，B柱梯形波的第2個(gè)平臺(tái)幅值應(yīng)為-35 g左右。

依據(jù)上述分析，建立理想B柱階梯形加速度波形，結(jié)合試驗(yàn)中假人骨盆加速度波形建立比較關(guān)系如圖13所示，相對(duì)加速度波形如圖14所示。

圖13 中曲線反映了理想加速度波形與卷收器預(yù)緊限力式安全帶腰帶作用結(jié)果之間的關(guān)系，其中，時(shí)間軸不局限于此；圖14中，相對(duì)加速度波形加速部分和減速部分基本對(duì)稱，平臺(tái)絕對(duì)幅值在20 g左右，即加速和減速過(guò)程都較平緩，碰撞中可減少或避免假人因沖擊造成的傷害。

4.2 不同階梯形B柱加速度波形下安全帶的選配

對(duì)于已開發(fā)完成且B柱加速度波形不是理想波形的車型，在安全帶選配上，為提高假人胸部保護(hù)效果，應(yīng)結(jié)合理想B柱加速度波形及前高后低、前低后高波形綜合考慮進(jìn)行。對(duì)于前高后低及前端平臺(tái)明顯高于23 g的階梯形波，考慮到單預(yù)緊限力式安全帶約束作用滯后性過(guò)強(qiáng)，應(yīng)盡可能選用雙級(jí)預(yù)緊限力式安全帶，以提高對(duì)假人整體約束作用，降低假人相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)減少胸部與前方安全氣囊及轉(zhuǎn)向盤等的碰撞強(qiáng)度。另外，為確保安全帶對(duì)假人胸部有足夠約束作用，安全帶限力值應(yīng)不低于4 kN。

對(duì)于前低后高且前端平臺(tái)明顯低于23 g的階梯形波，應(yīng)提高安全帶腰帶約束作用，同時(shí)，確保假人胸部前撲、頭部前甩，最終使安全氣囊對(duì)假人頭部盡早起阻尼作用，且使頭部砸在氣囊中部，避免胸部在碰撞后期與安全氣囊發(fā)生過(guò)強(qiáng)接觸。因此，此種情況下應(yīng)盡可能采用帶扣預(yù)緊結(jié)合卷收器限力方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

將正面碰撞試驗(yàn)中車體B柱加速度波形分成前低后高、前高后低2種階梯形類型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出理想波形，并就3種波形下預(yù)緊限力式安全帶的選配進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：在安全帶選配時(shí)，應(yīng)充分考慮B柱加速度波形的影響，以腰帶作用能夠平衡假人相對(duì)運(yùn)動(dòng)、肩帶能夠調(diào)整假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選配，對(duì)于23～35 g理想B柱階梯形波形，可選配卷收器預(yù)緊限力式安全帶；對(duì)于前高后低及前端平臺(tái)明顯高于23 g的階梯形波，應(yīng)盡可能選用雙級(jí)預(yù)緊限力式安全帶；對(duì)于前低后高且前端平臺(tái)明顯低于23 g的階梯形波，應(yīng)盡可能采用帶扣預(yù)緊結(jié)合卷收器限力的安全帶組合。

1 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 (天津).中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)則（C—NCAP）,2009.

2 商恩義,張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車技術(shù)，2010，10:18～21.

3 張學(xué)榮,劉學(xué)軍,陳曉東,等.正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證.汽車工程，2007，12:1055～1058.

4 SAE J211-1,Instrumentation for Impact Test– Part1–Electronic Instrumentation,REV.MAR95,2003.

5 商恩義,李洪梅.車體“剛度”在正面碰撞中對(duì)人體傷害影響的研究.汽車技術(shù)，2010，2:12～15.

6 USER′S MANUAL FOR THE 50th PERCENTILE MALE HYBRID III TEST DUMMY，SAE Engineering Aid.1998.

7 SAE J2779-2003.HIII 50th男性假人低速胸部碰撞試驗(yàn)程序，2003.

8 GB14166.機(jī)動(dòng)車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng).2003.