轉向管柱潰縮特性對駕駛員損傷的影響

劉玉云 盧靜亓 向翠 杜波濤 岳鵬

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

在汽車被動安全研究中，基于損傷機理的研究，如何提高碰撞中乘員的保護性能，研究人員開發出了安全氣囊、安全帶、限力式安全帶到預緊限力式安全帶再到雙級預緊式安全帶[1-2]。這些產品的量產化顯著提高了現代汽車的安全性能[3]。另一方面，為了進一步改善頭部及胸部的損傷，開發出了可潰縮式的轉向管柱。文獻[4]進行了B級車轉向管柱的開發研究，文獻[5]針對轉向管柱的布置優化進行了探索，文獻[6]進行了轉向管柱對駕駛員損傷的試驗研究。但是大部分研究都是針對轉向管柱的開發方法及相關法規試驗方法的研究，并沒有涉及轉向管柱潰縮力特性的研究，然而在汽車碰撞中，轉向管柱的潰縮特性直接影響駕駛員頭部的損傷進而影響駕駛員的胸部損傷[7-9]。因此，在汽車乘員的保護研究中，有必要進行轉向管柱的特性研究，分析轉向管柱潰縮特性與損傷的關系，從而指導汽車安全的優化設計，進一步提高汽車產品的安全性能[10]。文章主要針對轉向管柱潰縮特性與駕駛員損傷的相關性進行分析，探索碰撞中轉向管柱潰縮力對駕駛員損傷的影響規律，從而為整車安全性能開發及自適應轉向管柱的研究及整車預研階段的性能監控提供參考。

1 模型介紹

在汽車碰撞安全研究中，約束系統開發的主要手段包括有限元方法和多剛體的方法。有限元方法主要采用LS-DYNA軟件進行輔助研究[11]696，多剛體的方法主要采用MADYMO軟件進行研究。2種方法各有優缺點，有限元方法的優點在于能夠精確地分析約束系統相關參數對乘員損傷的影響，尤其是在一些局部損傷研究中，如C-NCAP碰撞中小腿損傷及座椅的防下潛研究，能夠準確分析相關參數與假人損傷的相關性及影響程度，從而可以精確地指導設計[11-12]699。多剛體的分析方法優點在于分析效率高。在約束系統優化分析中，由于涉及較多的參數優化（如安全氣囊、安全帶、座椅及轉向管柱參數等），工作量繁重，采用有限元的分析方法效率低。在一個全新開發的項目中，有限元方法突顯其局限性，而采用多剛體手段進行分析，可充分利用其高分析效率的優點。

文章著力于揭示碰撞中轉向管柱的特性參數對于駕駛員損傷影響的一般規律，不涉及具體的精確設計參數。采用多剛體手段分析高速碰撞中，轉向管柱的特性參數對駕駛員的損傷趨勢，為碰撞安全性能的改善提供參考。基于某車型，建立了100%正面碰撞MADYMO仿真分析模型，如圖1所示，模型包括了約束系統分析的主要部件。

圖1 多剛體仿真分析模型

為保證仿真結果的可靠性，對仿真模型進行了50 km/h100%正面碰撞滑臺試驗對標，仿真模型頭部及胸部的對標結果，如圖2和圖3所示；轉向管柱的潰縮時間歷程，如圖4所示。

圖2 某車型假人頭部加速度仿真與試驗對比

圖3 某車型假人胸部加速度試驗與仿真對比

圖4 轉向管柱潰縮歷程試驗與仿真對比

采用軟件自帶的曲線相似性評價功能，將仿真與試驗中假人的損傷結果進行對比，仿真曲線的峰值、峰值時刻及DUC（Difference area Under Curve）指標均大于 85%，WIS（Weighted Integrated Score）指標大于 80%。根據評價結果，認為仿真模型的精度滿足要求，可以用于下一步的分析。

2 轉向管柱參數分析

在汽車碰撞過程中，通過轉向管柱的潰縮，不僅能在碰撞事故發生時為駕駛員提供更大的生存空間，而且通過匹配合適潰縮力能夠充分緩沖駕駛員與氣囊接觸的沖擊力，從而降低駕駛員的頭部傷害。研究中發現不同轉向管柱的潰縮歷程對駕駛員的保護效能不盡相同，因此有必要分析轉向管柱潰縮歷程的影響因素。影響轉向管柱潰縮時間歷程的因素主要有轉向管柱的壓潰力特性和可潰縮距離，潰縮力特性又可細分為潰縮峰值力及潰縮持續力，轉向管柱的這3個特性影響著轉向管柱的潰縮歷程。在整車開發過程中，變更轉向管柱的潰縮距離可行性不高，通常進行潰縮力的調節，因此，主要進行轉向管柱潰縮峰值力及持續力的規律分析及優化。

2.1 峰值力對轉向管柱潰縮及駕駛員損傷的影響

在相同持續力下，研究不同峰值力對轉向管柱潰縮特性及駕駛員頭部損傷的影響，選擇峰值力在2.5～4.5 kN的分析區間，根據開發經驗2.5～4.5 kN適應多數據管柱的特性范圍，峰值力過高轉向管柱基本不潰縮，峰值力過低，容易影響正常使用。分析案例，如表1所示。轉向管柱的潰縮歷程及駕駛員的損傷響應，如圖5和表2所示。

圖5 不同峰值力下轉向管柱時間歷程（持續力為0.5 kN）

表2 不同峰值力駕駛員損傷響應

從假人響應的情況分析：峰值力從2.5 kN提高到3.5kN時，駕駛員的頭部損傷明顯改善；峰值力從3.5 kN提高到4.5 kN時，駕駛員的頭部損傷改善不明顯，說明對于特定系統轉向管柱的潰縮峰值力存在一個最低分界區間（分析案例中的優秀區間在3.5 kN左右)。結合仿真動畫分析，當峰值力小于該區間時，轉向管柱容易出現潰縮過早，引起較高的頭部3 ms加速度和HIC（頭部損傷指數），當峰值力高于該區間時，頭部損傷顯著改善，當轉向管柱潰縮峰值力進一步增大時，在頭部損傷改善的同時胸部損傷也會增加，因此若兼顧頭部與胸部的損傷，峰值力略高于最低峰值力區間是一個較優取值。

2.2 持續力對轉向管柱潰縮及駕駛員損傷的影響

在相同峰值力下，研究不同持續力對轉向管柱潰縮特性及駕駛員頭部的損傷影響，選取持續力在0.5～1.5 kN的分析區間，根據開發經驗0.5～1.5 kN適應多數據管柱的特性范圍，分析案例，如表3所示。

表3 不同持續力對轉向管柱潰縮影響的分析案例

轉向管柱的潰縮歷程及駕駛員的損傷響應，如圖6和表4所示。分析圖6和表4可知，當峰值力為2.5 kN時，轉向管柱的潰縮對持續力敏感；持續力為0.5 kN時，頭部損傷超出C-NCAP規定的最高性能限值；持續力為1 kN時頭部損傷也有較高的損傷風險；持續力為1.5 kN時頭部損傷能保持較低水平；峰值力為4.5 kN時，持續力從0.5 kN增加至1.5 kN時，轉向管柱的潰縮時刻對持續力的變化敏感性降低，且均能保持頭部損傷在較低水平。

圖6 不同持續力下轉向管柱時間歷程

表4 不同持續力下駕駛員損傷響應

在同一碰撞工況下，同一持續力下，轉向管柱的峰值力在2.5～4.5 kN范圍內變化，峰值力越大，潰縮的時刻越遲；同一峰值力下，持續力在0.5～1.5 kN內變化，持續力增加潰縮時間延遲。表明峰值力直接影響轉向管柱潰縮的時刻，持續力直接影響轉向管柱的潰縮過程。反映到駕駛員的損傷，在一定范圍內，較高的潰縮峰值力及持續力有利于降低頭部損傷，但峰值力較高時對胸部的影響較大，且不能通過調整持續力降低胸部位移。因此，兼顧頭部與胸部的損傷，在一定的約束系統下匹配轉向管柱時，考慮較低的峰值力，同時選擇較高的持續力。

3 試驗驗證

根據分析結果，在本課題中使用的約束系統匹配轉向管柱峰值力的優秀區間在3.5 kN左右（匹配不同約束系統優秀區間會有差異），在匹配新的轉向管柱時，較高的潰縮力可確保頭部損傷保持在低水平，同時峰值力太高時會影響胸部位移的優化空間，考慮轉向管柱潰縮力的行業誤差為±1 kN，有可能在峰值力較低時，會因為誤差的原因出現極低的峰值力。因此兼顧頭部與胸部的損傷，確定轉向管柱的壓潰特性設計參數峰值力為3.5 kN，持續力為1.5 kN，并通過滑臺試驗驗證轉向管柱的表現性能。

滑臺試驗前，通過靜態試驗獲得優化前同批次樣件轉向管柱的壓潰峰值力為2.8 kN，持續力約0.8 kN，優化后同批次樣件轉向管柱的壓潰峰值力為3.2 kN，持續力約1.3 kN。從轉向管柱優化前后的滑臺試驗結果（表5）可以看出，提高潰縮力后，頭部損傷明顯降低，HIC值降低顯著，同時，胸部位移有上升趨勢。滑臺試驗結果驗證了仿真分析的結論。

表5 轉向管柱優化前后試驗結果對比

4 結論

對轉向管柱潰縮力特性的研究表明，轉向管柱峰值力和持續力存在一個優秀區間，在不影響潰縮的前提下，高于該潰縮峰值力優秀區間有利于改善駕駛員頭部損傷，但過高的潰縮力將增加胸部的損傷，較高的持續力有利于提高轉向管柱潰縮的魯棒性。

通過優化轉向管柱的參數，可提高后期約束系統性能的優化空間，為約束系統的匹配提供了新的優化因素，為轉向管柱的性能設計及優化提供了參考。下一步將研究轉向管柱潰縮力優秀區間與匹配的安全氣囊的關系，進一步分析影響潰縮力優秀區間的因素。