汽車安全帶預緊限力系統(tǒng)對前排乘員的保護性研究

葛如海，肖建中，張?zhí)K秀

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.無錫職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214121)

隨著近年來汽車保有量的增加，交通事故導致的人員傷亡數(shù)目不斷增加。我國2016 年最新的傷亡數(shù)據(jù)顯示，全年交通事故導致的傷亡數(shù)量為大約22萬人[1]。安全帶作為汽車碰撞時最重要的保護裝備，也是配合安全氣囊使用最有效的裝置[2]。根據(jù)交通部事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：即使在乘用車處于低速行駛時，不配帶安全帶也會發(fā)生乘員死亡；而在佩戴三點式安全帶的情況下，95 km/h以下的車速卻未出現(xiàn)乘員死亡[3]。目前一些零部件廠開發(fā)卷收器、鎖扣以及錨點預緊限力裝置，在事故發(fā)生之前，通過車輛傳感器向ECU發(fā)送信號，ECU判斷后再向它們傳達提前預緊的信號，從而結合了被動安全技術和主動安全技術來改善對乘員的保護效果。主、被動安全技術結合可以發(fā)揮各自的優(yōu)點，這也成為未來汽車安全主要的發(fā)展趨勢[4]。

文獻[5]利用移動積分窗算法開發(fā)了一種基于制動加速度信號控制的主動式安全帶預緊裝置。文獻[6]通過仿真手段，采用優(yōu)化預緊式安全帶各關鍵參數(shù)的方法，達到了提高預緊式安全帶整體防護效率的目的。文獻[7]針對預緊安全帶中的齒輪齒條式和滾球式預緊結構和性能進行分析及對比。文獻[8]針對駕駛員側安全帶不同預緊方式的保護效果進行研究。這些文獻主要是對特定的位置以及對駕駛員側開展研究。采用各種組合的預緊限力方式可以全方位地考慮對乘員的保護，以實現(xiàn)更好的效果。同時，前排乘員有著比駕駛員更大的危險，這主要是因為他們在事故意識和反應上都沒有一直處在戒備狀態(tài)，因此本文主要對前排乘員在不同預緊限力裝置下通過正面碰撞仿真研究其6種安全帶預緊限力組合時各種傷害情況，最后采用WIC綜合評價得出最優(yōu)的組合。

1 前排乘員正面碰撞仿真模型的建立及驗證

1.1 前排乘員正面碰撞約束系統(tǒng)模型的建立

本文為了讓結果更加符合實際情況，采用實車上的數(shù)據(jù)建立仿真模型，同時刪去一些不必要的實車模型，減少運算中的時間消耗。如圖1所示，模型主要包括局部車內環(huán)境模型、安全帶模型、HybridⅢ男性第50百分位橢球假人模型等，同時完成對假人與各部件的接觸和各部件特性的定義[9]。

安全帶模型采用三點式混合式安全帶模型，與假人接觸部分使用有限元模型，以此模擬假人與織帶之間的相對滑動、嵌入效應，同時可以保證假人身體不會下潛和滑脫[10]，從而保證結果的精度。其他部分都是采用多剛體模型來提高計算速度。

本文研究的是在卷收器、鎖扣和錨點上面增加預緊及限力裝置，因此參照一些實車上卷收器、鎖扣、錨點的角度和位置，同時依照它們織帶的方向設定預緊和限力大致方向，然后通過CATIA軟件建立相關的模型，再將模型導入到Hypermesh中進行網格劃分，最后將其節(jié)點信息和單元信息導入到MADYMO軟件中進行最后仿真分析[11]。

圖1 正面碰撞前排乘員約束系統(tǒng)仿真模型

1.2 前排乘員正面碰撞試驗

根據(jù)目前一直采用的2015年版C-NCAP規(guī)定，采用碰撞速度為50 km/h達到壁障的路線，在橫向任一方向偏離理論軌跡不得超過150 mm，并且前排乘員位置上放置一個HybridⅢ型第50百分位男性假人，如圖2所示。

圖2 實車試驗

1.3 仿真和實車傷害數(shù)據(jù)對比

建立正面碰撞前排乘客仿真模型，通過計算前排乘客假人的頭部、胸部、骨盆、安全帶肩腰帶力的傷害響應曲線，同實車試驗時的假人各部分傷害響應曲線進行對比[12]，結果如圖3所示。可以看出：仿真和試驗的假人的頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度、胸部壓縮量、安全帶的肩帶力、安全帶的腰帶力的主要曲線特征基本吻合，比如形狀、峰值及時刻、脈寬等。假人的傷害值最能體現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的有效性。表1是關于假人主要仿真指標和試驗數(shù)據(jù)的對比結果。由于實車碰撞時前排乘員的部位移動比較復雜，規(guī)律不能完全地通過仿真來找到，但對其的各種傷害響應誤差都在15%以內，這就說明建立的仿真模型可以反映真實的碰撞情況。

圖3 試驗與仿真中的假人傷害響應曲線的對比

表1 試驗與仿真中假人評價指標的對比

2 不同預緊限力器組合形式對前排乘員保護效果

對于不同的預緊限力的裝置，首先定義它們的名稱：無預緊限力的整個裝置稱為W/O；預緊限力卷收器稱為Retractor(R)；預緊限力鎖扣稱為PBP；預緊限力端片稱為PLP。為了更好地反映現(xiàn)實的需求，避免不符合實際的研究而浪費時間，主要研究W/O、R、R+PBP、R+PLP、PBP+PLP、R+PBP+PLP這6種組合。卷收器、錨點、端片的預緊方式都是一樣的，即在碰撞發(fā)生18 ms后，安全帶織帶在5 ms內預緊50 mm。限力值都定在3 500 N后對安全帶進行釋放，以減少對前排乘員的傷害。

為了綜合評價前排乘員約束系統(tǒng)的保護性能，充分考慮到約束系統(tǒng)整體對不同部位的保護效果，使用加權的方法對第50百分位男性假人的綜合傷害值進行評價，用WIC表示[13]，以此評價整個約束系統(tǒng)的保護效果。

式中：HIC36為頭部傷害指標值；C3ms為胸部3 ms合成加速度值(g)；Ccomp為胸部壓縮變形量(m)；FL、FR分別為左右大腿骨所受最大軸向力(kN)。

表2為6種裝置在前排乘員正面碰撞時仿真得出的傷害值數(shù)據(jù)。

表2 不同預緊限力方式對前排乘員的傷害值

2.1 頭部傷害指標HIC36

從表2的數(shù)據(jù)可以看出：HIC36的傷害值在前排乘員處在預緊限力卷收器和預緊限力鎖扣的狀態(tài)下達到最小值，為233.91；預緊限力鎖扣和預緊限力錨點表現(xiàn)次之，為243.05；而在不存在任何預緊限力的狀態(tài)下，HIC36的傷害值是最大的，已經接近最小值狀態(tài)下的2倍，說明預緊限力安全帶對前排乘客的重要性。同時可以看出：卷收器和錨點安裝預緊限力的效果和只有預緊限力卷收器的效果差不多，不過幾種組合方式中只有預緊限力卷收器在HIC36傷害值方面有所降低，卷收器和鎖扣的預緊限力組合降低了24.2%，錨點和鎖扣的預緊限力組合降低了21.2%,三預緊限力組合降低了8.2%。綜上所述，預緊限力卷收器和預緊限力鎖扣對于前排的乘員頭部的保護效果最好。

2.2 胸部3 ms合成加速度C3 ms

從表2的數(shù)據(jù)可以看出：在預緊限力鎖扣和預緊限力錨點下，前排乘客的C3 ms值最小，為24.21，較卷收器預緊限力降低了24.3%。而在未裝預緊限力裝置的情況下，C3 ms達到最大值，為45.32。其他的幾種組合的值都很接近，相比只安裝卷收器預緊限力的C3 ms降低了12%左右。由此可以看出：預緊限力鎖扣和預緊限力錨點的組合在胸部加速度方面的保護效果是最好的。

2.3 胸部壓縮量Ccomp

從表2可以看出：相比只裝有卷收器預緊限力，當安裝鎖扣和卷收器預緊限力、錨點和卷收器預緊限力、鎖扣和錨點預緊限力時Ccomp卻有所下降，下降幅度分別為6.7%、3.5%、22.9%。而三預緊限力的效果相比只安裝卷收器預緊限力上升了4.5%。由此可見：在錨點和鎖扣出預緊限力時，前排乘客的胸部壓縮量是最小的，而三預緊限力卻沒有對胸部壓縮量有所改善。

2.4 左右大腿骨所受最大軸向力FL和FR

通過表2可以看出：左右大腿的軸向力在前排乘員處在預緊限力鎖扣和預緊限力錨點時達到最小的值；預緊限力卷收器和預緊限力鎖扣的力值卻在其他幾個裝置中表現(xiàn)得比較好，最接近最小值；而預緊限力卷收器和預緊限力錨點和三預緊限力的效果卻稍遜一些。由此看出：在沒有預緊限力情況下，在左右大腿的軸向力上存在相對很大的力，當在鎖扣和錨點加上預緊限力后，可以最大程度上降低大腿軸向的力，相對只有卷收器預緊限力而言，左右大腿上的力分別降低了40.1%、37.1%。

2.5 綜合評價指標WIC

為了更好地比較出本文的6組方式對前排乘員的保護效果，采用WIC值均衡上面5個傷害指標。從表2可以看出：預緊限力鎖扣和預緊限力錨點的組合可以把WIC值降到最低值——0.279，相比只有一種卷收器預緊限力要降低22.7%，在前排成員的保護上效果是最好的；卷收器預緊限力和鎖扣預緊限力效果僅次之；不采用預緊限力的效果是最差的，WIC值遠遠超過其他組合。其他的幾種預緊限力方式在效果上是差不多的。

3 結論

本文是在實車試驗的基礎上應用MADYMO軟件建立前排乘員正面碰撞模型，對于6種組合方式在乘員保護的效果上進行研究，分析了主要的傷害指標，同時綜合所有傷害指標提出用WIC值進行綜合評價，得出以下的結論：

1) 前排乘員雖然相比駕駛員的傷害值會小，但一般情況下前排都會是一些相對駕駛員在身體素質、意識、體態(tài)等方面比較弱的人來乘坐，所以很有必要通過研究盡量減少碰撞對其的傷害。

2) 通過研究發(fā)現(xiàn)：在鎖扣和錨點處增加預緊和限力能最有效地減少對前排的乘員的傷害，相比只有卷收器預緊限力而言WIC值降低了22.7%，同時頭部傷害指標HIC36，胸部3 ms合成加速度C3 ms，胸部壓縮量Ccomp，左右大腿骨所受最大軸向力FL、FR分別降低了21.2%、24.3%、22.9%、40.1%、37.1%。

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