汽車正碰后排假人胸壓傷害原因分析和優化

鄧世寬 李盼東 王洪川 閆成

（1.北京長城華冠汽車技術開發有限公司；2.太航常青汽車安全系統（蘇州）股份有限公司）

C-NCAP 經過多年的發展，測試項目不斷完善，評價標準越來越嚴格。目前乘員保護中的50 km/h100%全正碰和64 km/h 40%偏置碰試驗中，對后排女性假人傷害的評價越來越重視。后排女性假人傷害受多方面影響，包括車體加速度、座椅性能、安全帶性能以及假人的總布置尺寸。某車型在試驗階段發現后排女性假人的傷害值不滿足目標要求，文章采取仿真分析和滑臺試驗手段，尋找造成假人傷害的主要原因和降低假人傷害的手段，優化后最終實現性能達標，該過程的經驗可用于車型開發指導工作。

1 目標和現狀

1.1 目標設定

某車型在設計初期設定目標為2018 版C-NCAP[1]五星，此車型基于同平臺基礎車型（2015 版C-NCAP五星），通過更改內外造型、增加軸距、重新開發側圍并優化部分車身結構進行開發設計。通過研究基礎車性能表現，制定符合2018 版C-NCAP 五星的車輛性能目標，如表1 所示。從表1 可知，優化重點在于提升正面碰撞及側面碰撞后排假人傷害、行人保護以及主動安全自動制動系統（AEB）的性能得分。

表1 某車型碰撞性能目標分解

1.2 數據提取結果

試驗車的氣囊控制器配置為8 回路，包括主副駕單級氣囊、主副駕預緊限力式安全帶、前排左右側氣囊、左右側氣簾、后排左右兩側三點式限力安全帶、中間普通三點式安全帶。通過第1 輪數據提取獲得的后排數據結果顯示，正面碰撞中后排假人傷害低于目標值，主要由于頸部和胸壓傷害大引起。后排女性假人傷害的目標值和初步得分，如表2 所示。

表2 汽車碰撞試驗中后排假人傷害數據提取結果

圖1 示出后排假人在正碰過程中的運動姿態。分析試驗數據和高速攝像可知，碰撞開始后，汽車減速，假人在慣性作用下開始移動，骨盆向前滑動，軀干以骨盆為軸向前彎曲，限力安全帶全程在起作用，未發生失效。假人在運動的整個過程中，頭部未與前排座椅以及其它車內零部件發生二次碰撞，但假人在碰撞初期骨盆前移量較大，安全帶未能有效束縛骨盆，造成安全帶織帶的所有壓力均作用于假人軀干，假人肩部未起到力的分解作用，胸部壓力增大造成胸部位移較大。同時最后階段假人甩頭嚴重，造成頸部Z 向力較大。

圖1 后排假人在正碰過程中運動姿態示意圖

試驗后檢查機艙內部和車體結構，無明顯異常，車身變形量符合預期。分析車體響應可知，B 柱加速度峰值和脈寬的試驗和仿真結果差異不大，兩者對比情況，如圖2 所示。

圖2 50 km/h 100%正面碰汽車左B 柱加速度試驗與仿真曲線對比圖

后排假人胸壓曲線，如圖3 所示。檢查假人傷害值曲線，胸部壓縮量超出性能目標范圍，胸部總壓縮量在50 ms 時開始上升，一直到90 ms 達到第1 個峰值，峰值在120 ms 達到最大，通過時間段對比判斷并結合高速攝像，胸壓峰值受加速度峰值出現時刻以及安全帶力的影響不大，100 ms 左右的波谷主要是由于假人腿部被前排座椅限制前移導致。

圖3 50 km/h 100%正面碰汽車后排假人胸壓曲線

假人胸壓增大過程中只有安全帶力在起作用，假人骨盆前移量大造成安全帶所有壓力作用于胸部，肩帶未有效分解壓力。所以造成后排假人傷害值大的原因主要是由于碰撞過程中假人前移量大。

2 原因分析

假人胸部傷害增大主要是由于安全帶直接作用于胸部的力增大，持續時間長。通過搭建仿真分析模型和滑臺試驗查找問題真因。仿真模型主要體現后排座椅總成、后排左側安全帶及插鎖、地毯和前排座椅靠背后面。滑臺主要由白車身、后排座椅總成、后排左側安全帶及插鎖、地毯和前排座椅總成組成。某車型優化用后排仿真模型和滑臺模型，如圖4 所示。仿真模型和滑臺輸入的加速度曲線均為車輛氣囊數據提取階段的B 柱加速度曲線。

圖4 某車型優化用后排仿真模型和滑臺模型示意圖

后排假人傷害和運動趨勢主要受后排座椅和安全帶影響，因此從這兩方面進行分析。

2.1 后排座椅坐墊

后排座椅帶有防下潛泡沫結構，座椅主要結構為金屬骨架，座椅坐墊和靠背為分體式，坐墊前部卡接，后部采用螺栓與車身連接。在試驗過程中，后排座椅坐墊后部安裝結構和坐盆支架發生變形并前移，安裝點不能有效阻止坐墊向前移動，假人隨之前移，同時座椅防下潛結構會因為座椅坐墊的前移失去原有的效果，造成假人骨盆前移。坐墊試驗后狀態，如圖5 所示，安裝結構和固定裝置明顯已經彎曲。

圖5 汽車碰撞試驗后坐墊前移失效狀態圖

座椅設計工程師和供應商針對座椅進行優化，確定整改方案為加強坐墊支架的剛度，改變支架結構并加強失效焊點的控制[2]。重新制作樣件，經滑臺試驗驗證，座椅坐墊前移量明顯減少，骨盆得到有效束縛后，假人運動姿態相比提取試驗改變，假人骨盆前移量減少，胸部壓縮量和頸部傷害明顯降低，如表3 所示。

表3 某車型后排座椅加固前后后排假人傷害數據提取結果

2.2 后排左側安全帶插鎖

由于安全帶插鎖與車身連接方式為織帶式，在碰撞前為非拉緊狀態，織帶本身也有延伸率，所以插鎖在碰撞中有向前移動的傾向，導致腰部的束縛沒有達到最好的效果，織帶式連接的插鎖效果不如鋼板或鋼絲繩連接的插鎖。利用仿真手段增加鎖止鎖舌，用來束縛假人骨盆的前移量，可以有效地減少胸部壓縮量[3]，但是骨盆加速度提升會造成頸部傷害，尤其頸部彎矩傷害增大，使用鎖止鎖舌前后假人傷害的對比情況，如表4 所示。

表4 安全帶插鎖使用鎖止鎖舌前后后排假人傷害

2.3 后排安全帶出帶口

后排安全帶卷收器布置在C 柱下側圍上，卷收器和支架采用螺栓連接，水平布置，出帶口在X 方向，安全帶出帶口和后排座椅靠背上無導向裝置，安全帶下固定點布置在車身C 柱下部。

由于卷收器在出帶口處無導向裝置，假人前移后，織帶受力，出口附近織帶產生向下的壓力，織帶會壓縮座椅靠背泡棉，也有可能會掉落進座椅靠背和C 柱裝飾板之間。安全帶在起始階段起不到應有的作用，織帶無法約束假人的運動。同時織帶出口位置距離假人頸部較遠，織帶產生的壓力被肩部分解得較少。安全帶出帶口位置，如圖6 所示。

圖6 某車型安全帶出帶口位置示意圖

通過仿真模型，在靠背上增加導向裝置，防止織帶陷入坐墊發泡中。改變出帶口的方向，其模型如圖7 所示。在原出帶口前140 mm 處增加導向裝置，或在此基礎上導向環位置Y 向向內移動40 mm。

圖7 優化導向環出帶口位置示意圖

再分別調整安全帶出帶口導向環X 向和Z 向位置，開展仿真分析，輸出后排女性假人傷害，如表5 所示，胸壓有所降低，同樣頸部彎矩傷害值增加。

表5 導向環位置變更后假人傷害

2.4 后排安全帶卷收器

后排卷收器使用預緊限力安全帶在滑臺上開展試驗，其余所有零部件不變。使用預緊限力安全帶相比限力安全帶的假人傷害值更低[4]，匹配的安全帶限力等級也會起到很好的保護作用。預緊作用可以有效地避免假人在初始階段向前移動，假人軀干在繞骨盆彎曲的過程中，安全帶力可以被肩部分擔一部分。表6 示出使用預緊限力安全帶開展滑臺試驗后的假人傷害數據。限力等級越大，假人的胸壓會越大，但是頸部扭矩會降低。選取合適的限力等級，能夠確保假人整體的傷害滿足要求，最終需要結合仿真和試驗的數據確定。

表6 使用預緊限力安全帶開展滑臺試驗后的假人傷害

3 結論

文章通過開展仿真分析結合滑臺試驗，查找后排假人受傷害的影響因素，用以指導將有利的設計體現到前期開發的車型中。以上多種方案在數據凍結后實施的局限性比較大，安全帶布置位置、結構以及更改配置和點火回路需更改大量設計并進行試驗驗證。

1）經分析確定假人前移量大的原因主要有3 個方面：座椅防下潛失效、織帶式插鎖效果差、導向環布置位置以及安全帶卷收器類型不合適。需要在設計初期充分考慮后排防下潛的可靠性，插鎖布置盡量減少織帶的延伸率，導向環布置靠近肩部，使用預緊限力安全帶從而使后排女性假人傷害降低。

2）后排女性假人由于沒有氣囊約束，只受安全帶和座椅約束，頭部不能產生二次接觸，所以胸部傷害會和頭頸的傷害矛盾，在優化過程中需要權衡考慮，在保證頭部不發生二次碰撞的前提下，使胸壓和頸部扭矩傷害都降到合理的范圍內。

3）預緊限力式安全帶、安全帶式氣囊、后排假人頭部用氣囊等會約束假人運動，對降低假人傷害起到作用，這是碰撞安全未來的主要研究方向。