正碰中駕駛員側膝部氣囊對乘員損傷影響研究

劉燦燦，劉偉東，何成

正碰中駕駛員側膝部氣囊對乘員損傷影響研究

劉燦燦，劉偉東，何成

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

為了研究正面碰撞中駕駛員側膝部氣囊對乘員傷害的影響，結合26次碰撞試驗數據，針對配置膝部氣囊以及沒有配置膝部氣囊的10款車的13次對比試驗，對假人損傷進行了研究。分析了數據庫的車型分布，分別分析了假人的頭部、胸部以及大腿、小腿各部位的損傷情況，采用加權損傷準則（WIC）研究方法，對配置膝部氣囊以及沒有配置膝部氣囊的假人損傷進行深入分析。研究結果表明，由于膝部配置的氣囊，使假人頭部和胸部的損傷減小；大腿壓縮力以及膝位移有所增加；小腿力有所增加，但是脛骨系數有所下降；假人整體的WIC值降低了3.54%。對正面碰撞中駕駛員側膝部氣囊對假人損傷的影響研究，為膝部氣囊的開發以及現有膝部氣囊的改進優化提供了技術基礎。

膝部氣囊；碰撞試驗；安全帶；乘員損傷

隨著汽車安全技術的提高，安全帶、安全氣囊等被動安全約束系統產品日益豐富，出現了可變限力安全帶、多級氣體發生器、可變剛度安全氣囊等半智能化約束系統配置，使得正面碰撞中乘員的頭部和胸部傷害明顯降低，但這些配置并沒有明顯地降低乘員下肢的傷害[1]。雖然下肢的傷害并不會對駕駛員和乘員的生命造成威脅，但是卻容易造成長期的傷害甚至終身殘疾，后續治療費用高昂，影響生活的幸福指數，給事故的受害者帶來生理和心理雙重傷害[2]。

據統計，70%以上的大腿部位的傷害發生在正碰事故中，而其中1/2的傷害指數超過AIS2級[3]。各國的正面碰撞法規都對大腿、小腿部位的傷害做出了相應的規定，比如C-NCAP中的4個指標：大腿力、膝部位移、小腿壓縮力以及脛骨系數，這些指標對大腿以及小腿部位進行了評價。

為了改善碰撞中大腿、小腿部位的得分，各大廠商主要從兩方面改進他們的車型：①采用帶有填充材料的護膝板，在一個更大的區域內分散接觸力，減少正面碰撞時對下肢的傷害；②安裝膝部氣囊（KAB），在正碰中展開的膝部氣囊（KAB）有助于控制傷害的嚴重程度以及控制下肢的運動 過程。

膝部氣囊雖然起步較晚，但其與常見的安全氣囊組成類似，由碰撞傳感器、電子控制系統、觸發裝置、氣體發生器和氣袋組成[4]。膝部氣囊的作用是在發生碰撞時保護乘客膝部的安全，避免了膝部與面板的直接碰撞，緩沖膝部因沖擊產生的位移慣性。其工作原理為，當傳感器檢測到車輛發生碰撞時，氣體發生器就會點火發生爆炸反應，產生氣體并充滿氣袋，乘客與氣袋接觸時，通過緩沖吸收碰撞能量，從而保護乘客[5]。

膝部氣囊成本較高、技術難度大，尚未在國內普及，相關的研究方法也比較少[6]。為了研究正面碰撞中膝部氣囊對乘員損傷的影響，本文分析了10款車的26個正面碰撞試驗，其中13個沒有配置膝部氣囊，另外13個為對應的同款車型而且配置了膝部氣囊，以此分析膝部氣囊對假人損傷的影響。

1 車輛配置參數分析

本文采用碰撞試驗數據庫，分析正面碰撞中配置膝部氣囊以及沒有配置膝部氣囊的同一款車型的碰撞試驗，分析膝部氣囊對假人損傷的影響。為了避免單次試驗的偶然性，分析時本文采用的是近幾年的10款車的26次試驗。

通過分析發現，配置有膝部氣囊的車輛中SUV占了很大的比例，在本文采用的試驗中，SUV以及轎車的占比如圖1所示。

圖1 車型占比圖

從圖1可以看出，SUV的占比達到了80%以上，轎車的占比只有15%左右。由于試驗數據是隨機選取，從中可以看出近年來SUV車輛在市場中的占比在不斷增加。

分析試驗中，都配置有駕駛員前部氣囊，其在試驗中都進行了正常點爆，由于分析的是正面試驗，其余側氣囊等在正面碰撞試驗中沒有起作用，對車內乘員的損傷影響忽略不計，因此本文不進行考慮，只分析駕駛員側膝部氣囊對車內乘員的損傷影響。

2 車內乘員損傷情況分析

為了分析膝部氣囊對車內乘員的損傷影響效果，本節通過對比分析來研究沒有配置膝部氣囊以及配置膝部氣囊的車內乘員的損傷情況。研究表明，正面碰撞中駕駛員的頭部、胸部和下肢是主要傷害部位[7]。C-NCAP作為國內新車安全評價標準，其影響力以及權威性都是巨大的[8]。本文主要對C-NCAP中對假人的考核部位進行了分析，分別對頭部、頸部、胸部、大腿、小腿五個部分進行了對比分析，由于C-NCAP對每一部位都有多個考核項，接下來對各個部位進行詳細分析。

2.1 頭部損傷分析

正面碰撞時，車輛由于壁障的阻礙會停止運動，假人由于慣性會繼續向前運動，撞到氣囊上，雖然氣囊對頭部起到了一定的保護作用，但是在正面碰撞中還是會對頭部造成一定的損傷。

C-NCAP中對于頭部的評價，主要參考其值以及 3 ms合成加速度值。

為頭部傷害指標（Head Injury Criterion），有時也稱頭部性能標準（Head Performance Criterion）。這個指標是與頭部加速度的時間歷程相關的，其計算方式如下，取所有結果中的最大值[9]：

式（1）中：2－1為如果能夠確定頭部起始接觸時刻，則1和2為2個時刻，單位為s，表示頭部接觸起點與記錄結束2個時刻之間的某一段時間間隔，在該時間間隔內值應為最大；為合成加速度。如果不能確定頭部起始接觸時刻，則1和2為2個時刻，單位為s，表示記錄開始與記錄結束2個時刻之間的某一段時間間隔，在該時間間隔內值應為最大，2－1≤36 ms。

駕駛員頭部以及3 ms合成加速度值如圖2所示。

從圖2可以看出，配置膝部氣囊和沒有配置膝部氣囊的車輛，駕駛員的頭部損傷相差不大，但是配置膝部氣囊的駕駛員的以及3 ms合成加速度值要稍小于沒有膝部氣囊的乘員。頭部值降低1.61%，3 ms合成加速度降低0.65%，可見，膝部氣囊對頭部起到了一定的保護作用，但是保護效果有限。

2.2 頸部損傷分析

C-NCAP中對于駕駛員頸部的評價，主要參考其頸部伸張力、剪切力以及頸部彎矩，駕駛員的頸部損傷如圖3所示。

圖3 駕駛員頸部損傷值圖

從圖3可以看出，配置膝部氣囊的車輛，其駕駛員的正向伸張力增加，負向伸張力、剪切力以及對軸的彎矩減小。

2.3 胸部損傷分析

C-NCAP中對于駕駛員胸部的評價主要參考其胸部 3 ms合成加速度、胸部位移以及值。

其中，為黏性指標，是由胸骨的即時壓縮量和變形率的乘積算出，這2個值都從測量的胸部變形量得出。其中：

（）=（）/0.229

式（2）中：（t）為對時間的變形量，m；t為測量變形量的時間間隔，s，最大值為1.25×104。

（·）（t）=1.3[（t）·（t）]，（·）max=max[（·）（t）]

駕駛員的胸部損傷值如圖4所示。

圖4 駕駛員胸部損傷值圖

從圖4可以看出，配置有膝部氣囊的車輛，其胸部損傷值相比沒有膝部氣囊的來說，損傷值下降，3 ms合成加速度下降5.78%，胸部位移由27.57 mm降低到24.7 mm，下降了10.41%。可見膝部氣囊對胸部起到了一定的保護作用，減小了胸部的損傷。

從以上分析可以得出，由于車輛配置了膝部氣囊，駕駛員頭部以及胸部的損傷值減小，其原因可能為膝部氣囊展開，阻止了駕駛員向前運動，使駕駛員胸部與車內飾之間的接觸時間延遲，駕駛員側安全氣囊有更充足的時間展開，更好地保護頭胸部，導致損傷值減小[10]。

2.4 大腿損傷分析

C-NCAP中對于駕駛員大腿的評價主要考核其大腿力以及膝位移，其損傷值如圖5所示。從圖5可以看出，配置膝部氣囊的車輛，其駕駛員大腿壓縮力以及膝位移相比沒有配置膝部氣囊的車，其損傷值增大。左大腿力增加了4.44%，左膝位移增加了42.2%；右大腿力增加了5.33%，右膝位移增加20.61%。可見，膝部氣囊的配置導致大腿力以及膝位移增加。

圖5 駕駛員大腿損傷值圖

配置膝部氣囊以及沒有配置膝部氣囊的左、右大腿力曲線趨勢如圖6和圖7所示。

圖6 左大腿力受力情況

圖7 右大腿力受力情況

從圖6、圖7可以看出，配置膝部氣囊的車由于碰撞時刻膝部氣囊打開，使得大腿更早地接觸到氣囊，其受力達到最大值的時刻要比沒有膝部氣囊的早；而且由于其更早接觸膝部氣囊，導致其損傷值也較大。

2.5 小腿損傷分析

C-NCAP中對于駕駛員小腿的評價主要分析其小腿壓縮力以及脛骨系數，其中脛骨系數分為上脛骨系數和下脛骨系數，其損傷值如圖8所示。

圖8 駕駛員小腿損傷值圖

從圖8可以看出，有膝部氣囊的車，小腿壓縮力增加，左小腿壓縮力上升了38.76%，右小腿壓縮力上升了33%；上下脛骨系數減小，左小腿上脛骨系數降低6.25%，下脛骨系數下降9.38%，右小腿上脛骨系數降低10.2%，下脛骨系數降低8.82%。

3 加權損傷準則

為了更好地分析各傷害值對假人的影響，此處利用加權損傷準則（Weighted Injury Criterion，WIC）來評估假人的損傷，公式為：

式（3）中：為乘員頭部損傷指標；3 ms為頭部累計3 ms合成加速度峰值；3 ms為胸部累計3 ms合成加速度峰值；為乘員胸部壓縮位移量；FL和FR為乘員大腿軸向壓縮力。

13次對比試驗的值如圖9所示。

圖9 13次對比試驗的WIC值

13次對比試驗中膝部氣囊對整體值有改善的試驗為8次。從圖9還可以看到，第6次試驗中，有膝部氣囊以及沒有膝部氣囊的值相差比較大，膝部氣囊對假人整體值降低起了很大的作用。而從第11次試驗中可以看出膝部氣囊使得假人整體值有所增加，氣囊對改善值起了反作用，其膝部氣囊需要進一步優化來改善假人整體值。經計算，有膝部氣囊的值平均為0.436，而沒有膝部氣囊的值平均為0.452，值降低了3.54%，可見膝部氣囊對整體值有一定的提升。

4 總結

由于碰撞時膝部氣囊展開，阻止了駕駛員向前運動，導致其頭部以及胸部接觸車內飾的時間延遲，從而保證安全氣囊有更充足的時間展開，對頭部和胸部起到了很好的緩沖作用，更好地保護頭部、胸部，導致其損傷值減小；由于膝部氣囊的存在，使得駕駛員的腿部更早地接觸到氣囊，受到氣囊給腿部的一個力，其大腿力和膝位移的損傷值增加；膝部氣囊給大腿的接觸力通過膝蓋沿著脛骨/腓骨向下傳遞，而腳部受到踏板等的阻礙，傳遞受阻，導致小腿壓縮力增加，但是小腿脛骨系數由于膝部氣囊的安裝而有所下降。小腿壓縮力最多上升了38.76%，脛骨系數最多降低了10.2%。

用加權損傷準則對假人整體損傷情況進行評價后發現，由于安裝了膝部氣囊，假人整體WIC值降低了3.54%。

［1］盧靜，鄭顥，岳鵬，等.碰撞中駕駛員小腿受傷典型特征及保護策略研究［J］.北京汽車，2018（6）：27-30，42.

［2］孫振東，朱海濤，劉玉光.正面碰撞試驗中乘員小腿傷害特性研究［C］//湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室會議，2007.

［3］MIYAHARA R，MIYAJIMA Y，OGAWA S.The application of optimization techniques to design a foam pad to reduce lower-extremity injuries［J］.SAE Technical Paper，2008，2014（1）：10-30.

［4］程海東.駕駛員側膝部安全氣囊的仿真研究［D］.錦州：遼寧工業大學，2018.

［5］周厚林.汽車膝部安全氣囊［J］.科技創新導報，2014（1）：68.

［6］王挺.整車安全及膝部安全氣囊仿真方法的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2013.

［7］胡陳晨.轎車正面碰撞駕駛員頭、胸和下肢損傷研究［D］.長沙：湖南大學，2011.

［8］黃江寅，杜亮，劉光健，等.膝部氣囊在正面碰撞中的研究與應用［J］.汽車與配件，2017（6）：42-43.

［9］中國汽車技術研究中心，哈飛汽車股份有限公司，北汽福田汽車股份有限公司.GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護［S］.北京：中國標準出版社，2014.

［10］李麗，朱西產，王晶晶，等.汽車膝部氣囊設計及對乘員傷害影響研究［C］//第十六屆中國汽車安全技術國際研討會，2013.

2095－6835（2020）06－0046－03

U491.61

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.015

劉燦燦（1991—），女，研究生，工程師，研究方向為汽車被動安全。

〔編輯：張思楠〕