安全帶預(yù)緊性能對(duì)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響

劉昕耀 韓非 李明陽 韓嘯

沈陽金杯錦恒汽車安全系統(tǒng)有限公司 遼寧省沈陽市 110141

1 引言

被動(dòng)安全性是指汽車在發(fā)生碰撞事故時(shí)，有效約束車內(nèi)乘員使其避免受傷或傷害程度降到最低。安全帶是被動(dòng)安全重要的組成部分，是約束車內(nèi)乘員的最重要的零件，因此安全帶的約束性能對(duì)整個(gè)安全系統(tǒng)來說都非常重要。

基于2018 版C-NCAP 針對(duì)后排得分權(quán)重的增加，后排安全帶配置也在提升。因此，在現(xiàn)有市場，預(yù)緊限力式安全帶已經(jīng)成為最普遍的安全帶配置，也是保證乘員安全的基礎(chǔ)配置。2018 版C-NCAP 針對(duì)肩帶力要求小于6KN，因此汽車安全系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，低扭力桿會(huì)越來越受到歡迎。

近年來，隨著輕量化汽車及小型汽車的發(fā)展，車內(nèi)空間有限，要求安全帶的約束性能更強(qiáng)。僅通過改變扭力桿大小已經(jīng)無法滿足主機(jī)廠的要求，改善安全帶的預(yù)緊性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升對(duì)假人的約束，便成為了更加有效的方式。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多家汽車廠對(duì)卷收器出口力值預(yù)緊后跌落值有標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，例如不能小于1KN 以下。預(yù)緊后跌落對(duì)整體約束有何影響，還需要進(jìn)行有效的驗(yàn)證。我們預(yù)想的結(jié)果是預(yù)緊后跌落，導(dǎo)致鎖止不及時(shí)，使得限力上升時(shí)間較晚，這樣表現(xiàn)的卷收器，假人約束效果明顯較差。

在上述設(shè)計(jì)思路下，我們開展以下工作，進(jìn)行仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，搭建仿真模型進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，保證模型的準(zhǔn)確性，通過調(diào)整模型給實(shí)現(xiàn)預(yù)緊跌落與預(yù)緊不跌落兩種狀態(tài)，得到假人各個(gè)位置加速度的曲線，對(duì)比假人的約束效果，驗(yàn)證得到設(shè)計(jì)思路為正確。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型的建立

使用仿真軟件進(jìn)行安全帶系統(tǒng)仿真技術(shù)研究。模型搭建參照GB14166-2013標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)方式，仿真模型使用Hybrid Ⅲ50%男性假人、剛性座椅。使用某知名主機(jī)廠的新款車型的坐標(biāo)點(diǎn)和波形。利用有限元方法模擬安全帶、假人、座椅等零部件系統(tǒng)，仿真模型如圖1 所示：

圖1 安全帶系統(tǒng)仿真示意圖

仿真模型在進(jìn)行開發(fā)思路驗(yàn)證前，需要進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，即實(shí)現(xiàn)仿真輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整模型達(dá)到足夠的精度，保證模型的準(zhǔn)確性。建立的仿真模型運(yùn)算后，輸出安全帶的常用力值和假人常用參數(shù)，包括卷收器出口力值、肩帶力、插鎖力、腰帶力、胸壓、頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等。將以上仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行CORA 分析，通過調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相似度達(dá)到90%以上，相似度較高，可以用于以后的仿真思路驗(yàn)證。

3.2 安全帶仿真力值

通過調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊與限力之間的轉(zhuǎn)換，改善跌落和鎖止不及時(shí)的情況。卷收器出口力值和肩帶力值表現(xiàn)如圖2 所示，原有狀態(tài)代號(hào)為H4（黑色），改善后的狀態(tài)代號(hào)為H7（紅色）：

圖2 仿真出口力和肩帶力對(duì)比

通過調(diào)整實(shí)現(xiàn)預(yù)緊與鎖止之間跌落力值上升，由1KN 升至1.5KN，限力上升時(shí)間明顯提前，提前最少5ms 的時(shí)間，達(dá)到我們預(yù)期的效果，可以進(jìn)行后續(xù)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的分析。

對(duì)比模型中假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以體現(xiàn)出假人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)包括插鎖力、腰帶力、胸壓、頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等，通過這些參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以觀測(cè)預(yù)緊與限力轉(zhuǎn)換的改善對(duì)假人束縛能力的影響。

仿真測(cè)量安全帶力值部分，插鎖力和腰帶力進(jìn)行結(jié)果比較。原有狀態(tài)代號(hào)為H4（黑色），改善后的狀態(tài)代號(hào)為H7（紅色）：

圖3 仿真插鎖力和腰帶力對(duì)比

由曲線可以看出：

1）改善后狀態(tài)H7 安全帶插鎖力值上升階段明顯提前，力值降低約1.5KN。

2）改善后狀態(tài)H7 安全帶腰帶力值上升階段明顯提前，力值降低約2KN。

以上力值表現(xiàn)均可以體現(xiàn)出對(duì)假人腰部約束效果明顯，腰帶力值低證明假人骨盆前移量較小，預(yù)緊與限力之間的改善，對(duì)假人骨盆運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)產(chǎn)生明顯的影響。

3.3 假人仿真加速度及胸壓

仿真使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，輸出假人X、Y、Z 三個(gè)方向的合成加速度，包括頭部加速度、胸部加速度和骨盆加速度，同時(shí)采集假人胸部壓縮量，進(jìn)行對(duì)比得到的曲線如下（圖4）：

圖4 仿真假人加速度和胸壓對(duì)比

由曲線可以看出，改善后狀態(tài)的表現(xiàn)如下：

1）曲線尖峰代表頭部碰撞膝蓋的時(shí)間，碰撞時(shí)間點(diǎn)明顯延后，峰值較低，說明碰撞幅度減小。

2）骨盆合成加速度明顯低于原有狀態(tài)。

3）胸部合成加速度明顯低于原有狀態(tài)。

4）胸部壓縮量高于原有狀態(tài)。

以上加速度及胸壓的表現(xiàn)，均體現(xiàn)出對(duì)假人的約束效果明顯。頭部、骨盆、胸部加速度峰值點(diǎn)都有明顯的下降，證明假人頭、骨盆、胸部向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)減小，對(duì)假人整體約束增強(qiáng)，胸部壓縮量增加也是對(duì)胸部約束增加的表現(xiàn)。

通過本節(jié)內(nèi)容可以得出，產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路是正確的，更改產(chǎn)品特性將預(yù)緊與限力之間轉(zhuǎn)換的力值

提升，限力上升時(shí)間提前，可以明顯增加對(duì)假人的束縛能力。對(duì)比同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖5 所示可以看出，相對(duì)安全帶位置，原狀態(tài)假人臀部前移量更大，上軀干前傾量更大。通過仿真結(jié)果可以看出，對(duì)假人頭部、胸部、骨盆位置的約束效果都明顯增強(qiáng)。

圖5 同一時(shí)刻假人仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的對(duì)比

但是結(jié)果表現(xiàn)胸壓變大，這樣會(huì)影響乘員保護(hù)結(jié)果，傷害值更大。由于前期約束效果提升，可以降低扭力桿等級(jí)，前期約束效果提升可使用低扭力桿等級(jí)，實(shí)現(xiàn)與高扭力桿等級(jí)一樣的約束效果，達(dá)到降低胸壓的效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)預(yù)緊與限力轉(zhuǎn)換部分的性能表現(xiàn)對(duì)假人運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的影響，進(jìn)行仿真分析得出以下結(jié)論：

1）改善了預(yù)緊后安全帶出口力值跌落問題，限力上升時(shí)間明顯提前。

2）出口力值預(yù)緊后提升以及限力上升時(shí)間提前，無論對(duì)于假人頭部、胸部還是骨盆位置，假人的約束效果都有明顯提升。

綜上所述：本文進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證研發(fā)方向的正確性，得出預(yù)緊性能對(duì)假人運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的影響，為主機(jī)廠安全帶選型提供更多更好的選擇。目前主機(jī)廠由于車型或者空間的限制，急需約束效果更好的安全帶性能。本文的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證擴(kuò)展了今后的安全帶開發(fā)思路，為汽車企業(yè)進(jìn)行性能匹配提供一些新的方法，對(duì)汽車企業(yè)進(jìn)行安全帶選型有一定的指導(dǎo)意義。