乘員氣囊結構優(yōu)化對小偏置碰撞保護的改善

同濟大學汽車學院 晁澤義

25%小偏置碰撞的測試的引入，使得乘客和氣囊環(huán)境相比于正面碰撞復雜化，提高了對于氣囊保護的要求。本文基于E-NCAP正面碰撞和IIHS小偏置碰撞測試工況下假人和氣袋位置變化的特點，通過受力分析，解釋了上述位置變化產(chǎn)生的原因，提出了對應的優(yōu)化方案。同時，基于仿真測試方法和實驗驗證方法，將傷害值具體化，橫向比較仿真和實驗的一致性；縱向比較優(yōu)化后氣袋結構相對于傳統(tǒng)氣袋結構的對于頭部和胸部的傷害值的變化，驗證了優(yōu)化結構的正確性。

伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對于汽車的碰撞安全技術也賦予了更完善的保護需求。以國內外廣大整車研發(fā)中心、零部件技術中心、科研機構和法規(guī)部門為獨立/協(xié)助單元，形成了點線面合作的碰撞安全國內生態(tài)圈，面向滿足全球化的安全法規(guī)要求的汽車設計成為該生態(tài)圈研究的重點和難點[1，2]。其中，基于IIHS的25%的小偏置碰撞測試（如圖1所示）以更接近真實碰撞情況的測試條件，更為嚴苛的測試工況，對于被動安全技術提出了新的技術要求[3，4]。

圖1 小偏置碰撞應用狀態(tài)Fig.1 Small overlap frontal crash application

正面氣囊作為正面碰撞過程中主要安全防護的措施，對乘員起到的保護超過40%[5，6]，是對于乘客在碰撞過程中是否會受到傷害的關鍵被動安全保護措施。

本文以正面氣囊為研究對象，通過基于全剛性壁障(E-NCAP)和25%覆蓋度小偏置碰撞（IIHS和C-IASI）測試條件工況下，比較正面保護氣袋姿態(tài)的差異；提出對于氣袋的優(yōu)化方案；以仿真和測試結果對比優(yōu)化方案對于小偏置碰撞條件下對于乘客的保護的改善，驗證優(yōu)化結構對于小偏置碰撞的滿足的正確性。

1 氣袋展開區(qū)別分析及其結構優(yōu)化

本文對比采用的是相同條件下特斯拉Model Y、寶馬X1和福特E Mustang在E-NCAP和IIHS的氣囊展開姿態(tài)和人臉接觸趨于的對比。測試結果如圖2所示，由于測試條件的車速不同，所以評價基于假人接觸氣囊正面的偏置；通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，無論是主駕和副駕，針對E-NCAP在全剛性壁障的條件下，氣袋展開路徑和假人接觸的路徑相互平行，可以確保假人接觸氣袋的中心區(qū)域位置，充分發(fā)揮氣袋的吸能作用；針對IIHS在25%覆蓋度小偏置碰撞條件下，氣袋展開路徑和車身保持平行，而假人的相對于氣袋展開的路線更加靠近車門，假人接觸氣袋的位置會偏離設計的中心區(qū)域位置，減少有效的吸能區(qū)域。

圖2 不同車型正面碰撞和小偏置碰撞差異Fig.2 Different models of frontal collision and small overlap frontal crash.

以車身為研究對象，繪制相同坐標系下受力圖如圖3所示，在碰撞發(fā)生過程中，針對全剛性壁障測試條件下，車身發(fā)動機艙受到一個來自于剛性壁障給予的一個完全垂直于接觸面的壓力，如圖3所示沿著Y方向F0；而針對25%小偏置碰撞，僅有碰撞區(qū)域受到垂直于接觸面的壓力，如圖3所示沿著Y方向F1，在汽車慣性的作用下，沿著Y向的小偏置作用力可以分解為沿著汽車中心線的受力F1'以及沿著Z軸的旋轉扭矩T0。扭矩作用下的旋轉，將氣袋和人的相對運動方向由之前的相對平行變化為形成一個特點的角度的狀態(tài)，從而出現(xiàn)測試結果中發(fā)生的氣袋和假人的小角度偏置，未落到中心上情況的發(fā)生。

基于上述缺陷的存在，從兩個維度進行補償優(yōu)化：（1）體積補償。該方案主要是通過氣袋體積的增加，補償小偏置碰撞帶來假人的偏移，由于氣袋設計遵循對稱平衡的設計，需要在Y方向上對稱補償，導致氣袋設計的浪費比例增加；（2）假人限位。該方案主要是通過增加氣袋的限制結構。通過氣袋結構限制特征的增加，可以在假人發(fā)生偏移運動過程中，沿著氣袋的導向結構實現(xiàn)滑向中心位置的功能。

綜合對比體積補償和假人限位的結構特點，可以發(fā)現(xiàn)體積補償方式，主要存在單側功能特征，而基于對稱設計，會造成設計浪費的情況。相比之下，假人限位特征方式，是增加少量體積的特征，起到在假人運動過程中的導向作用。

綜合對比上述特征，設計得到的氣袋結構如圖4所示。圖4中綠色區(qū)域為正常的氣袋結構，通過拉帶結構降低與假人臉部接觸區(qū)域的高度。該區(qū)域被定義為目標接觸區(qū)域，雖然該區(qū)域的氣袋吸能深度有所降低，但是基于設計標準仍然可以滿足吸能的要求；圖4中的黃色區(qū)域為淺導向區(qū)域，當發(fā)生小偏置碰撞，限位角度比較低的條件下，假人會和黃色區(qū)域相互接觸，通過特定的導向功能，將假人導向至綠色接觸區(qū)域；圖4中的紫色區(qū)域為深導向區(qū)，當發(fā)生小偏置碰撞，限位角度比較高的條件下，假人會和紫色區(qū)域相互接觸，通過更緩的接觸角度，降低正面接觸力，在導向的同時優(yōu)化整體受力；最后圖4中的藍色區(qū)域為結構加強區(qū)，主要目的是為了增加氣袋在該區(qū)域的整體強度，以滿足氣袋的完整性。

圖4 優(yōu)化氣袋結構Fig.4 Optimization of cushion shape

2 氣袋展開區(qū)別分析及其結構優(yōu)化

基于上述優(yōu)化設計結構，分別進行仿真分析和測試對標確認。仿真結果如圖5所示，分別進行了小偏置碰撞條件下普通氣囊和優(yōu)化后的氣囊的碰撞實驗數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計分析了假人頭部和頸部、胸部、股骨膝關節(jié)/脛骨和腳趾的受力影響；匯總得到各項數(shù)值和CIASI的標準需求進行比較。相比于傳統(tǒng)氣袋包型，優(yōu)化的氣袋結構在對于頭部保護上帶來了非常大的提升，將HIC15傷害值從之前的大于840縮小到128，對于頸部傷害值也有非常明顯的改善。由此可知，通過調整氣袋結構，增加導向特征可以充分優(yōu)化針對頭部傷害值和頸部傷害值帶來的變化。

圖5 氣袋優(yōu)化后仿真結果Fig.5 Simulation results after cushion optimization

實驗測試過程如圖6所示，通過檢測實驗過程中假人的受力，在小偏置碰撞條件下假人的受力數(shù)值和仿真結果的對比。可以得到仿真數(shù)值和測試結果數(shù)值范圍相對比較接近，特別的針對頭部傷害相差非常小。針對頸部的數(shù)值傷害各項數(shù)值的相差也非常小。仿真的結果和測試結果非常吻合，如表1所示。

表1 優(yōu)化前后仿真數(shù)據(jù)和實驗結果對比Tab.1 Comparison of simulation data and experimental results before and after optimization

圖6 .氣袋優(yōu)化后實驗結果Fig 6.Test results after cushion optimization

縱向對比測試結果，不難看出在頭部和頸部受傷的數(shù)值上，改良后的氣袋都體現(xiàn)出了相比于傳統(tǒng)氣袋更加優(yōu)秀的性能。在針對股骨膝關節(jié)/脛骨和腳趾的傷害數(shù)值上，性能表現(xiàn)相當。

3 結語

本文以IIHS和E-NCAP歷年典型的測試結果為切入點，舉證了在不同測試條件下氣袋展開狀態(tài)的差異，并且通過分析上述測試差異對于氣袋性能的影響。評估了不同的優(yōu)化方向對于性能的影響及其優(yōu)缺點，最后通過仿真測試和實驗驗證得到了如下兩點：

（1）優(yōu)化的氣袋結構，針對小偏置碰撞存在明顯的優(yōu)勢。可以有效地降低在小偏置碰撞中針對頭部和頸部的傷害；

（2）優(yōu)化的氣袋結構，實現(xiàn)了對假人頭部偏移的補償要求。可以有效地補償由于偏置碰撞帶來旋轉扭矩造成的氣袋和假人的偏移，通過導向結果實現(xiàn)對于假人頭部位置的調整和補償。

[1]朱軼平,束振偉.框型副車架針對小偏置碰撞性能的設計優(yōu)化[J].上海汽車,2022(1):55-62.

[2]劉明.關于25%偏置碰撞試驗及評價方法的研究[J].科技風,2013(20):55-56.

[3]汪俊,李雪玲.IIHS正面小偏置碰撞試驗及發(fā)展趨勢研究[J].汽車工程學報,2017,7(6):432-438.

[4]賈麗剛,農天武,勞兵,等.25%小偏置碰撞策略及測試評估研究[J].機械設計與制造,2022(1):62-65.

[5]秦孟蘇.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的汽車安全氣囊智能點火控制算法[D].長沙:湖南大學,2008.

[6]SHERWOOD C P NOLAN J M ZUBY D S.Characteristics of Small Overlap Crashes[C]//International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles,2009(4):27-34.