離位工況下側面氣囊展開對Hybrid Ⅲ 3兒童假人損傷的研究

胡雷，周揚，柳惠君，李月明

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

側面碰撞是交通事故中較為常見一種碰撞形式，根據(jù)CIDAS的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在我國乘用車碰撞事故中，側面碰撞占比為31.6%。車輛在側面碰撞過程中,乘員的頭部、胸部、腹部及骨盆容易受到傷害。為了減少車內乘員在側面碰撞過程中的傷害風險，越來越多的企業(yè)采用側面安全氣囊，該裝置的引入可以降低側面碰撞中乘員受到嚴重傷害的發(fā)生率。但是安全氣囊也會在碰撞中引入新的能量，在某些情況下會加劇而不是改善受傷的可能性，例如對于離位(out-of-position，OOP)兒童以及5%成年女性來說，由于其身材較小，乘坐位置靠近安全氣囊，而且正常乘坐的乘客也可能會因碰撞前的事件(如剎車)而被迫離開初始位置[1]。在此情形下，安全氣囊的展開會導致其損傷甚至死亡的風險。為此，側面氣囊離位損傷技術工作組(TWG)通過試驗結果確定Hybrid Ⅲ 3兒童假人、HybridⅢ6兒童假人、SIDⅡs和HybridⅢ型5%成年女性假人具備必要的耐久性和重復性，因而選用作為測試對象。通過適當定位假人，使力傳感器的方向與部署安全氣囊的力方向一致，可以對離位傷害風險進行評估，并根據(jù)研究結果制定了測試要求和假人損傷參考指標，以指導生產廠家在側面氣囊方面的開發(fā)。

1 Hybrid Ⅲ 3兒童假人的側面氣囊離位測試方法

1.1 Hybrid Ⅲ 3兒童假人測試工況

目前市場上主要采用的氣囊有安裝在側圍上端的側氣簾(CAB)、座椅外側的側氣囊(SAB)，也存在少數(shù)車輛將氣囊安裝在車門上(Door-AB)。為減輕車上乘員在側面碰撞過程中的傷害,TWG工作組對上述3種氣囊進行了試驗研究，Hybrid Ⅲ 3兒童假人側面氣囊OOP試驗工況見表1。Hybrid Ⅲ 3兒童的試驗乘坐姿態(tài)如圖1所示。

圖1 Hybrid Ⅲ 3兒童的試驗乘坐姿態(tài)

1.2 假人傷害評價指標

側面氣囊OOP損傷技術工作組定義兩組假人傷害數(shù)據(jù)，即：損傷參考值和損傷研究值。其中，具有充分科學依據(jù)的數(shù)值被歸類為傷害參考值(表2)。目前由于科學支持較少或試驗經(jīng)驗不足，無法完全確定其準確性的損傷值被歸類為損傷研究值(表3)。供應商在設計氣囊過程中需要根據(jù)傷害參考值進行設計，即假人在試驗過程中的傷害值不能超過該參考值。為了給乘客提供更好的保護，供應商在側面氣囊的OOP試驗開發(fā)中，對傷害參考值要求更為嚴苛。側面氣囊OOP損傷技術工作組建議供應商同時在設計的側面氣囊系統(tǒng)時也盡可能的考慮損傷研究值，并在可行的情況下將其納入這些設計中。

表2 側面氣囊OOP試驗Hybrid Ⅲ 3兒童假人損傷參考值

1.2.1 頭部損傷

HIC是目前最廣泛接受的衡量頭部傷害風險的標準。HIC值根據(jù)下面的公式來進行計算：

(1)

式中：t2和t1為在碰撞加速度曲線中任意的兩個時間點，s;a為加速度，用重力加速度(以g為單位)的倍數(shù)衡量，計算時采用的是三向合成加速度。

對于側面氣囊展開對人體損傷采用HIC15，也就是在15 ms的時間差情況下的HIC值。Hybrid Ⅲ 3兒童假人HIC指標是根據(jù)50%的男性HIC最大不超過700的基礎上進行縮放獲得。

1.2.2 頸部損傷

頸部傷害的評價參考指標主要由頸部力FZ和Nij組成。Nij采用了FMVSS08里面的正面氣囊OOP頸部評價項，計算公式為：

(2)

式中：FZ和Mocy分別為軸向力和矢向彎曲力矩;FZc和Myc分別為其相應的臨界截距值。

因為Nij包含軸向力和彎曲力矩，軸向力包含壓縮和拉伸兩種情況，彎曲力矩包括前彎曲和后彎曲兩種情況。因此為評價所有可能的載荷情況必須考慮以下4個不同的指標：Nte用于拉伸和后彎曲，Ntf用于拉伸和前彎曲，Nce和Ncf分別用來代表壓縮和后彎曲以及壓縮和前彎曲的值。

1.2.3 胸部損傷

胸部損傷主要考查的是胸壓量和胸壓速率。胸壓量直接通過假人胸部位移傳感器獲得,胸壓速率通過胸壓量求導計算獲得。

2 Hybrid Ⅲ 3兒童假人側面氣囊離位試驗損傷分析

2.1 頭部傷害HIC

Hybrid Ⅲ 3兒童假人傷害值匯總見表4。常見的4種工況中，前朝向坐姿的兒童假人HIC值最高，達到107.22，但比參考值570小，因此在本車型中對Hybrid Ⅲ 3兒童假人造成的傷害較小。如圖5所示，通過假人頭部加速度曲線可以看出，合成加速度峰值時刻對應的X向和Z向的頭部加速度均比較大，造成頭部HIC的傷害主要是由于SAB和CAB共同作用假人頭部造成。

表4 Hybrid Ⅲ 3兒童假人傷害值匯總

圖2 Hybrid Ⅲ 3兒童假人前朝向頭部加速度曲線

2.2 頸部傷害

2.2.1 頸部Nij

由表4可知，4種工況中平躺座椅工況下頸部的Nij值最大。通過圖3的Nij曲線可看出，平躺工況下，假人頸部Nce的傷害指標最大，即試驗過程中假人受到的頸部壓縮力和向后彎矩最大。結合視頻分析，在假人平躺姿態(tài)，頭部平躺在座墊上。試驗過程中CAB并未與假人接觸，假人頸部傷害主要由于SAB的展開造成，如圖4所示。SAB在展開過程中作用于假人頭部，造成假人頭部拉伸力和后彎曲扭矩達到最大，即Nce值最大。

圖3 Hybrid Ⅲ 3兒童假人平躺頸部Nij

圖4 Hybrid Ⅲ 3兒童平躺Nij視頻截圖

通過4次試驗可看出，頸部Nij值均小于參考值1。根據(jù)相關研究資料顯示，Nij>0.2有受到AIS1長期損傷的風險，Nij>0.16有受到AIS1短期損傷的風險[1]。因此，盡管4種工況傷害值小于1，但均存在受到AIS1長期風險的損傷。

2.2.2 頸部拉伸力

由表4可知，4種工況中頭靠扶手平躺的工況下，假人頸部的拉伸力最大。試驗過程中，CAB的展開直接作用于假人頭部，對上頸部造成較大的拉伸作用，如圖5和圖6所示。拉伸載荷過大容易造成枕骨錯位、韌帶損傷和骨折等[2]。

圖5 Hybrid Ⅲ 3兒童假人頭靠扶手平躺頸部拉伸力

圖6 Hybrid Ⅲ 3兒童頭靠扶手平躺拉伸力視頻截圖

2.2.3 頸部壓縮力

由表4可知，4種工況中平躺座椅的工況下假人頸部的壓縮力最大。SAB在展開過程中，氣體發(fā)生器產生的氣體通過噴嘴噴射到氣袋內，由于氣體的流動和擴散使氣袋膨脹展開[3]，迅速作用于假人的頭頸部，并填充假人頭部與門內飾之間的間隙。在填充完假人頭部和門內飾之間間隙過程中，SAB會繼續(xù)擠壓假人頭部，而此時由于假人頭頸部受到坐墊的約束，造成其頸部壓縮力增大,如圖7和圖8所示。

圖7 Hybrid Ⅲ 3兒童假人平躺頸部壓縮力

圖8 Hybrid Ⅲ 3兒童平躺壓縮力視頻截圖

2.3 胸部傷害

由表4可知，4種工況中后朝向的假人胸壓量和胸壓速率略高于其他3種工況，但均遠小于參考值。4種工況中，僅有后朝向的工況假人胸部會直接與SAB接觸，其余工況假人胸部都未與SAB和CAB有直接接觸的可能性。試驗過程中假人未受到其他相關約束，在CAB和SAB展開作用于假人的胸部時，假人會沿著展開的方向運動，因此對假人的胸壓量和胸壓速率都比較小，故離位工況下SAB和CAB對假人的胸部傷害不明顯，如圖9至圖11所示。

圖9 Hybrid Ⅲ 3歲兒童后朝向胸壓量

圖10 Hybrid Ⅲ 3歲兒童后朝向胸壓速率

圖11 Hybrid Ⅲ 3兒童假人后朝向視頻截圖

3 結論

國內汽車企業(yè)對離位乘員的保護尚處于起步階段，相關研究較少。本文按照TWG的測試要求，針對Hybrid Ⅲ 3兒童假人進行了離位工況下側面氣囊的展開試驗，并對Hybrid Ⅲ 3兒童假人的傷害值進行研究分析，得出了以下結論：

(1)Hybrid Ⅲ 3兒童假人前朝向坐姿頭部受到SAB和CAB的共同作用，造成其HIC值在4種工況中最高；平躺座椅工況中頸部的受到SAB的作用Nij值達到最大；頭部靠近扶手的工況中頸部的拉伸力最大；后朝向試驗工況中假人未受到其他相關約束，在CAB和SAB展開作用于假人的胸部時，假人會沿著展開的方向運動，因此其對胸部傷害不明顯。

(2)基于TWG的離位試驗涉及Hybrid Ⅲ 3、Hybrid Ⅲ 6、SID-IIs 3類假人，一輪試驗涉及不低于15種試驗工況，試驗量大、試驗數(shù)據(jù)多以及試驗周期長。通過對假人在試驗過程中的傷害研究，為優(yōu)化試驗次數(shù)提供參考依據(jù)，實現(xiàn)開發(fā)成本減少和開發(fā)周期縮短。

(3)基于TWG的離位試驗要求中，假人定位缺少可量化的具體要求，因此在定位過程中受試驗工程師的主觀性和試驗經(jīng)驗影響比較大。不斷總結和積累相關的經(jīng)驗對提升OOP試驗的質量和數(shù)據(jù)一致性非常重要。