基于2021版C-NCAP儀表板五星膝碰研究

摘" 要：隨著汽車工業的發展，汽車從“零死亡”向“零傷亡”再向“零事故”的終極目標不斷前進，汽車的安全性尤其是碰撞安全越來越受到人們的關注。相較于2018版C-NCAP，2021版儀表板knee-mapping試驗采用正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗（MPDB）替代了正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗，同時引入了可變區域接觸和集中力載荷的評分要求以及試驗前提達成規則，評分要求越趨嚴格。本文基于對2021版C-NCAP膝碰評分規程解讀，探索并提出達成五星膝碰的儀表板設計方法。

關鍵詞：C-NCAP；儀表板；五星膝碰

中圖分類號：U467.1+4" " "文獻標識碼：A" " "文章編號：1005-2550（2024）01-0061-09

Based on the 2021 C-NCAP of IP Five-star Knee-mapping Research

LI Wei， YE Qin， KANG Sheng-li， WANG Hong-ming， HE Qiao-li

（ Dongfeng Motor Corporation Researchamp;Development Institute，Wuhan 430058， China）

Abstract： With the development of the automobile industry， the ultimate goal of automobile from \"zero death\" to \"zero casualties\" and then to \"zero accidents\" continues to move forward， and the safety of automobiles， especially collision safety， has attracted more and more attention. Compared with C-NCAP 2018 version， knee mapping test of instrument panel 2021 version adopts front 50% overlap moving progressive deformation barrier crash test （MPDB） to replace front 40% overlap deformable barrier crash test， and introduces the scoring requirements of variable area contact and concentrated force load as well as the test prerequisite to achieve rules. Based on the interpretation of C-NCAP knee touch scoring procedures for 2021 edition， this paper explores and proposes a dashboard design method to achieve five-star knee-mapping.

Key" Words： C-NCAP; Instrument Panel; Five-Star Knee-Mapping

引" " 言

C-NCAP按照乘員保護、行人保護和主動安全三個部分的綜合得分率來進行星級評價，其中乘員保護中的100%正面碰撞和MPDB碰撞與膝碰相關，分值分別2分和4分，占比分值較大，按照C-NCAP星級評定方案，整車碰撞若要達到C-NCAP五星需要綜合得分率達到超過83%且小于92%（如表1），同時乘員保護、行人保護和主動安全同時達到相應閾值，而其中綜合得分率=乘員保護部分得分率×60%+行人保護部分得分率×15%+主動安全部分得分率×25%，由此可見達成五星C-NCAP條件即為苛刻，經統計[1]，五星級車的膝碰滿分車型占比100%，避免大腿扣分成為五星車必保項。

本文基于某車型儀表板的設計開發、CAE仿真分析以及試驗驗證，探索并提出了達成五星膝碰的儀表板設計可行方法。

1" " 2021版KNEE-MAPPING法規解讀與歸納

1.1" "2021版KNEE-MAPPING總況說明

1）在正面100%碰撞中，對大腿和膝部評分有修正，修正包括可變區域接觸和集中力載荷兩部分。對于每條腿單獨評估，并在對應的腿部得分基礎上進行修正。

2）為避免大腿/膝部的修正，可通過KNEE-MAPPING試驗來證明在劃定的風險區域內大腿力載荷應小于3.8kN，膝位移小于6mm，否則修正適用。

3）KNEE-MAPPING試驗在滑臺上進行。在進行正式KNEE-MAPPING測試前，必須進行滑臺與整車碰撞之間的性能驗證試驗。若滑臺試驗中假人傷害指標及儀表板破壞程度與整車相似，則可以進行正式的KNEE-MAPPING。

1.2" "2021版KNEE-MAPPING試驗前提

若車輛出現以下情況之一，則不接受KNEE-MAPPING試驗（如圖1）：

1）正面100%或MPDB碰撞試驗中，駕駛員或前排乘員大腿力載荷大于3.8kN；

2）正面100%或MPDB碰撞試驗中，駕駛員或前排乘員膝部位移大于6mm；

3）車身結構、乘員艙完整性和（或）腳坑破裂修正適用的情況；

4）車輛A柱位移大于65mm；

5）任何正面碰撞約束系統裝置，如正面安全氣囊、安全預張緊器等未能正確展開。

1.3" "2021版KNEE-MAPPING評分規則

對于每條腿單獨評估，并在單獨對應的腿部得分的基礎上進行修正。

1）在可變接觸評估區域內，若存在可能導致大腿力超過3.8kN和/或膝部位移超過6mm的碰撞位置點，則相應腿部得分應被修正，修正值為-1分，車輛制造商可以通過KNEE-MAPPING試驗消除該項罰分。

2）集中載荷區域，在膝碰評估區域內，若因存在結構硬點而導致大腿力超出3.8kN的膝部接觸位置，則相應腿部得分應被修正，修正值為-1分，車輛制造商可以通過KNEE-MAPPING試驗消除該項罰分。

3）對于駕駛員，若集中力載荷修正不適用，將上述評估區域重新劃分為轉向管柱區域和其余儀表板區域。轉向管柱區域為轉向管柱中心線向兩側外延60mm。對于每條腿，此時可變區域接觸-1分修正分分為轉向管柱區域-0.5分，其余儀表板區域-0.5分。

1.4" "2021版KNEE-MAPPING評分項目與方法

膝部風險評價主要用來評價車輛碰撞過程中是否會對不同體位乘員膝部造成相應的損傷，主要是在膝部可能接觸的區域內檢查是否存在集中載荷和可變區域接觸風險的情況。

首先，將整車100%FRB碰撞試驗后假人膝部接觸儀表板的位置作為劃分基準，確定不同體位假人膝部可能接觸的空間，這個空間我們稱為膝部評估區域。評價區域內分為儀表板表面和向里20mm的深度區域。

其次，在評價區域內檢查是否有相應的結構或部件，會造成膝部集中載荷和可變區域接觸風險。集中載荷與硬點相關，如果存在硬點，確認是否存在傳遞介質和路徑，能夠將集中載荷進行分散。判定方法是確定在硬點和碰撞面之間是否存在夾層結構（如泡沫墊），其最小間距為10mm；碰撞中泡沫墊不應移位，否則認為填充不充分；同時不應出現斷裂的情況。另一方面，即使在不存在硬點的情況下，較硬的儀表板和突兀的結構造型，也會增加膝部損傷風險，這就是所謂存在可變區域接觸風險。是否存在集中載荷或可變區域接觸風險最終判定是通過KNEE-MAPPING（下面簡稱KM）試驗來確定。具體講，集中載荷修正通過KM試驗中假人大腿載荷力是否達到3.8KN來確定；可變區域接觸修正通過大腿載荷力是否達到3.8KN或位移量是否達到6mm來確定。

最后還有一種情況是，在評估區域外，如果存在阻礙小腿運動、造成膝部位移超出6mm的結構，也需要進行可變區域接觸罰分。

膝碰風險評價主要包括4個步驟

一是評價區域劃分；二是評價區域內風險點選擇；三是臺車驗證試驗；四是KM試驗與罰分確認。

若膝部與儀表板無接觸的情況下

對于假人膝部有可能接觸不到儀表板的情況，在進行100%FRB碰撞試驗前，企業需提供相關信息，試驗前需在儀表板上粘貼花泥，根據接觸位置來進行評價區域劃分，這種情況下，不需要進行滑臺驗證試驗。

1）粘貼花泥進行試驗后，假人膝部接觸花泥，按照接觸深度進行評價區域劃分。

2）粘貼花泥進行試驗后，假人膝部未接觸到花泥，不再進行評價區域劃分，也不再進行膝部風險評估。

3）未粘貼花泥進行試驗，試驗中也未接觸儀表板。需要通過單獨假人腿型進行評估區域劃分。

2" " 儀表板應對knee-mapping技術方案設計

Knee-mapping試驗中大腿有兩個評分項目：①大腿壓縮力、②膝蓋滑動位移量；①和②均小于高性能限值則滿分；力大于高性能限值則在“力-時間曲線”中用差值法進行讀分[2]，滑移量大于高性能限值則通過線性差值讀分，兩者取最低分（如圖7）。

因此保證Knee-mapping試驗滿分需設計目標是同時保證膝部滑移量＜6mm且控制大腿壓縮力＜3.8KN。

2.1" "儀表板膝碰評價區域劃分

根據2021版Knee-mapping評價要求與罰分方法，儀表板膝碰區域劃分方法如下：

首先進行評價區域坐標軸定義。X向為車輛的碰撞方向，Y為車輛寬度方向，Z向為車輛高度方向。在劃分評估區域前，需要將車身調整到試驗前的姿態。評價區域的X方向是以膝部印記接觸最低位置點為基準點，向儀表板內部延伸20mm形成的區域。

Y方向，對于駕駛員位置，檢查員（50百分位身材）將左腳放置在腳踏板或地板上最接近試驗狀態時的位置。作為參考，腳跟可以在此位置基礎上向后移動100mm，向座椅中線方向移動50mm，同時膝部盡可能遠地向左側移動。右腳放置在加速踏板上，在保持腳部不移動情況下，將膝部盡量向右移動。以確定膝部能夠接觸到的區域，若有必要，座椅可向后移動至95百分位位置。

Z方向為膝部印記接觸最高位置點向上、向下各50mm 的區域范圍（如圖10）。

劃分完評估區域，進行風險點檢查。首先，進行儀表板表面風險點檢查；其次進行20mm深度內風險點檢查。最后檢查評估區域外是否存在阻礙小腿運動的機構（如圖11）。

2.2" "儀表板造型階段技術方案設計

為了盡可能的降低膝碰風險提高膝碰得分，在前期儀表板造型面設計時我們采用作圖法規劃儀表板型面邊界，具體作法如圖12。

步驟1：取50%混Ⅲ假人H點向車頭方向做一條115mm的水平線S，此線為100%正面碰撞人體最大滑移量；

步驟2：以水平線S末點作半徑404的圓，半徑404為50%混Ⅲ假人的大腿骨長；

步驟3：維持50%混Ⅲ假人保持腫點不動將加速踏板踩到下極限位置，由此得到下極限位置的踝點，已此踝點做半徑417的圓，半徑417為50%混Ⅲ假人的小腿腿骨長；

步驟4：取大腿圓和小腿圓上相交點做半徑67的圓，半徑67為膝蓋半徑；

步驟5：連接膝蓋圓點與下極限踝點得到小腿骨線（Tibia）[3]，將小腿骨線平行偏移100mm同時與膝蓋圓相切，已此切點分別做20×154和100×154長方體[2]，20×154區域為膝碰安全區，100×154為膝碰風險區。

通過上述作圖法得到了20×154區域為膝碰安全區和100×154為膝碰風險區，在儀表板造型設計時，儀表板的外邊界建議落在20×154的膝碰安全區，且此區域不得有尖銳凸出物，在100×154為膝碰風險區內若有尖銳凸出物，需保留吸能空間；

同時在Knee-mapping正碰試驗中，若假人小腿先接觸儀表板型會形成對膝部的力臂效應，小腿骨和大腿骨將在膝蓋處剪切撕裂導致滑移量超標，如下圖所示：

為了防止小腿與儀表板型面先接觸，儀表板的型面及腿部姿態控制需滿足（如圖14）參數。

同時為了減小大腿壓縮力有以下設計方法：

①在膝部碰撞區儀表板表面以內20mm不得布置尖銳物，不得設計剛性支架；

②膝部碰撞區（100×154矩形區）內若有堅硬尖銳物，需保留吸能空間；

③膝部碰撞區儀表板型面應均勻和連續，不能突變的型面，保持膝蓋接觸面均勻連續；

④膝部碰撞區域儀表板結構弱化設計，變料厚，局部去筋，增加吸能快；

⑤膝部碰撞區域盡量不要實際實體開關按鍵，如必須設計必須考慮結構弱化；

3" "儀表板膝部碰撞CAE分析與優化

采用第二章闡述的儀表板設計方法優化儀表板造型面、環境件布置以及儀表板內部結構數據，在完成第一輪3D數據后，啟動CAE仿真，對儀表板膝部碰撞進行仿真驗證，同時根據CAE仿真結果，不斷優化儀表板結構，直至達成膝碰不扣分的性能要求。

3.1" "儀表板膝部碰撞CAE仿真輸入和方法

CAE仿真輸入：

膝碰點輸入：通過第一、二節闡述的作圖法劃分膝碰區域，在膝碰區域內任何一個卡扣安裝點、結構支撐點、預掛支撐點、螺釘固定點、輪角凸出點、本體卡接點、轉向柱扣手、手套箱開啟扣手、顯示屏左右側、凸起倫邊以及懷疑有可能導致膝碰扣分點均需納入此次CAE仿真分析，本次在膝碰區域內選取30個點如圖15所示。

仿真方法輸入：選取一個16.2kg剛性沖擊塊，剛性沖擊塊前部圓柱體直徑130mm，厚度55mm，后部圓柱直徑30mm，長80mm，剛性沖擊快以4.3m/s的初始速度軸向撞擊儀表板膝碰點（如圖16所示），要求大腿壓縮力≤3.8KN。

3.2" " 儀表板膝部碰撞CAE仿真和優化

采用上述CAE仿真方法對儀表板膝碰點進行仿真分析，第一輪仿真結果如圖17所示，第一輪CAE仿真選取30個膝碰點，碰撞結果顯示23碰撞點不滿足要求，僅有7個點滿足要求，依據本次仿真結果對儀表板結構進行優化，其優化方法如圖18所示。

按照上述方法完成儀表板結構數據優化后開始第二輪仿真，仿真結果如圖19所示。

通過本輪仿真驗證，儀表板所有膝碰點均達滿足要求。

4" " 儀表板膝部碰撞試驗驗證

當儀表板完成開模，并且經過一段時間質量整改得到質量相對穩定的儀表板工裝零件后啟動對儀表板總成進行正式滑臺摸底試驗，摸底試驗需要在中汽研汽車檢驗中心（天津）進行[4]。

4.1" "儀表板膝碰滑臺試驗選點

首先將整車100%FRB碰撞試驗后假人膝部接觸儀表板的位置作為劃分基準劃分出膝碰區域，試驗人員在膝碰區域內選點，本次試驗中汽中心選取了6個膝碰點，如圖20。

本次選點選取了儀表板型面的凸出特征線、轉向柱扣手、顯示屏左右側以及手套箱扣手，從選點結果來看前期設計開發過程中風險較大點均被選中，因此在設計開發過程中懷疑有膝碰風險的點，均需納入CAE仿真驗證，從仿真側規避優化。

4.2" "儀表板膝碰滑臺試驗

儀表板膝碰滑臺試驗試驗方法如下：

◆ 將全裝配總成的主副儀表板（含環境件）、主副駕座椅、安全約束系統、地毯以及前風擋玻璃安裝至滑臺；

◆ 根據4.1節所選取的膝碰點，確定本次滑臺試驗要碰撞的碰撞點，本次碰撞試驗所選取的碰撞假人以及大腿姿態根據所選取的碰撞點來確定，試驗過程中采用的假人以及假人的大腿擺放姿態必須要碰撞到膝碰點，如若碰不到膝碰點，試驗人員可采取相應工裝設備促使假人碰到膝碰點；

◆ 碰撞假人和大腿姿態確認后，分別在假人膝蓋和膝碰點粘貼上碰撞傳感器，一切就緒后按照正面100%剛性碰撞方法對滑臺進行碰撞，碰撞結束后讀取大腿滑移力和膝部位移，以此判斷是否滿足試驗要求[5]。

從圖21滑臺試驗碰撞過程圖中可以看出，試驗采取了不同分位的假人和不同大腿擺放姿態，所有膝碰點均被假人膝蓋碰撞到。

4.3" "儀表板膝碰滑臺試驗結果

滑臺碰撞試驗結果如圖22，從試驗結果可以得出本次試驗選取的碰撞點均滿足Knee-mapping試驗滿分要求。

5" " 總結

本文基于2021版C-NCAP法規解讀、儀表板設計方法優化、CAE仿真論證以及膝碰滑臺試驗驗證，最終滿足五星膝碰的性能要求，本文可為后續車型儀表板膝碰達成五星提供下述參考：

◆ 2021版Knee-mapping試驗要求、評分規則以及膝碰區域的作圖方法；

◆ 在儀表板造型設計階段，膝碰緩沖區和膝碰風險區的作圖方法，控制儀表板造型邊界；假人腿型與儀表板型面的設計參數關系，防止小腿與儀表板型面優先接觸，已降低膝部滑移量超標的風險；

◆ 在儀表板結構設計階段，儀表板本體結構的弱化設計方法（變料厚、區域去筋、增加吸能塊、切弱化孔）以規避膝蓋壓縮力超標；

◆ 在儀表板膝碰CAE仿真驗證階段，膝碰仿真點的選取原則以及CAE仿真方法；

◆ 將膝部碰撞分析指標加入到checklist清單中檢查項，分別在各個階段檢查；

◆ 完善上述內容到儀表板開發流程中，后續項目按流程設計。

本門主要是基于2021版C-NCAP法規規程解讀，論述了儀表板達成5星膝碰的設計要點、CAE仿真方法以及根據仿真結果的儀表板結構優化方法。

參考文獻：

[1]胡朝暉.面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究[D]湖南大學博士學位論文，2010.

[2]曹渡.汽車內外飾設計與實踐[M]. 2011.

[3]2021版C-NCAP 管理規則[M]. 2021中國汽車技術研究中心有限公司.

[4]張志軍.汽車內飾設計概論[M]. 2008 .

[5]唐洪斌、楊海慶等.乘員膝部碰撞臺車試驗與車身結構設計[J].汽車技術，2012（5）：13-16.

專家推薦語

屈新田

東風汽車集團有限公司研發總院

CAE專業副總師" 高級工程師

本論文基于對2021版C-NCAP膝碰評分規程解讀，探索并提出達成五星膝碰的儀表板設計方法，數據詳實，方法科學，對工程設計工作具有指導意義。

李" 威

畢業于武漢理工大學，碩士研究生學歷，現就職于東風汽車集團有限公司研發總院，任主管工程師，主要研究方向為汽車儀表板儀表板技術方案設計，曾發表相關論文3篇，并獲得15項專利。