正面碰撞中车体B柱加速度与安全带选配间的关联性研究

商恩义 师玉涛 杨劲松 张世凯

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

1 前言

在C-NCAP星级评价体系中，正面碰撞试验前排假人考核部位规定为头部、颈部、胸部、大腿和小腿，其中，胸部伤害评价指标为胸部压缩变形量和胸部加速度cum.A3ms[1]，规定假人胸部分值为5分，并指出胸部压缩变形量22 mm为满分点，50 mm为零分点，中间值通过差值法计算。当前，胸部压缩变形量是碰撞中假人主要失分点，该失分与车体碰撞中B柱x向加速度形状及安全带的选择密切相关。

2 预紧限力式安全带的作用

2.1 安全带作用与假人胸部伤害间关系

安全带在通过约束对乘员整体起保护作用的过程中，通常会对配带者胸部造成直接挤压伤害，该挤压伤害程度与安全带的选配关系密切。假人胸部作为弹性结构，具有一定刚度，该刚度与安全带的作用力和作用速度等相关。以50km/h正面碰撞试验中50%假人胸部为例[2]，在普通安全带作用下，刚度为300N/mm左右，不易变形，但最终作用力大，直接伤害较高；在预紧限力式安全带作用下，刚度为200N/mm左右，相对易变形，但最终作用力幅值小，直接伤害小。因此，结合成本考虑，卷收器预紧限力式安全带当前被普遍采用，且考虑到胸部压缩变形量的满分点为22mm，限力值通常定在4kN左右（经过上导向环之后的测量值）。在实际碰撞过程中，安全带除了直接作用对乘员胸部造成挤压伤害之外，若选配不当，还可能造成间接挤压伤害，如当选配的安全带限力值过低时，可能会因其约束力不足，乘员胸部碰撞后期撞击到转向盘盘缘上，或与安全气囊形成挤压，造成瞬间超强伤害。

2.2 预紧限力式安全带分类及作用效果

根据预紧器所在位置不同，安全带预紧方式分为卷收器（retractor）预紧式、带扣(buckle)预紧式和锚点(anchor)预紧式，以及卷收器预紧加带扣预紧、卷收器预紧加锚点预紧的双级预紧方式。相关研究表明[3]，同等条件正面碰撞试验中，假人骨盆前、后位移量反映出的安全带腰带作用强度依次为双级预紧＞带扣预紧＞卷收器预紧＞无预紧。碰撞中后期，假人胸部前、后位移量反映出的安全带肩带作用强度依次为双级预紧＞卷收器预紧＞带扣预紧＞无预紧。因此，在双级预紧作用下，假人向前运动的相对速度最低，且胸部明显表现为平动；在带扣预紧作用下，假人将表现为平动加胸部绕骨盆轴线转动；在卷收器预紧作用下，假人将出现平动加胸部转动，但胸部转动的强度将低于带扣预紧作用。

3 不同B柱波形与预紧限力式安全带的匹配效果研究

碰撞试验中，假人所受伤害与假人相对车体的运动密不可分。指定加速度x向为前、后方向，向前为正[4]，分析假人x向相对车体的运动时，通常用假人骨盆该方向加速度减去车体B柱该方向加速度作为假人相对加速度[5]。该相对加速度波形基本是一个正弦波，加速部分以车体B柱加速度波形为主，减速部分以假人骨盆的加速度波形为主，因此，对不同B柱加速度波形而言，同类型安全带对假人胸部的保护效果将完全不同。本文根据正面碰撞试验中车体B柱加速度波形的近似程度，将其分成前低后高、前高后低2种阶梯形类型，分别选取其中驾乘人员配带4.5 kN卷收器预紧限力式安全带的试验结果进行研究。

3.1 前高后低B柱波形与预紧限力式安全带的匹配效果研究

某L车前端刚度偏大，碰撞中B柱加速度波形可视为前高后低阶梯形，前排乘员配带4.5 kN卷收器预紧限力式安全带，试验所采集相关数据如图1和图2所示。

图1 中，B柱加速度曲线前高后低，高平台平均为-40 g左右，低平台平均为-15 g左右；骨盆加速度曲线幅值达到-65 g。骨盆加速度曲线与B柱加速度曲线相比，安全带有效作用阶段处于B柱加速度曲线高平台结束之后。

图2中，胸部压缩变形量曲线呈前低后高阶梯状，低平台值约为26 mm，时间为50～63 ms；高平台值约为32 mm，时间为73～83 ms；低平台到高平台过渡时间为63～73 ms。低平台值为安全带直接作用产生，比预计偏高4 mm，表明此次碰撞试验中乘员假人胸部刚度偏低。在假人高速标定和低速标定试验中，对试验结果的规定反映出假人受到冲击时，速度越高，胸部刚度越低[6，7]。 因此，此次试验中安全带独立作用阶段假人胸部刚度偏低原因可能是假人相对车体运动速度过高所致；另外，高平台值应为安全带选配不当造成胸部与安全气囊发生冲击所致。

对骨盆加速度和B柱加速度取差值计算出相对加速度曲线如图3所示，相对速度曲线如图4所示，相对位移曲线如图5所示。

图3 中，假人相对加速度曲线加速和减速部分绝对幅值都达到40 g；图4中，相对速度幅值达到7.4 m/s，成对称结构，相对速度在 63 ms时趋于平缓进而转向；图5中，在63 ms前、后出现近似平台。

综合分析图4和图5可知，碰撞中假人相对速度幅值达到7.4 m/s，与通常5.5 m/s左右相比明显过高，与图2中的初步分析相符；在63 ms时假人相对速度下降至0.7 m/s，为最低，可认为此时向前直线相对运动结束，后续可能发生上挺、下潜等运动情况。

综合分析图2和图4，图2中，从63 ms开始，胸部压缩变形量发生突变，结合图4可确认突变发生在假人相对运动结束阶段。

依据上述分析可知，假人相对速度幅值高、结束快，加速和减速过程对试验中假人都将形成较大冲击。为进一步分析冲击影响，建立胸部压缩变形量与假人相对车体位移的关系曲线如图6所示。

图6 中，胸部压缩变形量从低平台向高平台发生突变，从26 mm增至32 mm过程对应假人相对位移为210～220 mm，即骨盆向前10 mm，胸部压缩变形量增加6 mm。图2中，该过程对应时间为63～73 ms。整个突变过程表明，假人骨盆即将达到最大位移时，假人胸部前冲与安全气囊发生10 mm左右挤压冲击，最终导致胸部压缩变形量超标严重。依据C-NCAP规定，胸部压缩量为26 mm时可得4.3分，胸部压缩量为32 mm时只可得3.2分，胸部后续挤压冲击造成额外损失1.1分。

总体分析可知，本次案例中所选择安全带碰撞时反应不及时，即约束作用滞后性过强，且约束力不够，导致假人相对加速度过大，相对速度过高，不但假人没能被及时拉住，而且在加速和减速过程中都形成了冲击。

3.2 前低后高B柱波形与预紧限力式安全带的匹配效果研究

某M车前端刚度偏小，随着碰撞深入，变形累积后刚度偏高，故碰撞中B柱加速度波形可视为前低后高阶梯形，驾驶员侧为4.5 kN卷收器预紧限力式安全带。

碰撞试验后，所采集的相关数据如图7和图8所示。

图7 中，B柱加速度曲线视为前低后高阶梯形，低平台可看作-15 g左右，高平台可看作-40 g左右；骨盆加速度曲线幅值达到-55 g。骨盆加速度曲线与B柱加速度曲线相比，前期作用较好，但后期滞后明显。

图8中，胸部压缩变形曲线呈三角形，未出现安全带直接作用平台。安全带限力作用开始后，第55 ms时胸部压缩变形量出现瞬间回弹，变形值为21 mm，为安全带直接作用产生。安全带限力后，假人胸部压缩变形量快速增加，在约70 ms时达到29.5 mm，此结果应为假人胸部与安全气囊等产生冲击造成。在约70 ms后，胸部压缩变形量急速下降，借助高速摄像分析，此时吸能管柱溃缩吸能，胸部冲击得到缓解。

取骨盆加速度和B柱加速度差值计算出相对加速度曲线如图9所示，相对速度曲线如图10所示。

图9 中，相对加速度曲线加速部分幅值约为15g，持续时间约为58 ms；减速部分幅值约为-30 g，持续时间约为32 ms；图10中，相对速度幅值为5.2 m/s，速度归零时刻为第82 ms，减速开始至归零用时24 ms，不足加速时间一半，降速相对较快。图9和图10综合分析表明，假人相对速度最终幅值不高，但加速过程持续时间较长，即假人迟迟不能被安全带约束住，最终导致假人与前方发生冲击，在冲击过程中结束相对运动。

为进一步确认此碰撞过程，计算出假人相对位移如图11所示，相对位移与胸部压缩变形量之间关系如图12所示。

图11 中，在82 ms时，假人相对位移最大，为202 mm，一段时间后，在109 ms时回弹至190 mm。

图12中，假人骨盆从即将达到最大位移至反弹初期，假人胸部受到明显挤压，持续时间较长，产生的胸部压缩变形过程近似半球形。此结果进一步证明假人胸部与安全气囊发生碰撞过早，此时，安全气囊刚度较大。假人胸部前冲挤压到一定程度后，伴随安全气囊泄荷、方向管柱溃缩吸能，胸部冲击才得以缓解；在胸部受阻及安全带作用下，假人回弹，即假人回弹与胸部受到安全气囊的冲击作用密不可分。

综合分析可知，本案例中安全带约束效果一般，造成假人胸部运动姿态较差，最终导致胸部与安全气囊产生冲击挤压。

4 B柱加速度波形与安全带选配间的关联性研究

4.1 理想B柱x向加速度波形研究

对B柱2种阶梯形加速度波形的研究表明，安全带作用效果对B柱加速度波形的依赖程度较高，因此，为了提高安全带作用效果及约束系统匹配优化可调整空间，车体需要在碰撞过程中出现一种理想的B柱加速度波形，使假人在常用的卷收器预紧限力式安全带作用下，相对运动平缓、无冲击。

考虑到安全带腰带对骨盆的作用结果通常为前低后高近似阶梯形，理想B柱加速度波形也应为前低后高阶梯形。另外，在安全带腰带作用后应确保假人在整个相对运动过程中无冲击，因此，应产生如下结果：假人骨盆相对位移在200 mm左右，整个相对动作时间为80 ms左右，相对速度基本为对称三角形。

依据相对位移为200 mm、运动时间为80 ms，计算出理想最大相对速度为5.5 m/s。相对速度基本为对称三角形，则其加速度波形也基本对称，时间历程均为40 ms左右。

相对加速度加速部分以车体B柱加速度波形低平台为主，时间历程应为15 ms左右。将低平台部分看作梯形，以加速度幅值为高，以40 ms为下底、15 ms为上底，以速度5.5 m/s为面积，则可估算出加速度幅值为-20 g。考虑到被骨盆加速度曲线取差值后会有所减弱，故理想B柱加速度曲线的低平台应为-23 g左右。

相对加速度的减速部分以骨盆加速度为主，主体部分通过骨盆加速度高平台与理想B柱加速度曲线高平台取差值获得。考虑到骨盆加速度的幅值通常在-55 g左右，差值后欲得到-20 g的平台，B柱梯形波的第2个平台幅值应为-35 g左右。

依据上述分析，建立理想B柱阶梯形加速度波形，结合试验中假人骨盆加速度波形建立比较关系如图13所示，相对加速度波形如图14所示。

图13 中曲线反映了理想加速度波形与卷收器预紧限力式安全带腰带作用结果之间的关系，其中，时间轴不局限于此；图14中，相对加速度波形加速部分和减速部分基本对称，平台绝对幅值在20 g左右，即加速和减速过程都较平缓，碰撞中可减少或避免假人因冲击造成的伤害。

4.2 不同阶梯形B柱加速度波形下安全带的选配

对于已开发完成且B柱加速度波形不是理想波形的车型，在安全带选配上，为提高假人胸部保护效果，应结合理想B柱加速度波形及前高后低、前低后高波形综合考虑进行。对于前高后低及前端平台明显高于23 g的阶梯形波，考虑到单预紧限力式安全带约束作用滞后性过强，应尽可能选用双级预紧限力式安全带，以提高对假人整体约束作用，降低假人相对运动速度，同时减少胸部与前方安全气囊及转向盘等的碰撞强度。另外，为确保安全带对假人胸部有足够约束作用，安全带限力值应不低于4 kN。

对于前低后高且前端平台明显低于23 g的阶梯形波，应提高安全带腰带约束作用，同时，确保假人胸部前扑、头部前甩，最终使安全气囊对假人头部尽早起阻尼作用，且使头部砸在气囊中部，避免胸部在碰撞后期与安全气囊发生过强接触。因此，此种情况下应尽可能采用带扣预紧结合卷收器限力方式。

5 结束语

将正面碰撞试验中车体B柱加速度波形分成前低后高、前高后低2种阶梯形类型，在此基础上推导出理想波形，并就3种波形下预紧限力式安全带的选配进行了研究，得出如下结论：在安全带选配时，应充分考虑B柱加速度波形的影响，以腰带作用能够平衡假人相对运动、肩带能够调整假人运动姿态为出发点进行选配，对于23～35 g理想B柱阶梯形波形，可选配卷收器预紧限力式安全带；对于前高后低及前端平台明显高于23 g的阶梯形波，应尽可能选用双级预紧限力式安全带；对于前低后高且前端平台明显低于23 g的阶梯形波，应尽可能采用带扣预紧结合卷收器限力的安全带组合。

1 中国汽车技术研究中心 (天津).中国新车评价规则（C—NCAP）,2009.

2 商恩义,张君媛，杨斌，等.正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究与应用.汽车技术，2010，10:18～21.

3 张学荣,刘学军,陈晓东,等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证.汽车工程，2007，12:1055～1058.

4 SAE J211-1,Instrumentation for Impact Test– Part1–Electronic Instrumentation,REV.MAR95,2003.

5 商恩义,李洪梅.车体“刚度”在正面碰撞中对人体伤害影响的研究.汽车技术，2010，2:12～15.

6 USER′S MANUAL FOR THE 50th PERCENTILE MALE HYBRID III TEST DUMMY，SAE Engineering Aid.1998.

7 SAE J2779-2003.HIII 50th男性假人低速胸部碰撞试验程序，2003.

8 GB14166.机动车成年乘员用安全带和约束系统.2003.