小空间车型第2排乘员保护性能优化*

2014-06-22张海洋潘如杨刘卫国祝贺周大永冯擎峰

汽车工程师 2014年4期

张海洋潘如杨刘卫国，2 祝贺周大永，2 冯擎峰，2

（1.浙江吉利汽车研究院有限公司；2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室）

据统计，在车辆正面碰撞过程中，第2排乘员的伤害情况较前排乘员严重得多[1]，但国内外市场销售的大多数车型均未关注第2排乘员的保护。随着国内外NCAP 评价规程的变化，降低第2排乘员的伤害逐渐成为整车乘员保护安全性能的开发重点[2-3]。文章确定了影响第2排乘员伤害的关键因素。通过减小安全带的限力等级，以及增大第2排假人头颈部及胸部的前移量，有效改善了第2排乘员的伤害情况。

1 第2排乘员保护性能的影响因素

以某车型为基础，通过仿真分析的手段，从车体波形、乘员布置空间以及约束系统性能参数等角度，对比分析第2排乘员伤害的影响因素，由此判断第2排乘员保护的关键影响因素。

1.1 车体碰撞波形的影响

以车体碰撞波形的2 阶加速度值作为设计变量，定义2 阶加速度值分别为20，25，30，35，40 g，分析不同车体碰撞波形对第2排假人各部位伤害的影响，第2排假人头部及胸部伤害曲线对比，如图1 所示。由图1a 可知：随着车体碰撞波形的2 阶加速度不断减小，第2排假人胸部压缩量逐渐减小，当车体加速度达到35 g 时，假人胸部压缩量变化不大，且在碰撞过程中假人头部撞击到前排座椅靠背，导致头部合成加速度出现尖峰，如图1b 所示，头部伤害值超过72 g 的目标要求。结合仿真分析动画，如图2 所示，分析假人头部与前排座椅靠背相接触的时刻，当碰撞进行至70 ms和80 ms 时，车体2 阶加速度为40 g 和35 g 的2 种状态的假人头部与座椅靠背相接触，导致头部受力值发生突变，伤害值超标。由此可知：综合考虑假人头部和颈部的伤害情况，车体碰撞波形是影响假人胸部压缩量的主要因素。

1.2 第2排假人小腿摆放角度

采用改变第2排假人小腿的摆放角度（52，55，58，61，64，67°），分析不同的小腿摆放角度对假人各部位伤害的影响。通过仿真分析获得第2排假人胸部压缩量和颈部拉伸力的变化，如图3 和图4 所示。通过图3 和图4 可知：假人小腿摆放角度的变化仅对假人运动姿态略有影响，对假人胸部及颈部伤害影响不大。当假人小腿摆放角度从67°变化为52°时，假人胸部压缩量仅减小0.4 mm；当假人小腿摆放角度从58°变化为52°时，颈部拉伸力减小165.4 N。由此分析可知：小腿的摆放角度影响假人小腿部与前排座椅靠背的接触时刻，但对第2排假人各部位的伤害影响不大。

1.3 安全带限力等级

通过仿真分析来确定不同安全带限力等级对第2排乘员伤害的影响。安全带限力等级为:2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000 N，不同安全带限力等级对应的假人各部位伤害结果，如表1 所示。

表1 不同安全带限力等级的第2排假人伤害值

从表1 中可以看出：第2排假人胸部压缩量随着安全带限力等级的减小而明显减小；安全带限力等级减小至2 500 N 时，第2排假人头部和颈部伤害发生突变，出现拐点。结合仿真分析结果，确定该拐点是由于安全带限力值偏小，安全带对第2排女性假人无明显的束缚作用，使得碰撞过程中第2排假人头部撞击前排座椅靠背，导致其头颈部伤害变大。由此判断：在保证假人头部不发生二次碰撞的情况下，安全带限力等级对第2排乘员保护性能的影响较大，通过优化安全带限力等级能够有效地改善第2排乘员的伤害情况。

1.4 安全带织带延伸率

选取7%，10%，12%，14%的安全带织带延伸率作为设计变量，分析后排安全带织带延伸率对假人伤害的影响。不同安全带织带延伸率的第2排假人各部位伤害值，如表2 所示。通过表2 可知：随着安全带织带延伸率的增大，第2排假人颈部拉伸力略有改善，但改善量不大。其中，安全带织带延伸率由7%增大至14%时，假人胸部压缩量仅减小1.62 mm，由此判断安全带织带延伸率对第2排乘员保护性能的影响较小。

表2 不同安全带延伸率的第2排假人各部位伤害值

1.5 座椅座垫角度

在碰撞过程中，第2排座椅座垫布置角度影响假人的运动姿态及前移量，座垫布置角度越大，假人髋部的前移量越小，假人躯干倾角越小，降低了假人头部撞击前排座椅的风险；同时，间接地降低了安全带肩带对假人胸部的作用力，能够有效地降低假人各部位的伤害值，对第2排乘员保护有利。

分别将座椅座垫角度布置为0，10，15，20，25°，分析不同的座椅座垫布置角度对第2排乘员伤害的影响，如图5 所示，随着座椅座垫布置角度的增大，第2排假人各部位伤害均有所减小，其中胸部压缩量减小得尤为明显，当座椅座垫布置角度由10°增加至25°时，假人胸部压缩量由30.7 mm 减小至25.5 mm。图6 示出不同座垫角度的假人运动姿态对比图，从图6 中可以看出，座椅座垫布置角度越大，对假人髋部的束缚作用越明显，对改善假人伤害有利。由上述分析可知：座椅座垫布置角度作为关键影响因素，极大地优化了假人胸部的得分，有利于第2排乘员的保护。

1.6 座椅座盆刚度

以座椅座盆刚度作为设计变量，将其按照一定的倍数放大和缩小，分析座椅座盆刚度对第2排假人伤害的影响。设计变量值分别取0.5，0.8，1，1.2，1.5，2 倍座盆刚度，将7 个变量输入仿真模型进行分析，其分析结果，如图7 所示。由图7 可见：随着座椅座盆刚度变大，假人头部伤害明显减小，而假人颈部及胸部伤害值变化不大。

1.7 关键影响因素确定

结合正面碰撞过程中第2排假人头颈部、胸部的受力过程，从假人头部与胸部受到合外力的角度分析安全带性能参数的设计对第2排假人头部及胸部伤害的影响[4]。碰撞过程中第2排假人头部受到的合外力主要来源于颈部的作用力，而假人胸部受到合外力由安全带作用产生。在正面碰撞过程中，第2排女性假人的上躯干受到安全带肩带的作用发生减速运动，导致胸部加速度和胸部压缩量的产生，从而使得胸部和头部的减速度存在差异，使颈部伤害值增大。第2排假人头部与胸部受到合外力曲线，如图8 所示。由图8 可以看出：假人头部受到的合外力与假人颈部剪切力、拉伸力的变化趋势基本相同，假人胸部受到的合外力与安全带肩带力的起始时刻相一致，峰值存在差异，主要是由于假人躯干前倾，安全带作用于假人胸部的力值大于安全带肩带力值。

图9 示出车体碰撞波形、假人小腿摆放角度、座椅座垫布置角度、安全带限力等级、安全带延伸率以及座椅座盆刚度对第2排假人胸部压缩量及颈部拉伸力的影响。由图9 可以看出：安全带限力等级、车体碰撞波形以及座椅座垫布置角度的变化对第2排假人胸部压缩量和颈部拉伸力的影响相对较大，安全带限力等级的降低使得第2排假人胸部压缩量和颈部拉伸力分别减小10.7 mm 和1 452 N，对假人伤害的影响程度最大。因此可判断安全带的限力等级是影响第2排乘员保护性能的关键因素。

2 小空间车型第2排假人伤害优化分析

通过统计北美市场A0 级别车型的后排乘员布置空间，定义优化模型的第2排女性假人布置空间，胸部到前排座椅靠背的水平距离为445 mm，膝关节到前排座椅靠背的水平距离为220 mm，髋部角度为16°。以安全带限力等级为设计变量，其他影响因素为恒量，优化小空间车型的第2排乘员保护安全性能。定义安全带限力等级分别为2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000 N，通过仿真分析确定第2排乘员保护的最佳优化方案。

通过优化分析获得的第2排假人头颈部及胸部伤害曲线，如图10 所示，由图10b 可以看出：随着安全带限力等级的降低，第2排假人胸部压缩量有明显改善；当安全带限力值由5 000 N 降低至2 000 N 时，第2排假人胸部压缩量由33.5 mm 减小至22.8 mm。同时，假人头部合成加速度以及颈部剪切力和拉伸力均有所减小。结合仿真分析录像分析，如图11 所示，当安全带限力值降低至2 500 N 和2 000 N 时，假人头部与前排座椅靠背相撞击，使得假人头部合成加速度分别在98 ms 和90 ms 出现尖峰，导致假人头部HIC 值超标。因此，针对小空间车型，在无法避免头部与前排座椅相接触的情况下，不建议使用较小限力等级的安全带。