正面碰撞中假人膝盖滑移量的伤害机理

张耀辉 鞠春贤 岳国辉 陈现岭 张凯

（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）

在碰撞事故中，乘员的膝盖极易受到伤害，严重时可引起膝盖韧带断裂[1]，并极有可能导致乘员下肢瘫痪。为了保护乘员膝盖免受伤害，在法规和NCAP 测试中，设定了评估膝盖伤害程度的指标，正面碰撞试验中，以假人膝盖滑移量来评判膝盖受伤害的程度。如在C-NCAP 和E-NCAP 中，在50 km/h 正面碰撞，64 km/h偏置碰撞试验中进行评价，膝盖滑移量高性能限值为6 mm，低性能限值为15 mm，大腿得分分别为2 分和4 分，而膝盖滑移量是影响大腿得分的最重要因素，另外，在E-NCAP 中大腿失分会导致主观评价项罚分，严重影响正面碰撞得分。所以研究膝盖滑移量的伤害机理具有重要意义。

1 膝盖结构解析

正面碰撞中前排使用Hybrid III 50th男性假人。假人膝盖结构和传感器布置，如图1～图4 所示。从图1 和图2 可以看出，假人小腿和大腿通过螺栓连接，并且能够实现转动和相对滑动；膝盖滑移量，即小腿和大腿相对滑动的位移，由图2（红色线框内）中的传感器输出。

如图4 所示，部件1 连接小腿，部件2 连接大腿，膝盖滑移量传感器固定在部件1 下方，并通过拉线和部件3 连接。当小腿和大腿产生相对滑动时，部件1 沿部件2 的滑轨滑动，并带动传感器运动，由于部件3 固定不动，所以拉线从传感器中拉出，拉线的拉出量表征滑移量的伤害值。其中小腿胫骨向后，大腿向前，传感器输出负值。输出数值的绝对值越大，膝盖滑移量的伤害值越大。

2 膝盖滑移量伤害机理

2.1 仿真分析模型

图5 和图6 分别示出腿部与乘员侧Madymo 模型，模型中用一个转动滑移铰模拟小腿与大腿之间的转动和滑动，并用Facet 面模拟仪表板。

2.2 仿真分析

经过对前期试验数据进行分析，影响膝盖滑移量的因素主要为仪表板造型、搁脚垫角度及地毯高度[2]，利用仿真工具对这3 个影响因素进行分析。

2.2.1 仪表板造型对膝盖滑移量的影响

分别采用3 种仪表板造型进行分析，如图7～图9所示。图7 中，经过分析可知，碰撞过程中小腿中下部先接触仪表板，膝盖没有和仪表板发生接触；图8 中，膝盖和小腿同时接触；图9 中，碰撞过程中膝盖先接触仪表板。

仪表板造型改进前后膝盖滑移量对比曲线，如图10 所示，分析结论如下：

1）改进前，小腿中下部先和仪表板接触，并且接触时刻较早，膝盖滑移量达到峰值的时刻也较早，膝盖滑移量最大值为8 mm；

2）经过2 次仪表板造型的改进，腿部和仪表板接触时刻明显推迟，假人膝盖滑移量峰值出现时刻推迟，峰值明显减小；

3）仪表板造型影响假人腿部接触形式[3]，其中小腿先接触，膝盖不接触仪表板的情况对膝盖滑移量明显不利，所以设计仪表板造型时，应在碰撞过程中尽量使膝盖最先接触仪表板。

2.2.2 搁脚垫的角度对膝盖滑移量的影响

通过调整搁脚垫的角度来改变膝盖滑移量，搁脚垫角度分别采用30，40，45°，图11 示出搁脚垫角度对左膝盖滑移量的影响曲线。

从图11 可以看出，适当增大搁脚垫的角度，能有效减小小腿向前运动量，且膝盖滑移量有减小的趋势。但搁脚垫角度过大，既影响乘员的舒适度，又可能对腿部的伤害带来反作用。

2.2.3 地毯高度对膝盖滑移量的影响

从降低地毯高度和去除搁脚垫泡沫2 个方面，分析地毯降低对膝盖滑移量的影响。将地毯降低20 和35 mm 进行测试，图12 和图13 分别示出降低地毯高度和去除搁脚垫对膝盖滑移量的影响曲线。

从图12 可以看出，地毯降低后，膝盖滑移量有所减小，这是由于膝盖高度降低了，小腿与仪表板的接触位置更靠近膝盖，腿部和仪表板的接触时刻推迟造成的。从图13 可以看出，去除搁脚垫后，膝盖滑移量明显减小。这是由于脚的摆放位置靠前，且高度降低了，导致膝盖高度降低，小腿角度减小造成的。

仿真分析结果表明，调整仪表板的造型[4]、增大搁脚垫的角度以及降低地毯的高度都能有效降低膝盖滑移量，但影响膝盖滑移量的根本因素是腿部和仪表板的接触方式，因此通过改进接触方式即可改变膝盖的受力点，有效降低膝盖滑移量。

综上，调整仪表板造型是降低膝盖滑移量的最有效手段，所以为避免后期整改的风险，在内饰造型阶段，需要对仪表板造型进行控制。

3 实例分析

3.1 问题描述

某车型在64 km/h 偏置碰撞过程中，乘员左腿膝盖滑移量偏大。图14 示出某车型碰撞试验副驾左腿照片，从图14 可以看出，碰撞过程中膝盖没有和仪表板接触。图15 示出乘员左腿接触信号，从图15 中可以看出，小腿上部最先接触仪表板，其次是小腿中部和小腿下部，膝盖没有接触信号。图16 示出乘员左腿膝盖滑移量，从图16 可以看出，膝盖滑移量达到12.75 mm，严重影响大腿的得分。

由以上试验数据分析可知，正面碰撞过程中，只有小腿接触仪表板的接触方式最不利于膝盖滑移量，严重影响大腿得分。

3.2 解决方案

通过以上分析，改变膝盖和腿部的接触方式[5]，从而改变膝盖的受力点是解决问题的关键，另外也可以对仪表板进行弱化处理，初步确定以下解决方案，并进行仿真分析和实车验证。

1）改进仪表板造型；2）降低腿的高度；3）减小腿向前的运动量，优化搁脚垫泡沫结构；4）降低仪表板刚度。

3.3 仿真分析

由于该车型处于量产阶段，改进仪表板造型的方案不具备可行性，所以对方案2～4 进行仿真分析，验证方案的有效性。

初始状态膝盖滑移量仿真结果为12 mm，与实车试验数据较为接近。方案2～4 的膝盖滑移量仿真结果分别为3.4，3.9，4.2 mm。选用方案2 和3 进行实车验证。

3.4 实车验证

采用64 km/h 偏置试验，对方案2 和方案3 进行实车验证。乘员左膝盖滑移量，如图17 所示。表1 示出假人定位和腿部得分。从表1 可以看出，方案2 和方案3，膝盖到地毯的距离逐渐降低，膝盖能比较早地接触仪表板，膝盖滑移量都明显降低，并且方案都容易实现。

表1 假人定位和腿部得分

经过仿真分析和实车验证，解决了该车型膝盖滑移量偏大的问题。为后期车型开发积累了宝贵的经验。

4 结论

膝盖滑移量是由假人小腿和大腿相对滑动引起，仪表板造型是影响膝盖滑移量的重要因素，改进仪表板造型，使膝盖作为腿部和仪表板的第1 接触点，是降低膝盖滑移量的有效方案。所以对于前期开发车型，为避免后期整改的风险，需要在内饰设计阶段，对仪表板造型和地毯造型进行校核与控制，彻底避免由膝盖滑移量偏大引起大腿得分降低的现象。

另外地毯的高度及搁脚垫的角度等同样对膝盖滑移量产生影响。降低地毯高度，能有效降低膝盖和仪表板的接触位置，提前接触时刻，有效降低膝盖滑移量；适当增大搁脚垫的角度，能有效阻止小腿向前运动，提前膝盖和仪表板的接触时刻，也能在一定程度上降低膝盖滑移量。所以对于量产车型，仪表板造型调整的难度较大，可以通过调整地毯高度及搁脚垫的角度等方案，有效降低膝盖滑移量。