某电动车侧面碰撞乘员头部保护的优化设计

黄强，王星磊，郭刚，王恒，丁玲

（东风汽车公司技术中心，武汉，430058）

某电动车侧面碰撞乘员头部保护的优化设计

黄强，王星磊，郭刚，王恒，丁玲

（东风汽车公司技术中心，武汉，430058）

目前中国的乘员碰撞安全法规主要有GB11551《乘用车正面碰撞的乘员保护》和GB20071《汽车侧面碰撞的乘员保护》。某纯电动汽车开发初期按中国法规GB20071进行侧面碰撞摸底试验，发现假人头部保护不满足法规。通过分析假人头部伤害机理，找出造成头部伤害的因素主要是侧碰过程中头部撞击到顶棚，同时撞击能量大，且能量均由头部传递或吸收。针对上述原因，结合车型开发的实际情况，通过增加头胸保护的侧气囊、增加顶棚缓冲块，最终经过实车试验验证头部伤害满足法规要求。同时，对后续开发的车型提供了宝贵的经验。

侧面碰撞；头部保护；侧气囊

黄强

毕业于华南理工大学，现任东风汽车公司技术中心被动安全约束系统设计工程师，主要研究方向：碰撞安全的乘员保护，已发表《侧气帘展开对

近年来，随着我国机动车保有量的不断攀升，道路交通事故频发，其中侧面碰撞事故在全年道路交通事故中所占的比例居高不下，根据2010年全国道路交通统计年报显示，全年事故总数219521起，侧面碰撞81862起，所占比例为37.29%［1］。当车辆发生侧面碰撞时，车门、B柱、门槛粱等侧围构件受到其他车辆或障碍物撞击后向车辆内部侵入，由于乘员侧面碰撞的生存空间远比正面碰撞小，构件侵入后门护板、B柱护板一般会直接和人体接触，从而给乘员头部、胸部、腹部和骨盆带来伤害。

某小型纯电动汽车开发初期按中国法规GB20071进行侧面碰撞摸底试验，发现假人头部保护不满足法规。通过分析假人头部伤害机理，找出造成头部伤害的因素主要是侧碰过程中头部撞击到顶棚，同时撞击能量大，且由于未配备侧气囊及顶棚内部截面小导致撞击能量大部分由头部传递或吸收。针对上述原因，结合车型开发的实际情况，通过增加头胸保护的侧气囊、增加顶棚缓冲块，最终经过实车试验验证头部伤害满足法规要求。

一、GB20071要求及性能开发机理

1、GB20071要求

试验用总质量为950kg的移动可变形壁障撞击车辆左侧，撞击方向与车辆纵向中心线成90度，壁障中心对准驾驶员R点，碰撞瞬间的壁障速度为49km/h-51km/h，撞击点左右、上下偏差在25mm内。在驾驶员位置放置一个EuroSID Ⅱ型假人，以考核假人伤害的情况。

法规要求包括驾驶员假人的性能指标和特殊要求。驾驶员性能指标中要求头部性能指标HPC应小于或等于1000，胸部性能指标包括肋骨变形指标RDC应小于或等于42mm、粘性指标VC应小于或等于1.0m/s，腹部性能指标腹部力峰值APF应小于或等于2.5KN的内力，骨盆性能指标耻骨结合点力峰值PSPF应小于或等于6KN。特殊要求中要求试验过程中车门不得开启，试验后不使用工具能打开足够数量的车门使乘员正常进出，燃油系统的泄漏速率不得超过30g/min［2］。

2、侧碰性能开发机理

侧碰性能的好坏主要由车身结构性能、被动约束系统性能和假人空间决定。车身结构的性能指标包括B柱和车门的侵入速度、侵入量和变形模式，好的车身结构能够降低可变形障碍壁碰撞车辆后B柱和车门侵入变形对人体的直接撞击力度，降低乘员的伤害。被动约束系统的性能指标包括侧气囊和侧气帘的充满时刻、内部压力，还包括座椅的包裹性、车门护板结构的合理性，好的被动约束系统性能能够缓冲B柱和车门的侵入变形对人体的撞击，减轻“二次碰撞”对乘员带来的伤害。假人空间的指标主要是指头部空间、胸部空间，好的空间能避免或减轻乘员被侵入的内饰件挤压伤害，给乘员提供足够的生存空间［3］。

二、侧碰摸底试验结果及原因分析

某纯电动车开发初期进行了法规侧碰摸底试验，该车无侧气囊和侧气帘，头部伤害值HPC达到1600，超出法规要求60%，远远不满足法规要求。详细的假人伤害值见表1：

表1　某纯电动车侧碰摸底试验假人伤害值

经分析试验的高速录像，头部约在49ms撞击到门框上沿的顶棚，随后头颈绕X轴发生严重扭转，从图1中的合成加速度曲线可以看出在头部接触顶棚后加速度瞬间上升，峰值达到248g，一般车型合成加速度峰值不会超过100g。合成加速度主要是头部与内饰件发生撞击产生，结合试验录像分析，可以判断HPC超标是由于头部撞击到顶棚并且撞击力度大所产生，包括三个要素：头部撞击到顶棚、撞击能量大和撞击能量大部分由头部吸收，以下对三个要素进行分析。

1、头部撞击到顶棚

碰撞试验过程中假人运动姿态见图2，由于头部与门框上沿高度差不合理，约49ms时头部撞击到左侧顶棚，然后头颈绕着X轴产生近30度的转动。

头部与顶棚相对尺寸示意见图3，表2对比了某电动车与其他头部伤害值HPC很小的车型，可以看出由于该车头部与门框上沿的Z向重叠达到60mm，造成头部撞击的面积大，导致头部重心位置采集到的加速度较大。

表2　头部相对顶棚尺寸

2、撞击能量大

3、无有效缓冲

该车无头部气囊或气帘，且头部撞击处的顶棚与侧围钣金的Y向尺寸很小（图3的尺寸D），只有10mm，一般车型30mm以上，顶棚变形吸能的空间极为有限，顶棚发生很小变形后就撞击到侧围钣金，导致头部与顶棚、侧围钣金之间无有效缓冲，头部撞击到顶棚且顶棚完全变形后头部Y向加速度瞬间增大，在头部运动速度增大到侧围侵入速度相同之前，由于两者速度差产生的冲击能量均由头部吸收。

表3　各车型顶棚内腔尺寸

三、侧碰性能优化

1、避免头部撞击到顶棚

从3.1分析得出，由于头部与门框上沿重叠量较大，导致乘员与车辆相对运动的过程中头部撞击到顶棚，所以为避免头部撞击到顶棚需减小头部与门框上沿的重叠量。减小头部与门框上沿的重叠量可以通过降低头部位置和提高门框上沿位置实现。

门框上沿的位置由门洞尺寸决定，在初次样车阶段更改周期长、成本大且影响造型，故门框上沿位置维持现状。头部的高度位置由试验H点高度及试验假人的坐高尺寸决定。试验H点高度由座椅前后行程处于中间时的高度决定，由总布置决定。降低H点高度将影响视野等法规和人机工程要求，同时座椅下方的地板高度受动力电池布置无法降低，且座椅坐垫厚度已是最小，继续减小坐垫厚度将影响乘坐舒适性，故试验H点高度维持现状。从以上分析可以看出，无法通过降低头部位置和提高门框上沿位置来避免头部撞击到顶棚。

摸底试验时座椅H点高度方向在允许公差范围的上限，为尽量减小头部撞击到顶棚的面积，要求座椅在后续生产时控制座椅H点的公差在设计值和下限之间。

2、减小撞击能量

从3.2分析得出，顶棚的侵入速度和头部到顶棚的水平空间较大，导致头部撞击到顶棚时顶棚的能量较大。顶棚的侵入速度由整个侧围结构和车型轴荷、轴距决定。如需降低侧围侵入速度，会是一个系统性的、需反复验证的优化工作，时间和成本上都无法接受，故维持现状。头部到顶棚的水平空间已由总布置H点决定，故维持现状。

3、增加有效缓冲

从3.3分析可以得出，由于头部与顶棚之间缺乏有效缓冲，两者速度差带来的冲击能量均由头部吸收。增加有效缓冲的常见做法是增加帘式气囊［4］，但该车型的头部是撞击到顶棚，而帘式气囊是从顶棚下方打开，不能有效避免头部撞击到顶棚，一定程度上削弱了帘式气囊的头部保护效果，且初次样车阶段增加帘式气囊会带来侧围钣金、侧围护板、顶棚和内拉手等一系列零件变更，且侧气帘成本高、开发周期长，综上所述，帘式气囊不适用于该车型。另外一种做法是增加头胸式侧气囊［5］，一般车型的侧气囊是胸式、胸腹式或胸腹臀式。增加的侧气囊重点保护区域在头部，要求气囊在头部撞击到顶棚之前完成充气并覆盖头部，见图6：

侧气囊完成设计并通过静态展开验证，验证气囊能够正常、及时展开且展开区域能够覆盖头部，然后安排实车碰撞试验进行验证，增加侧气囊后假人所有伤害值都有所减小，其中头部HPC由摸底试验的1600减小到1100，有明显的改善，但仍不满足法规要求。从图7可以看出，增加侧气囊后头部合成加速度峰值由原来的248g降低到140g，但仍较高。

经分析试验录像，见图7，可以看出实车碰撞试验过程中气囊已按要求在头部撞击到顶棚前完全充气并覆盖头部，但由于气囊为头胸式，当假人的头部与气囊接触时，假人的上臂对气袋产生横向挤压，同时车门玻璃是否破碎无法保证，车门窗框外翻严重，导致气袋横向无支撑。因气袋竖直方向没有约束，导致头部区域的气袋在上臂的挤压作用下向下移动，使气袋不能完全覆盖头部，头部上部区域与顶棚最终仍发生接触。

气袋未受到外力的作用下已能完全覆盖头部，且受上方顶棚的限制，气袋高度方向已是极限，故无法通过增大气袋尺寸以保证气袋受横向挤压后仍能覆盖头部。根据增加有效缓冲的思路，在头部接触区域的顶棚内增加缓冲垫块，结合布置空间，选择密度为0.2g/cm³、厚度为10mm的再生PU缓冲垫块。

增加顶棚缓冲垫块后的头部伤害值HPC由1100减小到400，满足法规要求且有接近60%的安全余量。详细试验结果见表4：

表4　增加侧气囊和垫块后侧碰试验假人伤害值

由图8可以看出，增加垫块后头部合成加速度峰值由原来的140g降低到101g，说明垫块起到了良好的缓冲作用。

四、结论及建议

通过分析某电动车侧碰头部伤害超标的原因，并采取合适的措施进行试验验证，最终解决了头部伤害超标的问题。头部伤害超标的原因是多方面的，包括头部与门框上沿重叠量大、顶棚侵入速度高、头部无有效的缓冲，设计阶段需关注的是控制头部与门框上沿的重叠量，通过优化侧围、车门结构控制顶棚的侵入速度。考虑车辆配置及成本，增加有效缓冲只能作为补救措施。

［1］2010年中华人民共和国道路交通事故统计年报［J］.公安部交通管理局，2011.

［2］GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》.

［3］钟志华，张维刚等，汽车碰撞安全技术，机械工业出版社，2003.7.

［4］陈钟洲，周大永等，侧面安全气帘的设计与开发，农业装备与车辆工程，2011年第7期.

［5］马麟，基于侧面碰撞头部保护气囊的研究与发展概述，机械工业标准化与质量，2010.6.

专家推荐

陈涛：

本文针对某款电动车在侧面碰撞试验中暴露出的头部伤害较大的问题，进行了原因分析和对策研究，并进行了试验验证。从试验结果看，通过增加头胸侧气囊和顶棚缓冲垫，改善了头部加速度的峰值，头部伤害指标HPC也有显著降低。

A Motor Vehicle Designed to Optimize Side-impact Occupant Head Protection

HUANG Qiang，WANG Xing-lei，GUO Gang，WANG Heng，Ding Ling
（DongFeng Motor Corporation Technical Center，WuHan，430058，China）

China's current occupant crash safety regulations are mainly GB11551 "passenger frontal impact occupant protection" and GB20071 "car side impact occupant protection." Beginning of a pure electric vehicle development carried out by Chinese laws and regulations GB20071 side impact test thoroughly and found the dummy head protection does not meet regulations. By analyzing the dummy head injury mechanism to identify the main factors causing head injuries during a side impact head hit the ceiling， while the impact energy， and the energy delivered or absorbed by the head. For these reasons， combined with the actual situation of models developed by increasing head and chest side airbags to protect and increase the ceiling buffer block， and ultimately through the real vehicle test verification of head injuries to meet regulatory requirements. Meanwhile， on the subsequent development of models to provide a valuable experience.

side impact； head protection； side airbag

U467.1+4

A

1005-2550（2015）04-0007-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.002

2015-01-26