前排女性乘员座椅防下潜性能的实验研究

张滕滕，王大志，卓 鹏，刘军勇

(上海汽车集团股份有限公司技术中心安全工程与虚拟技术部，上海 201805)

2016208

前排女性乘员座椅防下潜性能的实验研究

张滕滕，王大志，卓 鹏，刘军勇

(上海汽车集团股份有限公司技术中心安全工程与虚拟技术部，上海 201805)

鉴于前排女性驾乘人员日益增多，而防下潜又是前排女性乘员安全性的重要问题，本文重点研究前排第五百分位女性乘员座椅的防下潜性能，先后进行了座椅防下潜静压实验、单级和双级预紧安全带座椅滑车对比实验和整个约束系统动态滑车实验。结果表明，前排座椅的静态刚度是乘员防下潜的基础条件；而双级预紧安全带能有效防止前排第五百分位女性乘员的下潜。

防下潜；静压实验；双预紧安全带；前排女性乘员

前言

在现实车辆使用者中，女性驾乘人员的比例逐渐增多，在国内车辆匹配的前排乘员约束系统多数以第五十百分位男性乘员为基础设计的，兼顾身材较小的前排第五百分位女性乘员伤害研究较少，在一定程度上不能较好地兼容多类型乘员的安全性能[1]。

在2015年后，欧洲Euro-NCAP(Euro new car assessment program)新增50km/h全宽正面碰撞实验，且包括驾驶员、前排乘员和后排乘员均使用第五百分位女性假人[2]。其中，防下潜性能对正面碰撞实验中假人伤害有着较大的影响，直接影响到最后的星级评定。因此前排女性乘员的防下潜性能是整车安全性中重要的考核指标[3]。

下潜是在车辆碰撞减速阶段，正常作用在驾乘人员的肩部、胸部和髋部的安全带，由于驾乘人员的髋部受力不平衡，导致安全带腰带发生滑动，脱离正常的佩戴位置，安全带从骨盆处滑向腹部，并将相应的负载力直接作用在腹部上，造成腹部软组织受伤，同时安全带的肩带滑离并直接作用于乘员的颈部[4-5]。

本文中以Euro-NCAP 2015版正面100%重叠刚性壁障碰撞工况前排第五百分位女性乘员的安全性能为背景，首先研究约束系统相关实验设置，其次通过零件、子系统、系统的递进式防下潜性能的实验研究，最后研究并确定适用前排第五百分位假人防下潜性能的约束系统安全带配置，并通过实验的方法研究前排女性乘员的防下潜性能[6]。

1 前排女性乘员碰撞工况

1.1 前排女性乘员

2015年后的Euro-NCAP，除新增速度为50km/h的碰撞实验和安放第五百分位女性假人外，还采用新的伤害评价指数来评价前排女性假人的乘员伤害，定义了头部，颈部，胸部和大腿的高低性能值。图1(a)给出了2015版Euro-NCAP工况中全宽正面碰撞工况下假人的配置情况[7]。

图1 Euro-NCAP全宽正面重叠碰撞工况下假人的配置情况

1.2 下潜的判定

Euro-NCAP 2015版正面全宽碰撞中，前排女性假人下潜的主要判定是根据在第五百分位女性假人的髂骨力曲线中，在1ms的时间窗内髂骨力有1kN的下降，并结合高速摄像中下潜画面而确认的。针对前排第五百分位女性假人下潜的罚分，一旦被判定为前排第五百分位女性假人发生下潜现象，则对应膝部、大腿和髋部这一项罚掉4分。图2给出女性假人髂骨力传感器的实物图和在假人中的安装位置。

图2 第5百分位女性假人髂骨力传感器实物和安装位置图

1.3 实验设置

在正面100%重叠刚性壁障碰撞实验的车辆准备中，需要在实验前对前排座椅、安全带和转向管柱进行调整[8]。

如果转向管柱上下可调，则将其置于中间位置；如果转向管柱前后可调，默认设置为第五百分位女性假人的设计位置，否则将其置于前后中间位置，但务必确保转向盘的中心与女性假人的最小水平距离为250mm。若此距离小于250mm，将转向盘调整到最前位置，如果转向盘在最前位置，此距离仍小于250mm,则将座椅向后移动直至满足250mm的距离，但在向后移动座椅时，应确保右脚与加速踏板中心接触。如果安全带上下行程可调，默认设置为第五百分位女性假人的设计位置，否则将其置于最低位置。实验前，前排座椅调整见表1。

2 前排座椅防下潜静压实验

参照某车型项目开发中的座椅，制作一个与第五百分位女性假人臀部相同几何尺寸(包括假臀曲面)的模型，对座椅进行防下潜特性静压实验。将座椅靠背和坐垫等调整至第五百分位女性假人的设计位置，模型与液压缸加载轴向连接，以速度为1.67×10-3m/s加载，其方向尽量与碰撞过程中的假臀运动过程中受力方向相近，加载力在车体XOZ平行的平面内，且与垂直Z方向成25°角。

随着加载的持续进行，座椅的坐垫泡沫、防下潜杆、滑轨、支撑臂和四连杆摆臂等先后变形，当加载力达到15kN时，停止加载同时液压缸活塞开始收回，此后，加载过程中变形的机件逐渐反弹，座椅防下潜特性静压过程如图3所示，对应的力-位移曲线如图4所示。

图3 前排座椅防下潜静压实验过程图

图4 前排座椅防下潜静压实验刚度曲线

由图3可见，当加载力小于2kN时，为座椅坐垫泡沫的挤压变形，当加载力大于2kN后，座椅防下潜杆和座椅骨架开始弹塑性变形，直至加载力为15kN时，座椅骨架未出现失效变形。由图4可见，刚度曲线满足项目开发设计要求。从前排座椅防下潜静压实验可知，座椅防下潜刚度实验可简化模拟前排座椅动态防下潜的基本受力过程，前排座椅静态防下潜刚度是乘员动态防下潜性能的基础。

3 子系统的座椅滑车实验

针对前排女性乘员的防下潜性能，提出单预紧安全带和双预紧安全带的两种方案，并进行其滑车试验，以对比两种方案的防下潜效果。以项目开发早期实车的碰撞加速度波形作为防下潜滑车实验的波形输入。实验中无驾驶员安全气囊，为准确模拟实验中整车女性乘员上半身的位移，在此仅以提高安全带限力等级的方法来等效安全气囊的缓冲力作用。

滑车试验中的女性假人骨盆两侧装有髂骨力传感器，用于测量髋部处的力-时间历程曲线，作为判定女性假人下潜的主要依据。

3.1 单级预紧式安全带的防下潜滑车实验

滑车实验前，座椅和安全带设置均按表1设置，图5示出滑车实验中不同时刻的动画图。由图可见：在40ms时，躯干上半身开始运动，假人与安全带同时前移；在60ms时，假人髋部下移，在80ms时，假人髋部前移和下移皆达到最大，同时安全带腰带部分有陷入腹部的趋势，假人髋部未能有效约束。从动画录像分析，假人在约80ms时出现下潜现象。

图5 单预紧安全带-防下潜滑车实验过程图

图6 单预紧安全带-防下潜滑车实验髂骨力曲线

图7 单预紧安全带-防下潜滑车实验髋部加速度曲线

图8 单预紧安全带-防下潜滑车实验安全带力曲线

图6为单预紧安全带-防下潜滑车实验髂骨力曲线图。由图可见，女性假人左右侧髂骨力传感器均出现了1ms时间窗口内1kN的下降，可以判定为女性假人下潜。图7为髂部加速度曲线。由图可见，假人的髋部加速度约在35ms时出现阶跃，且髋部X向和Z向加速度出现多峰现象，可判定假人髋部约束力不平衡。图8为安全带肩带力和腰带力曲线。由图可见，安全带力的变化比较平稳，安全带平缓起作用，未出现突变情况，表明安全带正常工作未出现滑脱等现象。

3.2 双级预紧式安全带的防下潜滑车实验

本实验中的双级预紧安全带是同时采用锚固点预紧和卷收器预紧，座椅和安全带均按表1设置。图9为双级预紧式安全带的滑车实验不同时刻的动画。由图可见：在40ms时，躯干上半身开始运动，假人随安全带前移；当车身速度达到零时，假人继续向前移，直至假人头部开始反弹；因为此实验中没有转向管柱和驾驶员安全气囊参与碰撞能量吸收，在100ms后，第五百分位女性假人的颈部弯曲和上半身躯干旋转运动都较大；在60-80ms，假人髋部得到有效约束，安全带正常起作用，假人未发生下潜。

图9 双预紧安全带-防下潜滑车试验过程图

图10为双预紧安全带防下潜滑车实验髂骨力曲线图。由图可见，女性假人的左右两侧髂骨力曲线中均未出现1ms内有1kN的髂骨力下降，故女性假人未出现下潜现象。图11为髂部加速度曲线图。由图可见，假人髋部X向和Z向加速度曲线都未出现加速度突变，说明假人髋部受力平衡，未出现下潜。图12为安全带力和腰带力曲线。由图可见，曲线变化平缓，未出现安全带力突降现象，说明假人受到安全带稳定约束，未出现下潜。

图10 双预紧安全带-防下潜滑车试验髂骨力曲线

图11 双预紧安全带-防下潜滑车实验髋部加速度曲线

图12 双预紧安全带-防下潜滑车实验的安全带力曲线

两次实验的结果表明，座椅防下潜杆会发生一定的变形，假人的上肢和下肢运动不同，大腿前部抬高的角度不同，躯干前倾趋势不同。由于双级预紧式安全带的假人髋部约束力较大，结合座椅的坐盆形状和防潜杆性能，双预紧安全带能够有效预防第五百分位女性假人的下潜风险。

4 约束系统的滑车实验

根据子系统的防下潜滑车实验的结果，仅进行配置双预紧安全带的滑车实验。滑车实验采用万能滑车工装，该工装可实现对应设计车型的转向管柱、座椅、安全带和假人H点相对空间坐标点的准确性，根据相对安全约束系统样件的安装空间坐标，调整万能工装安装点坐标以满足设计状态。

图13为前排女性假人约束系统滑车实验不同时刻的动画。由图可见，在12ms时，安全带卷收器预紧点爆；在15ms时驾驶员安全气囊点爆；在17ms时，安全带锚固定预紧点爆；在40ms时，驾驶员安全气囊充满并达到饱满状态，此时第五百分位女性假人上躯干与气囊接触，假人的髋部前移，在70ms时假人髋部停止前移，随着安全气囊的排气孔泄气和安全带的限力继续起作用，假人上躯干发生旋转运动，安全带继续吸收假人残余碰撞动能。

图13 前排女性乘员约束系统滑车试验过程图

图14为约束系统滑车实验的髂骨力曲线图。由图可见，女性假人的左右两侧髂骨力均未出现了1ms内1kN的下降，女性乘员未出现下潜现象。图15为髋部加速度曲线图。由图可见，假人的髋部X向和Z向加速度曲线都未出现加速度阶跃和突变，假人髋部受力平衡，未出现下潜。

图14 约束系统滑车实验的髂骨力曲线图

图15 约束系统滑车实验的髋部加速度曲线

图16为安全带力曲线。由图可见，腰带力在20ms时已迅速上升并起作用，安全带肩带力和腰带力曲线变化平缓，稳定地起作用，未出现安全带滑脱等现象。可见锚固点预紧消除腰带和骨盆之间的间隙，锚固点预紧和防潜杆为假人骨盆提供有效的约束力，匹配转向管柱和气囊的保护作用，有效控制约束假人上肢和下半身的运动，降低假人下潜的风险。

图16 约束系统滑车实验的安全带力曲线

5 结论

本文中针对前排第五百分位女性假人的防下潜性能，进行零件、子系统和系统3级递进式的研究，通过建立仿真模型，分别进行座椅防下潜静压、子系统滑车、约束系统滑车防下潜性能实验。研究结果表明：双预紧安全带能有效防止前排女性假人的下潜。

安全带的参数对假人的防下潜性能有一定的影响，今后需要针对不同的安全带参数进行防下潜座椅和安全带的匹配研究。坐垫角度、安全带的固定点的空间点位对假人的下潜性能的影响也有待进一步研究。此外，不同的约束系统设计和不同碰撞工况下发生下潜的倾向不同，也是后续开展研究的内容。

[1] ROUHANA S W, VIANO D C, JEDRZEJCZAK E A, et al. Assessing submarining and abdominal injury risk in the hybrid III family of dummies[C]. SAE Paper 892440.

[2] EURO-NCAP[EB/OL]. www.enroncap.com/en/for-engineers/protocols/.

[3] TANG L, ZHOU Q. A theoretical study of submarining tendency of a hybrid III 5th percentile female dummy[C]. Proceeding of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2009, IMECE 2009-12567.Lake Buena Vista, Florida, USA. November13-19,2009.

[4] O’CONNOR C S, RAO M K. Dynamic simulations of belted occupant with submarining[C]. SAE Paper 901749.

[5] 钟志华,张维刚,曹立波,等.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003,68-105.

[6] 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[J].汽车工程,2007,29(12):1055-1058.

[7] Euro NCAP assessment protocol-adult occupant protection version 7.0.2[S]. Brussels: EuroNCAP Committee,2015.

[8] Euro NCAP full width frontal impact testing protocol version 1.0.1[S]. Brussels: EuroNCAP Committee,2015.

An Experimental Study on the Anti-submarining Performanceof Front-row Seat for Female Occupant

Zhang Tengteng, Wang Dazhi, Zhuo Peng & Liu Junyong

SafetyEngineering&VirtualTech.Dept,SAICMotorTechnicalCenter,Shanghai201805

In view of that female driver and front-row occupant are gradually increasing and submarining is the major safety problem of front-row female occupant, the anti-submarining performance of front-row seat for 5th percentile female occupant is emphatically studied in this paper, with a series tests successively conducted, including seat anti-submarining static compression test, comparative sled tests on seats with single-pretension and dual-pretension safety belts, and dynamic sled test on complete restraint system. The results show that the sufficient static stiffness of front-row seat is the basic condition for the anti-sunmarining of front-row occupant and the safety belt with dual-pretension can effectively prevent the submarining of front-row 5th percentile female occupant.

anti-submarining; static compression test; dual pretension belt; front-row female occupant

原稿收到日期为2015年10月9日，修改稿收到日期为2015年11月23日。