校车主动式安全气囊控制参数分析

葛如海，赵　越，应　龙

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)



校车主动式安全气囊控制参数分析

葛如海，赵越，应龙

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

摘要：为弥补校车现有乘员约束系统的不足，利用经台车试验验证的MADYMO校车乘员约束系统模型，建立主动式安全气囊的仿真模型。根据气囊的工作原理，分析拉带长度、排气孔面积、气体质量流率、气囊安装位置等气囊参数对6岁儿童乘员伤害值的影响。仿真结果表明：有气囊保护时乘员头颈损伤值降低，但胸部保护效果不明显。排气孔面积变化最大可使6岁儿童乘员综合评价指标WICS(Weighted Injury Criteria for School)降低21.3%，气囊安装位置变化可使WICS最大降低11.5%。上部、中部、下部拉带可使WICS最大降低值分别为2.52%、2.23%和1.58%，气体质量流率可使WICS最大降低2.23%。由于气囊安装位置与排气孔面积对乘员的影响最为显著，气囊参数的调整可明显改善6岁儿童乘员伤害值，实现校车对6岁儿童更好的保护。

关键词：校车；乘员约束系统；儿童；安全气囊；参数分析

0引言

据不完全统计[1]，2010年至2014年这五年内，全国共发生校车事故43起，其中八成有致死伤害，死亡人数达到153人。目前，我国大部分校车配备了GB14166《机动车成年乘员用安全带和约束系统》中规定的两点式腰带安全带，这对于儿童乘员的保护是远远不够的。李志刚等[2]研究表明，现有的校车两点式安全带不能为儿童乘员提供全面有效的保护，儿童乘员颈部在校车正面碰撞过程中易发生严重伤害。胡国武[3]研究发现，在汽车低速碰撞时，三点式儿童安全带约束系统对儿童保护比较好，但在高速碰撞时三点式将对儿童产生很大伤害，特别是胸部变形严重，随着汽车碰撞速度增加儿童损伤也随之增大。美国交通研究中心的Elias团队[4-5]指出:三点式安全带有助于降低乘员伤害，但错误使用反而会使乘员伤害水平更加严重。而且由于年龄小和自我保护意识不足，大部分儿童佩戴安全带率不高，在发生紧急制动或者正面碰撞时，儿童将由于身体巨大的惯性作用向前移动，撞击到前排座椅或者车体其他部件而造成伤害[6]。为弥补现有校车乘员约束系统的不足，引入安全气囊对儿童进行保护。

很多公司都是在汽车前排座椅靠背安装气囊，碰撞时点爆，实现对后排乘员的保护，也有在车辆顶棚嵌入安全气囊装置，装于前排后排乘员前侧，碰撞发生时展开保护乘员[7-11]。Elias等[5]在校车座椅台车试验时使用了一种气囊式安全腰带，可在碰撞时从腰带中弹射出气囊，在乘员和前排座椅靠背之间形成气垫，能够对乘员头部提供支撑，降低颈部伤害。这些气囊都是碰撞时点爆充气展开的。然而对于前排副驾驶位置的离位儿童，安全气囊起爆时的巨大冲击力会对儿童的头部造成巨大伤害，轻则面部擦伤，重则窒息、颈椎骨折甚至死亡[12]。

为降低校车前排座椅安装的安全气囊快速释放对儿童乘员的冲击伤害，提出了一种校车主动式儿童安全气囊系统[13]，该气囊是常开式的，这是校车乘员约束系统方面研究的首次尝试[14]通过安全气囊的排气节流阻尼吸收碰撞能量，降低儿童乘员在正面碰撞中的损伤，目前仅对12岁儿童损伤进行了研究。因此需要针对6岁儿童设计校车主动式安全气囊，并对相关控制参数进行仿真分析，研究其对6岁儿童的保护效果，以便为今后校车乘员约束系统的开发提供参考。

图1　校车正面碰撞模型Fig.1　School bus frontal crash model

1校车6岁儿童乘员约束系统模型

1.1校车原始约束系统模型

建立校车车内环境模型包括座椅、地板等，根据台车试验测量数据调入假人，调整假人位置，为假人建立两点式安全带模型，将台车试验相关数据作为模型输入，得到初始仿真模型如图1所示。

该校车模型已经经过台车验证[14]，试验中6岁儿童HIC15(Head Injury Criteria)为159，胸部3 ms合成加速度T3ms为18.2 g。台车试验和仿真模型的乘员部分伤害指标对比曲线如图2所示。

由图2可知仿真曲线与试验曲线在起始时刻、峰值与峰值出现时刻基本吻合。

(a) 6岁假人头部合成加速度

(b) 6岁假人胸部合成加速度

(c) 6岁假人安全带力

1.2校车主动式安全气囊

1.气囊织袋; 2.进气控制阀; 3.泄气控制阀; 4.卷簧; 5.盒体; 6.气体压力传感器; 7.控制器ECU; 8.车速传感器; 9.总开关; 10.压力分布传感器; 11.供气系统图3　校车安全气囊系统图Fig.3　System configuration of school bus airbag

校车儿童主动式安全气囊系统由储气装置、控制系统、进气阀、泄气阀和气袋组成[13]，如图3所示。

主动式气囊的工作原理：校车启动后，车速传感器检测到校车达到规定车速，且压力分布传感器识别到座椅上有乘员时，ECU(Electronic Control Unit)发出指令，打开进气阀，气囊充气，充气完成后进气阀关闭，在行驶过程中气囊保持展开状态，为儿童乘员提供全时保护。当碰撞发生时ECU根据车速传感器监测到的碰撞程度确定泄气阀开启时间和程度。儿童乘员与气囊发生二次碰撞后，ECU根据气袋内气体压力传感器监测到的达到预设阈值的气囊内压打开泄气阀，通过排气阈值时，泄气阀开启，通过排气孔的排气节流阻尼吸收碰撞能量，降低乘员伤害。

该主动式安全气囊可以通过气囊安装位置、气体质量流率、排气孔面积(因为该气囊材料无透气性，所以不考虑织物泄气性)、排气孔个数、排气孔位置、排气孔开启气囊腔压力、拉带长度等参数的调整控制儿童损伤。在12岁假人气囊的研究结论基础上，选用拉带长度、排气孔面积、气体质量流率、气囊安装位置等研究其对6岁儿童乘员损伤影响。

1.3校车主动式安全气囊模型

使12岁儿童得到很好保护的气囊上部分要保证在碰撞时能完全包裹住乘员头部上端，不碰到前排座椅靠背，儿童胸腹处对应气囊较突出[15]，笔者根据前面研究的可实现对12岁儿童较优保护的气囊参数，利用三维软件CATIA建出能兼顾6岁儿童保护的初始气囊模型，使用Hypermesh进行网格划分，网格为三角形膜单元，在网格绘制过程中检查了雅格比、翘曲、单元尺寸等保证了网格的质量。将气囊网格的节点和单元信息导入MADYMO校车模型中进行仿真，利用固定铰将气囊安装在前排座椅靠背与其同步运动，并用SUPPORT将气囊背面节点与前排座椅固定。定义气囊与座椅靠背的接触时，因为气囊与座椅均为有限元，计算耗时长，用多刚体平面简化座椅靠背，使用CONTACT.MB_FE定义多刚体靠背与气囊接触，假人头、颈、胸、腹、大腿、膝盖等与气囊的接触。仿真时长为200 ms，步长为1.0×10-5。校车主动式安全气囊模型如图4所示。初始气囊模型和无气囊仿真模型的6岁儿童乘员损伤值对比如表1所示。气囊模型碰撞仿真过程如图5所示。

(a) 侧视图　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 轴视图

项目参数无气囊仿真模型气囊模型标准变化率/%HybridⅢ型6岁假人头部伤害评价指标HIC15157.4124.9500-19.8胸部3ms合成加速度T3ms/g17.217.530+1.7颈部伤害评价指标Nij1.3860.6921-50.1左大腿轴向力FFCL/N82474910000-9.1右大腿轴向力FFCR/N81065510000-19.1

(a) 50 ms(b) 100 ms(c) 150 ms

图5校车气囊模型仿真过程

Fig.5School bus airbag model simulation process

从表1可以看出6儿童乘员在校车前排座椅添加气囊后头部伤害评价指标HIC15会降低19.8%，胸部3 ms合成加速度T3ms基本没变化，颈部伤害评价指标Nij降低值达到50.1%，左、右大腿轴向力FFCL、FFCR均有所降低，说明添加主动式安全气囊能进一步保护头部，对颈部的保护效果最有效，但对胸部保护效果不明显。但是相较于试验中的头胸损伤数据，气囊模型的HIC15降低21.4%，T3ms降低3.8%。

2校车新型气囊参数对6岁儿童损伤的影响

根据新型安全气囊工作原理，对气囊上拉带长度、中拉带长度、下拉带长度、排气孔面积、气体质量流率、气囊安装位置等6个气囊参数进行仿真分析，研究它们对6岁儿童乘员损伤的影响。

使用头部伤害评价指标HIC15，颈部伤害评价指标Nij，胸部3 ms合成加速度T3ms，大腿伤害指标FFC(Femur Force Criteria)，以及在WIC基础上添加了颈部伤害的完全伤害评价指标WICS，综合考虑碰撞中头部、颈部、胸部以及大腿损伤对儿童乘员总体伤害的影响[2,17-18]，公式如下：

式中，HIC的限值为500，T3ms限值为30 g，大腿轴向力限值为10 kN。在任意时刻，Nij不能大于1。

2.1上部拉带

上部拉带的设计原值为235 mm,在原值基础上选取6组值进行计算，不同拉带长度下6岁儿童伤害情况如表2所示。从表2中可以看出，上部拉带长度变小时，6岁乘员的T3ms和Nij降低，左右大腿轴向力升高。

表2　上部拉带长度变化对6岁乘员损伤影响

2.2中部拉带

中部拉带的设计原值为290 mm,同样在原值基础上在计算6组长度下6岁儿童伤害值如表3所示。从表3中可以看出，中部拉带长度变小时，6岁乘员的T3ms基本呈下降趋势，左右大腿轴向力升高，HIC15基本呈上升趋势。

表3　中部拉带长度对6岁乘员损伤影响

2.3下部拉带

下部拉带在原值340 mm基础上另外计算6组拉带长度的6岁儿童损伤如表4所示。从表4中可以看出，腹部拉带长度变小时,6岁乘员的T3ms和Nij先增高后降低，左右大腿轴向力基本呈升高趋势，HIC15基本成增大趋势。

表4　下部拉带长度对6岁乘员损伤影响

2.4排气孔面积

排气孔面积影响气囊泄气的快慢，本文将排气孔面积设为原值的-20%到+100%，以20%递增。不同排气孔面积下乘员伤害情况如表5所示。从表5中可知，排气孔面积增大时，6岁乘员的T3ms、Nij、HIC15和WICS都显著下降，但是左右大腿轴向力升高。

表5　排气孔面积对6岁乘员损伤影响

2.5气体质量流率

校车儿童安全气囊碰撞前已经充气完成，所以气体质量流率主要影响气囊的充气量和气囊的初始压力值，本文研究气体质量流率的-25%、-15%、+15%、+25%、+35%对乘员损伤情况如表6所示。从表6中可以看出，气体质量流率增大时,6岁乘员的T3ms有上升趋势，Nij有下降趋势，HIC15降低变化明显，WICS降低。

表6　气体质量流率对6岁乘员损伤影响

2.6气囊安装位置

气囊的位置也会影响乘员损伤，气囊安装点在气囊盒体中心处，此点位于气囊安装面中心曲线上，距完全展开气囊下边界垂直距离为0.182 m，气囊最初的位置在安装点距离前排坐垫上表面0.395 m， 0.375 m，0.355 m，0.345 m，0.34 m，0.335 m处的气囊对应的6岁儿童伤害值如表7所示。从表7中可以看出，气囊安装位置降低时,6岁乘员的Nij、HIC15和WICS降低，变化显著。Nij下降了44%，HIC15下降了14.7%，WICS下降了11.5%。

表7　气囊位置对6岁乘员损伤影响

3参数灵敏度分析

为了更直观的看出各参数对综合评价指标WICS的影响,对气囊各参数变化下的乘员综合评价指标进行灵敏度分析。灵敏度公式如下：

灵敏度越大说明该参数变化对校车6岁儿童乘员伤害影响越大。所得气囊各参数变化对应的综合评价指标WICS的影响如图6所示。

图6　气囊各参数变化对应的综合评价指标WICS灵敏度分析

由图6分析得出气囊安装位置变化和排气孔面积变化对降低6岁儿童乘员综合评价指标WICS影响较大，最大降低率分别为11.5%和21.3%，拉带长度变化以及气体质量流率变化对6岁儿童乘员伤害影响相对较小，上部、中部拉带及气体质量流率变化影响差不多，最大降低率分别为2.52%、2.23%和2.23%。下部拉带长度变化影响相对较小，最大降低率为1.58%。

4讨论

主动式安全气囊相较于两点式安全带对6岁儿童的保护可以使HIC15降低19.8%，Nij降低50.1%，特别是使颈部伤害降低到国家标准之下，但是胸部保护效果却不明显，而陈珣等[16]对主动式安全气囊对12岁儿童的保护研究中头颈伤害都有明显改善，对减少胸部伤害也有一定效果。安全气囊参数中气体质量流率、排气孔面积、气囊安装位置等对12岁儿童WICS影响较大。但是对于6岁儿童气囊排气孔面积、气囊安装位置对WICS影响较显著，气体质量流率影响较小。并且在该气囊保护下儿童各伤害指标均在国家标准范围内，能有效保障6岁儿童生命，减少各部位损伤。

5结论

依据校车新型儿童安全气囊工作原理建立了气囊模型，并导入经过台车验证过的校车模型中进行仿真计算，针对6岁儿童乘员计算气囊上部、中部、下部拉带长度，排气孔面积，气体质量流率，气囊安装位置等6个气囊参数对6岁乘员损伤的影响。得出以下结论：

①带有初始气囊的校车模型，乘员头、颈损伤值降低，气囊起作用，比只有两点式安全带的校车仿真模型能有效改善颈部和头部损伤。

②气囊上部、中部、下部拉带长度，排气孔面积，气体质量流率，气囊安装位置等6个气囊参数对6岁乘员损伤有影响。其中排气孔面积增大和气囊安装位置下降能使HIC15和Nij显著降低，可使Nij显著降低的参数还有上部拉带长度。排气孔面积增大可明显降低T3ms，其他参数影响较弱。

③排气孔面积和气囊安装位置对6岁儿童乘员综合评价指标WICS影响显著，分别使6岁儿童乘员WICS最大降低21.3%和11.5%，可选取排气孔面积、气囊安装位置、上部拉带长度和气体质量流率等四个参数进行正交优化。

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(责任编辑梁健)

收稿日期：2016-01-10；

修订日期：2016-05-23

基金项目：中国博士后科学基金项目(2013M541607)

通讯作者：葛如海(1957—)，男，江苏如皋人，江苏大学教授，博士生导师；E-mail：grh@ujs.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0666

中图分类号:X913.4

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)03-0666-08

Analysis of the new airbag control parameters for children in school bus

GE Ru-hai， ZHAO Yue，YING Long

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract:In order to compensate the deficiencies of the current school bus occupant restraint system, the active airbag simulation model is established for the school bus occupant restraint system built with MADYMO which has been validated through sled test. The airbag parameters of the airbag tether length, the vent area, the mass flow rate of the gas generator, the airbag position on the injury of the 6-year-old child occupant are analyzed based on the operational principle of the airbag. Simulation results show that: Injury of head and neck of occupant is decreased by the active airbag, but injury of chest has no notable change. The maximum decline rate of 6-year-old child comprehensive evaluation WICS (Weighted Injury Criteria for School) is 21.3% with different vent areas. With different airbag positions, the maximum decline rate of WICS is 11.5%. The maximum decline rates of WICS are as follows: 2.52%, 2.23% and 1.58% by changing the length of the upper tether, the middle tether and the lower tether, respectively. The maximum decline rate of WICS is 2.23% with the different mass flow of the gas. Because the influence of the airbag installation position and the vent area on the injury of the 6-year-old child occupant is the most significant, the injury of child occupant can be obviously improved through the prior adjustment of these parameters of the school bus to protect the 6-year-old children.

Key words:school bus; occupant restraint system; children; airbag; parameter analysis

引文格式：葛如海，赵越，应龙.校车主动式安全气囊控制参数分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：666-673.