基于膝盖模型的汽车内饰件强度试验研究

李策园，林德强，唐辉尧

(中国汽车技术研究中心，浙江宁波 315336)

基于膝盖模型的汽车内饰件强度试验研究

李策园，林德强，唐辉尧

(中国汽车技术研究中心，浙江宁波 315336)

汽车内饰件是汽车被动安全中直接与乘员接触的部分，其性能的好坏直接影响汽车对于乘员的保护。对被动安全中膝盖与仪表板进行冲击试验研究，根据试验结果分析了影响内饰件性能对乘员膝盖保护的影响因素，并提出了内饰件的改进方案。

汽车内饰件；膝盖模型；冲击试验

0 引言

随着我国经济快速发展，我国汽车保有量快速增长，截止2015年我国汽车保有量已经达到了1.7亿辆，交通事故随之相应增加，乘员受到二次碰撞伤害的概率越来越大。汽车内饰件在汽车碰撞事故中直接与乘员接触，内饰件的性能好坏直接影响到乘员的人身安全，因此需要格外重视内饰件性能。

我国从2009年1月1日起强制实施了GB 11552-2009《乘用车内部突出物》。该标准对主机厂和零部件厂的汽车内部部件进行了严格要求，目的就是尽量降低在汽车与乘员发生二次碰撞过程中仪表板对乘员的伤害。为此，各大主机厂和零部件厂在进行零部件设计时，通过仿真手段来研究仪表板特性，优化仪表板结构性能，同时借助试验测试技术来验证仿真分析结果，最终使内饰件的性能能够满足对于内部乘员的保护要求。

1 汽车内饰件

汽车内饰件是汽车上重要的功能件与装饰件，作为汽车上功能件的载体，设计时内饰件采用的是薄壁结构，同时又必须考虑到其使用的刚度问题，因此汽车内饰件是汽车上比较复杂的零部件。设计汽车内饰件时首先要满足汽车对于其他功能件的安装要求，同时还必须考虑其安装后与汽车内部其他部件之间的和谐美观，更重要的是要满足安全要求。

1.1 内饰件的分类

汽车内饰件根据其结构和使用材料的不同，可以分为硬质和软质内饰件两大类。硬质内饰件结构简单，采用直接注塑成型，由同一种材料构成其主体部分，多使用在载货汽车及客车上，一般不需要表皮材料。软质内饰仪表板使用多种材料构成，结构上可以分为表层、缓冲层和骨架3个部分，软质内饰件的常用材料有PU、PP、ABS/PVC合金等，多用于轿车上。还有一种内饰件是由钢板冲压成型再焊接、涂装制造而成，钢质仪表板外层包覆人造革后制成软包仪表板、木质仪表板等。

1.2 内饰件的功能要求

在汽车内部结构中，内饰件是汽车内部主要的零部件，很多汽车上的功能件，例如音响开关键、空调开关键、多媒体部件等都安装在内饰件上，所以在强度上要求内饰件不仅能承受各种仪表和音响设备以及管线接头的负荷，而且在前挡风玻璃透射过来的太阳光辐射和发动机散热引起的高温下保持良好的刚度。从安全角度考虑，仪表板必须具有吸收冲击能量、防眩和良好的热稳定性。为了达到上面的要求，对内饰件的要求如下：

(1)结构上满足安装仪表、管路和杂物等需要的刚度要求，同时能抵抗一定的冲击；尺寸稳定性好，不会由于太阳光辐射和发动机余热作用产生变形、失效、使用精确度降低等现象。

(2)内饰件外观上有适当的装饰性，格调优雅，给人宁静舒适的感觉。

(3)使用过程中的耐久性好，耐冷热，耐冲击，耐光照，使用寿命10年以上。

(4)环保方面，制造内饰件的主要原料与辅助材料均不得含镉等对人体有害的物质；同时不允许产生使窗玻璃变模糊的挥发物。

(5)从碰撞安全角度来看，内饰件在受到一定能量冲击而破损时，破损处应为韧性断裂，不得有危及乘员或导致乘员严重伤害的危险物飞溅出来。

2 冲击试验

2.1 膝盖模拟装置

针对汽车与乘员二次碰撞试验中发生的乘员膝盖与汽车前部内饰件发生碰撞的现象，为评价人体膝盖受到伤害的程度，设计了一个人体膝盖模拟装置。该装置前部是圆形结构，仿照膝盖的形状，其质量为5 kg，该试验冲击模块见图1。将该模拟冲击头安装在导向设备上，对汽车前部围板和储物箱盖板进行冲击试验，并对试验结果进行比较分析，进而得出产品优化的方案，零部件厂商在产品研发制造的过程中可参考提出的优化方案。

图1 膝盖模拟装置

2.2 膝盖冲击内饰件冲击试验

2.2.1 试验要求

(1)试验中调整车头底部支撑，使试验样件保持在汽车正常的行驶状态下，模拟汽车发生碰撞时膝盖和仪表板的撞击过程。

(2)试验要求通过Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人来确定试验膝部冲击点的位置，根据H点坐标调整假人位置；调整好假人位置后，将假人沿水平方向向前移动，使假人的膝盖与汽车内饰件接触，在内饰件仪表板上确定对应驾驶员和前排乘员左、右膝盖碰撞测试点的位置。确定膝盖冲击点为P1、P2、P3、P4，然后用40 cm×40 cm的正方形标记该撞击点所在的撞击区域。

(3)在冲击器上安装经过校准的加速度传感器。模拟冲击试验装置，如图2所示。

图2 试验装置

2.2.2 试验过程

(1)按照试验要求将安装了内饰件的车身前部切割件固定在试验台上，然后将冲击器的冲击模块装在冲击器的发射装置上。

(2)连接传感器，并进行传感器通信自检，设置发射装置的参数，将冲击器的速度设定为18 km/h(5 m/s)。

(3)移动冲击器，将冲击头移至内饰件的碰撞测试位置。

(4)设备归位，并记录试验前内饰件碰撞位置的状态，进行冲击试验。

(5)试验结束后记录碰撞位置的试验后状态和测试点的加速度值，更换试验处的内饰件，对点P1、P2、P3、P4按照步骤(2)—(5)进行试验。

更换P2处的内饰件，在点P2处安装软缓冲块，然后对P2处按照步骤(2)—(5)进行试验；更换P2处的内饰件，在点P2处安装硬缓冲块，然后对P2处按照步骤(2)—(5)进行试验。P2处试验位置如图3所示。

图3 试验冲击位置

2.2.3 实验结果分析

2.2.3.1 分析指标

选取点P2进行试验分析，分别在点P2处没有安装缓冲块、安装软缓冲块、安装硬缓冲块等3种情况下进行试验，缓冲块如图4所示。由于碰撞的能量要保持一致，故需要将膝盖模拟冲击头设置为相同的试验条件：试验冲击速度为5 m/s，冲击器加速距离为320 mm，飞行距离为220 mm。此外，此试验进行过程中相对湿度保持在(40±30)%、温度保持在(20±4)℃。

图4 吸能缓冲块

对于试验结果的数据判定指标主要有：

(1)峰值减速度。峰值减速度值是试验数据中的加速度绝对值的最大值，反映的是实际碰撞过程中，驾驶员膝盖部位受到内饰件的最大伤害烈度，是个瞬时值。峰值减速度的大小是表明伤害程度的重要指标。

(2)3 ms持续作用减速度峰值。相较于峰值减速度，它是一个积分量，即为一段连续且持续超过3 ms的减速度较大值的积分。根据作者的试验经验和大量的数据分析得知，3 ms持续作用减速度峰值更能反映出对人体的伤害值，它与撞击力的作用时间相关，即3 ms持续作用减速度峰值越大则对驾驶员膝盖的伤害值也越大。

(3)最大侵入量。即碰撞过程中，冲击头从接触到内饰盖板开始到内饰件凹陷最大，开始回弹时的位移，反映了实际碰撞过程中的内饰件吸能过程，跟内饰件的材料、结构、位置、安装有关，故能够反映出内饰件材料的刚度。最大侵入量评价材料吸能性能的优劣以及内饰件到刚性结构之间的吸能空间是否合理。

(4)作用时间。作用时间可以从加速度时间历程曲线中得到，作用时间越长，则说明这些碰撞能量在更长的时间内被吸收，过程更加平缓，对于乘员的伤害就更小。

2.2.3.2 数据分析

如图5所示：在没有装置缓冲块的状态下，碰撞点P2处冲击头的最大减速度为43.1g，同时3 ms持续作用峰值减速度为38.7g。从图5还可以看出：撞击部位未产生危及乘员或导致乘员严重伤害的危险物，但是出现裂纹，说明此时刚度过大。造成这种现象的主要原因可能有两点：(1)内饰件材料本身的脆性过大；(2)吸能空间太小。针对以上出现的两个问题，选取了两种吸能缓冲块安装在膝盖撞击处的内饰件里面，缓冲块如图4所示。

图5 点P2处没有装置缓冲块试验后状态

在安装硬质缓冲块的状态下，对点P2进行碰撞试验，对比分析的结果如图6所示：碰撞点P2处冲击头的最大减速度为29.8g，同时3 ms持续作用的峰值减速度为24.6g。特别的一点是，安装缓冲块后撞击过程延迟30 ms才开始作用。这说明安装缓冲块后，P2碰撞点相对于冲击头的距离增大，换算后增大了150 mm，这个距离就增加了乘员在车辆发生碰撞时的安全距离。在试验中，可以通过调整飞行距离补偿冲击头的发射速度，以达到能量的统一。

安装软质缓冲块，对点P2进行碰撞试验，对比分析的结果如图6所示。安装缓冲块后，内饰件的乘员保护性能得到了很大的提升。具体来说，峰值减速度和3 ms峰值减速度下降了20g左右，下降幅度达到了45%之多，所以安装缓冲块后，在碰撞过程中内饰件对于驾驶员的膝部伤害也将大幅度地减小，起到了保护人体的作用。

从图6还可以看出：在安装软质缓冲块的状态下，碰撞点P2处冲击头的最大减速度为25.1g，同时3 ms减速度为21.3g，减速度值要比硬质缓冲块时的小，但是软缓冲块的侵入量要比硬缓冲块的侵入量大。侵入量大容易导致内饰件撕裂，这就要求内饰件有一定的强度。安装软缓冲块降低了内饰件对乘员作用的减速度，同时增加了内饰件的抗撕裂性。

图6 点P2处3次试验曲线

3 内饰件安全性能优化

膝盖与内饰件的碰撞模拟试验，试验后撞击部位不得有危及乘员或导致乘员严重伤害的危险物飞溅出来。基于这个目标，通过分析碰撞试验中的加速度变化，研究整个碰撞变形吸能过程后得出以下几点优化方案：

(1)改进内饰件的材料，降低脆性，提高韧性，力求内饰件在碰撞试验中是溃缩式吸能而非破裂式吸能。

(2)增加盖板，或者在内饰件后部加装档条，以实现二次碰撞，增加峰值数目，使得吸能过程剧烈程度减小。例如在膝部接触点后面连接焊接冲压金属支架，在冲击过程中，达到其弯曲屈服点的时候实现二次吸能峰值。

(3)在内饰件后部加装硬度合适的缓冲块，以减缓冲击峰值。这个吸能块的形状可进一步设计以达到更好的吸能效果。

4 结论

通过此次膝盖冲击内饰件的模拟冲击试验，找到了一种减小内饰件在二次碰撞中对人体膝盖伤害的方法，并且提出了乘用车内饰件吸能性能改进方案。不足之处是，此试验中缓冲块的硬度值跟吸能效果的关系还未确定，这需要后续进行更多的对比试验才能实现。最好是能找到一种可拟合的线性或者非线性关系，为零部件厂家汽车内饰研发提供参考。

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Experimental Study on the Strength of Automotive Interior Panel Based on Knee Model

LI Ceyuan, LIN Deqiang,TANG Huiyao

(China Automotive Technology & Research Center，Ningbo Zhejiang 315336,China)

Automotive interior trim panel is part of automotive passive safety in direct contact with the occupant, its performance has a direct impact on the automotive occupant protection. Impact test between knee and the automotive interior trim panel was made. According to the test results, the factors affecting interior trim performance to occupant knee protection were analyzed, and relevant improved program was present.

Automotive interior trim panel; Knee model; Impact test

2016-11-17

李策园(1987—)，男，硕士，研究方向为汽车被动安全等。E-mail：1002856086@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.004

U467.3

B

1674-1986(2017)03-014-04