正面台车碰撞试验标定试验评价准则研究

商恩义，李月明

(浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，浙江杭州311228)

0 引言

当前，在汽车被动安全约束系统开发过程中，通常要做大量台车试验，用来模拟实车碰撞进行约束系统的优化。在正式进行台车试验前，首先要进行标定试验。标定试验是在台车白车身中装配与所要复现实车相同的安全带、安全气囊、座椅等零部件，在碰撞过程中输入实车碰撞B柱加速度波形，并通过对波形及管柱角度等参数进行适当调整，最终确保试验中假人各伤害与实车结果接近，之后才可以用台车试验替代实车试验。但作为判断标定合格的接近程度，当前行业内还没有具有实际指导意义的准则。

实际工作中，工作人员通常只对假人各部位伤害值及依据中国新车评价规程(China New Car Assessment Program，C-NCAP)[1]的评分进行比较，同时，将各对应曲线分别进行比对，而后凭借经验对台车标定结果进行判断。因知识底蕴、工作阅历不同，人与人之间经验差别较大，判定结果人为因素影响较大。在这种情况下，有必要对标定评价准则进行深入研究。

研究中，规定假人头部和胸部加速度方向[2]：前后方向为x向，向前为正；左右方向为y向，向右为正；上下方向为z向，向下为正。对于颈部受力，规定：轴向为z向(张力)，拉伸为正，压缩为负；横向为x向(剪切力)，头向后，胸向前为正。

1 当前台车试验能力综述

当前，无论加速台车还是减速台车，正面台车试验与实车碰撞试验相比，车身和台车试验系统主要存在以下4方面差异：(1)实车碰撞试验中车身前端发生严重变形，转向管柱、脚踏板等发生后侵。台车试验无此现象。(2)实车碰撞中碰撞点(碰撞核心)高度通常处于该车质心之下，造成碰撞后期车尾部伴有上翘(Pitching)。台车试验中台车始终被约束在水平面上，无上翘功能。(3)假人质心与碰撞点之间的高度差影响着碰撞中假人前扑强度，台车试验中，车身搭建在台车平台之上，则假人质心相对碰撞点被抬高，且该高度不可调。(4)实车碰撞中实车一次性使用，而台车通常要用几十次，因此，台车安全带、座椅等各约束机构的安装点通常都被加固[3]。

上述4方面差异，都将增强碰撞中对假人头部和胸部的伤害，尤其第(2)点和第(4)点，变相增加了约束，导致安全带作用增强，对假人而言，增加了胸部伤害，而对台车而言，往往导致安全带上导向环失效或座椅导轨滑脱(带扣安装在座椅侧面)。对12个台车标定结果进行统计分析，假人头部和胸部伤害的增幅通常都在15%左右。因此，在制定评价准则时，需要考虑上述影响。

另外，就评价部位而言，台车试验受仪表台等零部件结构通常不完整影响，主要评价部位是假人头部、颈部和胸部。假人颈部作为头部和胸部的中间环节，其伤害主要是由头部和胸部发生相对运动造成，因此，对其评价可以通过对头部和胸部的评价体现[4]。

综上，并考虑台车标定试验驾驶员侧假人伤害是标定难点，文中研究将针对驾驶员侧假人进行。

2 头部评价准则探讨

台车试验与实车试验相比，在约束系统配置完全一致情况下，假人头部伤害主要受碰撞中转向管柱角度变化、方向盘变形、吸能管柱溃缩时机和溃缩行程的影响。对于假人头部，安全气囊及转向机构作用属于外力，所有影响在头部外力作用加速度曲线上应有所反映。

2.1 假人头部外力作用加速度的计算

正面碰撞试验中，当配有安全气囊且安全气囊无触底时，假人头部在整个碰撞过程中通常只会受到颈部和安全气囊及转向机构的约束作用。将颈部约束作用称为内力，安全气囊及转向机构的约束作用称为外力。另外，碰撞中假人头部加速度存在，则假人头部在碰撞过程中存在外力、内力和惯性力。

相关研究表明，在碰撞过程中，假人头部伤害主要来自x向[5]。运用达朗贝尔(d’Alembert)原理分析假人头部x向受力[6-7]。

Fxh+Fx-mhax=0

(1)

则

axh=ax-Fx/mh

(2)

式中：Fxh、Fx分别表示假人头部x向所受外力、内力；ax、axh分别表示假人头部x向加速度和外力作用加速度；mh表示50%假人头部质量，取mh=4.54 kg。ax和Fx在试验过程中可采集得到。因此，依据公式(2)可计算出试验过程中假人头部axh。

2.2 假人头部axh的分析

依据公式(2)，计算出某次试验中驾驶员假人头部axh如图1所示。图中：在约70 ms时，axh开始下降；在约80 ms时，axh出现平台，即假人头部所受外力支撑作用增强过程中，外力突然放缓导致加速度不再明显增大；在约87 ms时，axh开始再次增强且持续至约110 ms；在87～110 ms间，曲线下降的斜率随着碰撞强度增加并没有明显增强，同时，在下降过程中伴有明显波动。

图1 某次试验中外力作用下头部x向加速度

借助高速摄像分析：在约70 ms时，假人头部与安全气囊接触；在约80 ms时，吸能转向管柱开始溃缩；在约110 ms时，随着头部撞击速度下降及气囊泄荷，气囊作用开始减弱；在87～110 ms之间，转向管柱持续溃缩，同时，方向盘在胸部撞击下存在变形情况。

图1中，axh曲线基本反映了方向管柱溃缩时机、溃缩行程及方向盘变形在碰撞过程中对假人头部伤害的影响。在台车标定试验时，台车所配约束系统与实车配置一致，因此，axh曲线可作为台车标定评价准则之一。

2.3 假人头部axh的应用

加速度曲线波动较大，拐点或幅值出现的时间偏差、数值大小偏差等很难通过统一标准进行评价。如作为台车试验输入条件的B柱加速度曲线，针对其符合性，在《关于车辆正面碰撞乘员保护认证的统一规定》(ECE/R94)[6]中便通过速度进行评价: 在任何点, 由积分获得的“速度相对于时间的变化”曲线与本附件附录所规定的相关车辆“速度相对于时间变化”的基准曲线相差不超过±1 m/s。因此，对于axh曲线符合性的评价，也可以通过评价其积分后的速度曲线进行。

用vxh表示头部外力作用下x向速度。以当时实车碰撞速度17.8 m/s为假人头部x向运动初始速度，将图1中axh曲线积分成vxh曲线如图2。图2中，vxh曲线相对比较光滑，在约70 ms时，开始下降；在约140 ms时，速度归零，而后反弹，最大反弹速度为0.36 m/s。下降起始时刻反映了安全气囊的作用时间；下降速度反映了整个转向机构与安全气囊的共同作用效果，反弹速度反映了气囊的最后刚度。

图2 某次试验中外力作用下头部x向速度

用a′xh和v′xh分别表示台车试验中假人头部x向外力作用加速度及其积分后速度。当台车试验中v′xh与实车试验中vxh相比较时，结果差异将能反映出吸能管柱吸能时间的偏差、头部反弹时安全气囊的刚度等。因此，台车标定试验中，针对假人头部，可以通过vxh±δ制定评价准则。

3 胸部评价准则探讨

正面碰撞试验中，假人身体各部位的伤害程度及分布与假人运动姿态密切相关，而假人或前扑或提臀上翻或下潜或后仰，主要决定于假人胸部受到的安全带、转向机构、安全气囊等的约束作用和假人腹部安全带的约束作用[7-8]，因此，在进行标定结果评价时，必须考虑安全带等部件对假人运动的影响。

试验中，通常用安全带力传感器采集假人肩带力和腰带力，肩带力测量位置为上导向环和肩膀之间，腰带力测量位置为下导向环和腹部之间靠近下导向环侧。某次50 km/h正面碰撞试验中测得的驾驶员假人肩带力和腰带力及其差值曲线如图3所示，胸部x向和z向加速度如图4所示。

图3 驾驶员安全带肩带力、腰带力及差

图3中，安全带肩带力和腰带力的差值反映了安全带肩带和腰带的作用强弱及其转换关系。用azc表示实车碰撞中假人胸部z向加速度。图4中，两条加速度曲线与安全带各力及其差值相比，azc与安全带力差值变化趋势更有同步性。

3.1 胸部azc曲线的解读

图4中，假人胸部azc曲线是假人配置卷收器预紧加限力安全带下的典型曲线，基本反映了假人运动的4个阶段：A阶段，约18～56 ms，卷收器预紧，安全带肩带起主要作用，对假人z向产生向下约束。此阶段，azc曲线持续为正。B阶段，约56～80 ms，肩带作用力上升达到限力值，本来共同作用的肩带和腰带，肩带相对腰带，其作用力突然停止增长，假人胸部开始加速前扑，安全带主要作用于假人腹部，上提假人胸部。此过程初始阶段，胸部可能因惯性会产生瞬时上冲现象。另外，座椅刚度的影响主要发生在此阶段。此阶段，胸部azc曲线将由正向转向负向，个别曲线可能出现正向瞬间加强后再转向。C阶段，约80～93 ms，随着碰撞深入，假人臀部回弹、胸部加速前扑后，肩带再次成为作用力主体。此阶段，azc曲线瞬间加速下降后将由负向转向正向。D阶段，约93 ms以后，假人胸部在安全带、安全气囊等共同作用下回弹。在B阶段和C阶段，假人胸部通常与安全气囊及方向盘缘发生碰撞、挤压，是假人胸部受到损伤的主要阶段，尤其C阶段，当假人臀部回弹时出现提臀上扑现象，往往会加重对胸部压缩变形伤害。

上述分析表明，假人胸部azc曲线能够全面反映安全带、转向机构的影响，因此，可以通过将azc曲线积分成速度曲线作为评价台车标定结果的另一准则。

3.2 胸部z向速度vzc曲线的应用

用vzc表示实车碰撞中假人胸部azc积分后速度。图4中azc曲线积分成vzc曲线如图5所示。

图5 驾驶员假人胸部 z向速度曲线

图5中，vzc曲线变化复杂，能够较好反映假人胸部在各约束系统下的运动变化，同时，曲线又比较光滑，干扰波动少，便于通过指定偏差ε，以vzc±ε制定评价准则。

4 δ和ε的研究

某车型在50 km/h台车标定试验时，共进行了6次，经过对转向管柱角度、座椅刚度、输入波形等进行微调，编号为T006的试验结果与实车试验结果最为接近，详细比较如表1所示。

表1 某次标定试验结果与实车试验结果比较

T006试验中，头部HIC36增幅偏大；胸部较好；颈部主要伤害指标伸张弯矩偏低。分析各伤害偏离原因。各采集曲线及处理曲线比较如图6—图11所示。

分析假人头部伤害。图6中，在86 ms前后，两条头部合成加速度曲线达到最大幅值，且幅值基本相等，但过程持续宽度台车略宽5 ms。图7中，头部x向外力作用加速度曲线，实车试验中转向管柱溃缩作用明显，台车试验中偏弱。约86 ms后，台车试验中安全气囊及转向机构刚度表现偏强，最终造成头部伤害值偏大。考虑到管柱影响很难完全消除，另外，假人头部HIC36值，实车试验中为286，台车试验中为342，虽然增幅较大，但增量只有56，因此，就头部而言，标定结果可以接受。

分析假人胸部伤害。图8—图10中，约80 ms之前，两个试验中假人胸部加速度曲线和变形量曲线吻合均较好，但之后，台车试验中假人曲线反应明显加剧。胸部z向加速度曲线表明80 ms后假人处于运动的C阶段，此后反应急剧表明假人前扑速度更快、碰撞强度更大，结果造成胸部与安全气囊的挤压强度增大，胸部变形量出现第二个峰值。

分析假人颈部伤害。图11中，两条曲线总体上同步性表现可以，虽然有18.2%的偏差，但符合通常台车复现结果。另外，伸张弯矩低于最高性能限值，处于满分，当约束系统优化后，其结果不会影响对乘员伤害结果的评价。因此，颈部的标定结果也可接受。

T006的试验结果中假人伤害值偏离情况全面反映了当前台车试验所存在缺陷的影响，且其结果基本可以接受。因此，接下来以T006试验结果为基础对δ和ε进行研究。

4.1 δ的研究

以13.8 m/s为初始速度，分别对目标实车和T006试验中假人axh和a′xh进行积分，求得vxh和v′xh曲线。如图12所示，在vxh曲线基础上，分别建立vxh+δ曲线和vxh-δ曲线。δ用不同值分别输入，直至在假人向前碰撞过程中，vxh+δ和vxh-δ曲线中某一条与v′xh曲线相切。

图12 假人头部外力作用x向速度关系

图12中，当δ=1 m/s时，在约102 ms前基本满足上述要求。在102 ms后，假人头部速度超出范围，但此时，速度为负，假人头部处于回弹过程中，且假人头部伤害取值已基本结束。因此，对于T006台车标定试验，δ=1 m/s满足要求。

4.2 ε的研究

用a′zc和v′zc分别表示假人胸部z向加速度及其积分后速度。分别对目标实车和T006试验中假人胸部z向加速度进行积分，求得vzc和v′zc曲线。如图13所示，以vzc曲线为基础，分别建立vzc+ε曲线vzc-ε曲线。ε用不同值分别输入，直至其在假人A和B运动过程中(约80 ms前)，vzc+ε和vzc-ε曲线中某一条与v′zc相切。

图13 假人胸部z向速度关系

图13中，当ε=0.22 m/s时，在约88 ms前基本满足前述要求。在88 ms后，v′zc曲线超出上限。分析表1中假人胸部伤害，只有台车试验中胸部变形量的幅值出现在88 ms之后，而该值为胸部变形量曲线的第二个峰值，第一个峰值出现的时刻为67 ms，值为24 mm，与实车极其接近且处于可调节区域，而第二个峰值处于假人运动的C阶段，为当前不可调节阶段。考虑ε取值应主要确保将当前台车试验系统及约束系统的极限调节能力发挥极致，ε取0.22 m/s满足要求。

4.3 验证与讨论

研究表明，T006台车标定试验是当前试验能力下的典型试验。试验结果反映了转向机构变形、台车系统固有缺陷所造成的影响，同时，也是该车型多次标定的最佳。因此，基于T006试验结果推导出的δ值和ε值具有普遍应用意义。

以T006试验推导的δ值和ε值建立台车标定评价准则，重新评价曾被认可的5款车型的台车标定结果，其中，2款车型的台车标定试验不满足要求。不满足要求的一个试验中，假人头部评价速度曲线超过评价准则下限，评价不通过。结合高速摄像分析原因：台车标定试验中，管柱在台车被发射初期发生瞬间溃缩，后期胸部与之碰撞后方向盘上翻而管柱没再发生溃缩，最终导致头部与气囊接触晚约4 ms，及碰撞后期气囊作用刚度偏大；不满足要求的另一个试验中，假人胸部前扑速度过快，在假人运动的B阶段初期评价速度曲线超过评价准则下限，评价不通过。分析原因：如图14所示，该车型车身较大，相对车底盘，假人乘坐位置比一般车型高，在台车上表现较突出。另外，在台车搭建过程中，车身下面搭建成纵梁下加横梁结构，将台车抬高了150 mm。两个因素最终导致台车试验初始阶段假人前翻强度相对实车就开始明显偏大。

图14 假人乘坐位置与碰撞点间关系

针对评价不满足要求的2个车型，实车验证时试验结果与台车最终试验结果相差较大，相对实车基础试验结果，优化后的约束系统没有明显改进，大量的台车试验却没能发挥其应有作用。虽然最终按C-NCAP评价已是满分，只是因为该2款车型的伤害值基础试验时就较低。

通过对5款车型台车标定试验结果的评价，以T006试验推导的评价准则在当前具有严谨性，对台车试验能够起到一定的指导。因此，可以推广使用。另外，约束系统开发过程中要进行大量的仿真研究工作，仿真的模型对标与台车模拟试验的标定类似，因此，仿真中也可以采用此准则对建模结果进行评价。

通过对试验结果的评价，也指出：为了使台车标定结果满足要求，可以通过微调方向管柱的安装角度、安全带的导向环位置等实现。另外，为了提高台车模拟试验的模拟精度，建议在后续台车试验设备的改进中，将碰撞点的高度设计成相对台车质心高度可调结构。就目前设备而言，在台车搭建过程中，应尽可能降低假人质心相对碰撞点距离。

5 结论

通过对假人头部x向所受外力作用加速度和胸部z向加速度进行解读，以及对台车T006标定试验结果的综合分析，最终得出台车标定试验的评价准则为：当假人头部在回弹之前、v′xh处于所复现实车的vxh±1 m/s范围内，假人胸部在运动C阶段之前、v′zc处于vzc±0.22 m/s范围内时，台车标定结果满足要求。另外，该准则对仿真的对标工作也具有指导意义。