行人保护气囊设计与验证*

2020-05-28胡帅帅吕晓江张晓天张海洋周大永

汽车工程 2020年5期

胡帅帅，吕晓江，2，张晓天，张海洋，洪丹，周大永

（1.浙江省汽车安全技术研究重点实验室，吉利汽车研究院，杭州 311228；2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 3.奥托立夫（上海）汽车安全系统研发有限公司，上海 201807）

前言

行人和自行车骑行者与电动两轮车的骑乘者等弱势道路使用者与汽车混合的道路交通现状是我国交通的一大特色，特别是近年来共享自行车和电动自行车的大量普及，使这一特色尤为凸显。

2011-2018年我国交通事故深入研究项目共统计了4 613个案例，涉及11 824人，包括伤亡5 753人。在这些案例中，涉及弱势道路使用者的案例占78.8%，其中机动两轮车和机动三轮车共占54.7%，自行车占6%，行人占18.1%［1］。以上交通事故中，弱势道路使用者受伤部位最多的是头部，其次是下肢；另有研究表明，交通事故中头部最容易出现严重损伤［2］。因此弱势道路使用者头部的保护尤为重要。

包括我国［3］在内的各国汽车法规和新车评价规程逐渐提高了对弱势道路使用者头部的保护要求。在我国新车评价规程（C-NCAP）中，行人保护最高得分15分，其中头部占12分，由此可见对弱势道路使用者头部保护的重要性。

为提升汽车对弱势道路使用者头部的保护性能，文献［4］中基于头型和车身的仿真结果，利用自适应响应面法对关键结构参数进行优化，得出更优的发动机罩的刚度和材料匹配方案，使头部损伤HIC（head injury criterion）降低约 10%；文献［5］中设计了一套双摇杆式发动机罩弹起装置，并以发动机罩弹起速度最快为目标，以机构在发动机舱的空间布置为约束，对弹起机构进行了优化，使头型的加速度峰值降低约25.1%，头部损伤 HIC降低约66.4%；文献［6］中同样从弹起式发动机罩着手提升汽车对行人头部的保护效果。以上方式都是针对发动机罩进行改进，对头部的保护范围局限于发动机罩区域，未考虑行人与发动机罩后侧其它区域的碰撞。而弱势道路使用者保护气囊（下简称行人气囊）技术恰好能弥补这一缺陷，能对行人与发动机罩后缘、通风盖板、风窗玻璃根部和A柱下侧区域的碰撞提供有效的保护，国外曾进行过相关的研究［7-8］，并应用在沃尔沃V40车型上，以提升其行人保护性能。

然而，国内鲜有研发机构对行人气囊进行过相应的正向研发工作，对开发流程没有具体的说明，对功能效果没有具体的验证。本文中基于某款A级车型，对行人气囊进行了正向设计开发，通过仿真和试验验证了行人气囊的保护效果。开发流程如图1所示。

1 行人气囊的设计

1.1 气囊包型的设计

行人气囊的作用是在覆盖区域范围内保护头部，降低头部伤害。因此气囊包型设计首先考虑头型冲击目标得分，基于车型传统头型冲击得分图和失分格点分布，进行气囊覆盖区域设计，定义气囊包型。

图1 行人气囊开发流程

基于某款A级车开发行人气囊，目标是配置行人气囊后，头型冲击得分达到C-NCAP五星+要求。C-NCAP五星+要求行人保护得分率达到75%以上，即头部得分至少达到9分。

基础车型在未配置行人气囊前，传统头型冲击得分图如图2所示，头部得分是7.35分，得分率是61.2%，未达到C-NCAP五星+要求。相应的头型冲击格点分布如图3所示。

图2 未装行人气囊时的格点冲击成绩

图3 每排格点对应的位置

由图2和图3可见，第9排及之后的冲击格点基本都位于发动机罩后缘后侧，且得分较差，头部伤害HIC15都大于650。因此须设计行人气囊包型，使其展开后覆盖第9排及其后的所有格点，如图4所示。

图4 行人气囊包型

1.2 气囊模块的布置

目前行人气囊模块布置位置一般分为两种：布置在通风盖板下侧和布置在发动机罩后缘下侧。本研究以安装在发动机罩后缘下侧的行人气囊模块为例。该种类型的行人气囊模块需要与弹起式发动机罩配合使用。弹起式发动机罩的特点是：它不仅能像普通发动机罩那样从前端绕着后沿抬起，以方便发动机等部件的维护，且能从后端绕着前沿抬起。给行人气囊从发动机罩后缘下方伸出展开创造空间，同时增加了发动机罩下方的缓冲空间。

根据现有车身模型，定义行人气囊模块安装位置，并校核模块环境件。行人气囊模块环境件在发动机罩闭合状态和顶起状态下，均不能和模块产生干涉；同时在气囊展开过程中，环境件不能阻碍气囊的展开。因此要求发动机罩后边缘与行人气囊模块外壳后边缘在X向和Z向保持合适的距离，既不能阻碍气囊的正常展开，又要保证安装方便等。图5为车身断面图。实线是指车身结构，虚线P是指行人气囊模块轮廓。车身结构中，A是发动机罩内外板，B是雨刮轴和雨刮，C是通风盖板总成，D是前风窗玻璃。根据车型等级、行人气囊覆盖面积等，预估行人气囊模块三向尺寸和形状；根据行人气囊模块轮廓，定义模块大体安装位置；根据模块大体安装位置，对发动机罩内板、通风盖板和雨刮电机等环境件进行校核，进一步定义模型详细安装位置和尺寸等，如图6所示。

图5 车身XZ断面和模块位置示意图

图6 行人气囊模块环境件校核

1.3 行人气囊头型冲击仿真分析

1.3.1 仿真模型的搭建

根据定义的行人气囊覆盖区域和设计的气囊包型，搭建行人气囊有限元模型。气袋采用织布材料，气袋压强设为50 kPa，发生器用Airbag Load Curve模拟，建立的行人气囊有限元模型展开后如图7所示。将气囊进行折叠并装配至发动机罩后缘下侧，即上述气囊模块布置位置。

图7 行人气囊有限元模型

1.3.2 行人气囊头型冲击仿真

头型冲击分析工况和评价标准与C-NCAP保持一致。C-NCAP在头部保护测试中，对于WAD1700之后的格点，用4.5 kg的成人头型冲击，冲击速度为40 km／h，冲击角度为65°；以HIC15值代表头部伤害的大小，HIC15＞650时，表示已对头部造成伤害；HIC15＞1700时，表示已对头部造成严重的伤害。HIC15计算公式为

式中：a为测量出的头型合成加速度；t1和t2为在冲击过程中的某两个时刻，在（t2-t1）时间间隔内HIC值最大（t2-t1≤15 ms）。

此次行人气囊头型冲击工况中，发动机罩是静态的，即预先将发动机罩后侧抬起至一定高度，并约束固定，然后点爆行人气囊模块。行人气囊完全展开后，头型撞击气囊上A（10，1）格点。该工况旨在分析气囊是否顺利展开、展开过程是否稳定、展开到位时间、气囊覆盖区域是否符合设计要求、气囊厚度和压强是否合适、气囊对头部的保护效果等。

仿真结果如图8所示。由图可见：行人气囊模块能够顺利展开；展开到位时间约为77 ms；气囊完全展开后，能覆盖所关注的格点，覆盖区域符合设计要求；头型撞击时，未击穿气囊，气囊厚度和压强合适；但是展开过程对称性相对较差。

图8 静态头型撞击仿真结果

基于第一轮仿真结果，对仿真模型进行调整。首先改变气囊充气方向，然后根据气囊材料特性和其它气囊开发经验，修改气囊本身的自接触摩擦因数，修改气囊与车身环境件摩擦因数，同时适当缩短仿真迭代时间步等。基于相同工况再次进行仿真，结果如图9所示。

图9 行人气囊静态展开仿真结果

由图可见，气囊展开过程基本对称。由于模型中省略了铰链结构，故气囊一侧出现“甩尾”现象，但不影响整体性能的评估。在本轮仿真中，气囊展开到位时间为58 ms，气囊展开后能覆盖全部目标格点，气囊未被头型击穿。

A（10，1）点是雨刮轴附近一点，属于行人保护头部测试中很难得分的格点。配置行人气囊前后，A（10，1）格点头型加速度曲线如图10所示。配置行人气囊之前，A（10，1）点头型加速度峰值为174g；配置行人气囊后，A（10，1）点头型加速度峰值降低至71g。根据式（1），头部伤害HIC15不仅与加速度峰值有关，且与（t2-t1）时间段内的加速度分布有关，因为它影响式（1）中的积分值。因此头部伤害HIC15并非与加速度峰值完全成正比。经计算，未配置行人气囊时，A（10，1）点头部伤害 HIC15为 1 681.72；配置行人气囊后，降至557.74，即降低了66.84%，保护效果明显，该点头型撞击得满分。

图10 A（10，1）格点头部模型撞击加速度曲线

1.4 行人气囊与弹起式发动机罩联动仿真

行人气囊完整的作用原理是：当汽车前端以一定的速度撞到行人或自行车等弱势道路使用者时，前保险杠附近的加速度传感器或压力传感器甚至汽车前目摄像头会探测到碰撞对象、碰撞速度和力等信息，并将该信息传递给汽车控制模块进行分析；当分析判定碰撞对象是弱势道路使用者，且碰撞程度达到阈值时，发指令使弹起式发动机罩点爆弹起（后侧弹起）；然后控制器命令行人气囊点爆展开，展开后的气囊覆盖发动机罩后缘、通风盖板、前风窗玻璃根部和A柱下侧等危险区域。当弱势道路使用者头部碰撞在这些危险区域时，气囊将行人头部与车身隔开，提供明显的缓冲，对头部起到良好的保护作用。

在整个过程中，涉及弹起式发动机罩与行人气囊的配合问题。汽车控制模块先给弹起式发动机罩发送点爆命令，发动机罩后侧弹起。经过时间b，控制模块给行人气囊发送点爆命令，气囊点爆后从发动机罩下侧伸出并展开。因此给弹起式发动机罩发送点爆命令和给行人气囊发送点爆命令的时间间隔b及其变化范围是一个关键参数。行人气囊点爆时刻过早，发动机罩还未抬起足够的空间避让气囊，容易阻碍气囊的展开；行人气囊展开时刻过晚，会导致气囊还未完全展开时，弱势道路使用者头部已碰撞到气囊上，影响对头部的保护效果。因此须对两个点爆命令之间的时间间隔b进行计算分析。

计算分析方法如图11所示。根据分析和试验得出弹起式发动机罩后端抬升高度与时间的关系曲线，再从仿真计算出行人气囊点爆后的气囊展开高度和时间的比值（即该曲线斜率）。根据该斜率画出与发动机罩弹起过程中抬升高度曲线相近的直线，即为气囊展开高度曲线，它与横坐标的交点即为行人气囊点爆时刻，也即相对顶升器点爆的延迟时间b1。假设汽车碰撞弱势道路使用者时刻为零点，从该时刻到弱势道路使用者头部冲击在行人气囊上的这段时间为HIT，传感器和控制器等系统反应时间为ST，行人气囊完全展开所需时间为DT，则行人气囊的点爆延迟时间b的范围为

图11 行人气囊点爆时刻分析图

取b1作为行人气囊点爆延迟时间，代入仿真中，分析行人气囊与弹起式发动机罩联动工况，确保行人气囊点爆延迟时间值合适。仿真结果如图12所示。由图可见，弹起式发动机罩正常弹起，行人气囊正常展开，两者未产生干涉。经推算，行人气囊完全展开时刻早于弱势道路使用者头部撞在行人气囊覆盖区域上的时刻。因此可以认定，分析的行人气囊点爆时刻合适。

图12 行人气囊和弹起式发动机罩联动仿真结果

2 行人气囊试验验证

2.1 行人气囊展开验证

行人气囊静态展开试验结果如图13所示。气囊可顺利展开，展开到位时间约为58 ms，展开过程同样存在稍许不对称的现象，与仿真过程相似。气囊展开到位时间与仿真相近；展开过程比较顺利，下一步对发生器位置进行微调，改善气囊展开过程的对称性。

图13 行人气囊展开试验

2.2 行人气囊头型撞击验证

行人气囊静态展开头型撞击验证，旨通过试验进一步探究气囊内气压大小是否合适、气囊展开后厚度是否合适以及气囊的保护效果。

理想气体状态方程为

式中：p为气体压强；V为气体体积；n为气体量（摩尔数）；R为气体常量；T为气体温度。

由式（3）和 a＝pS／m的关系可推导出头型加速度：

式中：m为头型质量；S为头型在速度矢量方向的受力面积。根据式（4），可通过控制气囊展开体积和发生器产生的气体量，近似定量地控制头型撞击气囊时的加速度峰值。

参考行人气囊静态展开试验的工况设置气囊、车辆和工装等，同时设置行人气囊0时刻点爆，头型在70 ms时刻左右撞击气囊上A（10，1）点。试验过程如图14所示。

图14 行人气囊头型撞击试验

由图可见，试验中行人气囊展开顺利，展开过程对称性得到改善。头型未将气囊击穿，证明气囊内压强和气囊展开厚度均较合适。

计算分析试验中头型加速度如图15所示。头部伤害 HIC15为 559.27，仿真中该点 HIC15为557.74，仿真与试验相比误差为0.27%。图16为A（10，1）点头型加速度仿真与试验曲线对比。两者趋势和峰值基本吻合。由此可证明，行人气囊仿真模型准确度较高，分析结果可信。

图15 试验中A（10，1）点加速度曲线

图16 A（10，1）点头型加速度曲线对比

根据试验结果，该车配置行人气囊后，A（10，1）点头部伤害降低66.74%，行人气囊对头部保护效果非常明显。

2.3 行人气囊联动展开头型撞击验证

行人气囊联动展开头型撞击试验是模拟行人气囊系统包括信号传递的整个作用过程。如a时刻顶升器点爆，弹起式发动机罩展开；（a+b）时刻行人气囊点爆，气囊撕裂模块外壳，伸出发动机罩外展开；（a+b+c）时刻，头型开始撞击行人气囊上某一点。整个作用过程中，主要通过试验探究以下3点：（1）行人保护气囊和弹起式发动机罩的协调程度；（2）头型撞击到行人气囊覆盖区域前，气囊是否能完全展开；（3）该工况下，头型加速度曲线和伤害值。

将车身通风盖板区域改制，给行人气囊模块避让空间；其次将行人气囊模块按照设计位置安装在发动机罩后缘下侧，如图17所示。

图17 安装有行人气囊模块的车身

行人气囊模块安装完毕，对头型定位。本次撞击点选择风窗玻璃根部接近A柱上一点A（10，5），也是行人气囊保护区域中不易得分的格点。由上述分析已判断出行人气囊点爆相对于弹起式发动机罩的最短延迟时间约为9 ms，保留30%余量，试验中设定延迟时间为11.7 ms，设置头型撞击时刻为75 ms；A（10，5）格点对应的 HIT约为126 ms，实际汽车系统的ST基本不大于35 ms。因此根据式（2），本次试验中，如果气囊能在头型撞击到A（10，5）点前完全展开，则对应的在实际交通事故中，气囊能在弱势道路使用者头部碰撞前完全展开。按照上述分析设置试验控制器，进行行人气囊联动展开头型撞击试验。试验结果如图18所示，头型加速度曲线如图19所示。

根据高速摄像可观察出行人气囊和弹起式发动机罩协调较好，气囊和发动机罩未发生干涉现象，证明分析得出的行人气囊点爆延迟时间b1满足要求；试验中头型接触到行人气囊时，气囊基本完全展开，证明实际交通事故中，在弱势道路使用者头部碰撞到行人气囊覆盖区域时，行人气囊完全能够展开到位，实现有效保护；根据图19得到头部伤害值HIC15为658.6，该车未配置行人气囊时 A（10，5）点头部HIC15为1 638，因此行人气囊使该点的头部伤害值降低了59.8%，保护效果明显。

综上分析与验证，行人气囊装置使C-NCAP头部测试中最易失分的格点 A（10，1）和 A（10，5）由红色变为绿色，依次类推，行人气囊覆盖区域的格点在测试中均为绿色，头型撞击得分可高达10.97分，得分率达93，1%，满足五星+对行人保护得分率不低于75%的要求。