某MPV车型后排约束系统对标和改进设计

2020-06-02庞毅段大禄杨华凯

汽车零部件 2020年5期

庞毅，段大禄，杨华凯

(1.广西数仿科技有限公司，广西柳州 545007；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州545007；3.卡仕福汽车技术有限公司，江苏南京 210000)

0 引言

约束系统是汽车碰撞事故发生时保护乘员的重要装置，现在的乘员约束系统优化通常基于确定性的设计条件和载荷参数条件进行，其目的是提高对乘员的保护效果，使损伤降到最低水平[1]。在汽车被动安全措施中，安全带是十分关键的装置。据各国交通部门的统计数据显示，在发生正面撞车时，如果系上安全带，车祸的伤亡率可以降低45%[2]。

文中计算的仿真模型用Radioss有限元求解软件建立，并使用Radioss Block格式的显式时间积分求解算法[3]。通过优化后排座椅的泡沫硬度，选用较大延伸率的织带，增多安全带卷收器的织带保有量，以及采用匹配车型的后排安全带限力级别，对该MPV车型进行了约束系统对标和改进设计，较大改善了后排乘员的安全性能。

1 后排约束系统分析

1.1 碰撞试验ODB64

在汽车碰撞安全性能的评价法规C-NCAP中，试验车辆以64 km/h的速度40%重叠正面冲击固定可变形吸能壁障，用于考察车辆中假人的损伤情况，如图1所示。

在整车碰撞ODB64的试验中，前排驾驶员和乘员位置分别放置一个Hybrid III 型第50 百分位男性假人，用以测量前排人员受伤害情况。在后排座椅最左侧座位上放置一个Hybrid III 型第5 百分位女性假人，用以测量后排人员受伤害情况，如图2所示。

图1 偏置碰撞试验ODB64

图2 偏置碰撞试验假人

1.2 约束系统仿真

汽车乘员约束系统后排的模型主要包括：安全带、座椅、汽车地板等，如图3所示。针对车身结构已定型的某新开发车型，由于后排座椅没有安全气囊，这里的约束系统主要是安全带和座椅。

图3 后排约束系统仿真建模

仿真模型中，座椅和地板固接作为边界条件，整个系统施加重力载荷。后排座椅和ODB试验一样有X方向64 km/h的初速度，取靠近后排座椅的汽车C柱下传感器Y、Z方向的数值作为后排座椅Y、Z方向的平移相对速度，旋转速度通过右C柱下X方向和Z方向的传感器数值和左C柱上Z方向和下X方向的数值计算得出。

1.3 问题说明和分析

某MPV在偏置碰撞试验ODB64中，碰撞加速度较大和第二排约束系统未做优化匹配,肋骨压缩量试验值为49 mm，超过C-NCAP规定的限值48 mm，结果为0分，第二排假人胸部受到很大伤害，因此必须要改善胸部的伤害。

在碰撞过程中，如图4所示,第二排第5 百分位女性假人主要受安全带和座椅约束作用。根据达朗贝尔原理,作用于一个物体的外力与动力的反作用之和为零[4],简化受力简化如图5所示,其中F1为假人向前的惯性力，F2为安全带的肩带力，F3为安全带肩带和腰带X方向分力之和，F4为座椅对假人的支撑反力，F5为安全带腰带力，F6为假人重力。由简化受力可知，要减小胸部压缩量可以通过减小F3即安全带的拉力来实现。

图4 后排女性假人受力简化图5 受力简化分析

2 安全带和座椅

在汽车正面碰撞事故中，尤其对后排的乘员而言，安全带系统是最重要的乘员保护装置[4]，安全带物理模型如图6所示。为了更好地保护乘员，防止胸部伤害过大，很多车型在后排的安全带装置中加有限力功能,尤其是正面碰撞时整车加速度较大的车型。

图6 安全带实物

安全带限力器的工作原理是：在乘员相对车体运动过程中，卷收器内的限力装置通过释放出一定量的安全带织物，使安全带的力维持在限定的水平，从而限定安全带对人的作用力[5]。某MPV车型的整车碰撞试验ODB64中,后排的安全带为卷收器带限力扭杆装置，没有预紧器，因此只有限力作用。图7为带限力扭杆的安全带装置示意。

图7 带限力扭杆安全带实物分解

2.1 安全带建模

安全带是约束系统的重要组成部分。安全带的有限元建模一般包括：织带、带扣、卷收器、滑环、限力器和预紧器，各部件组合的模型如图8所示。

Radioss的求解方法为有限元的罚函数法，对比多刚体求解软件Madymo的MB-FE混合接触算法[6]，计算时间虽然比较长，但模拟方法更接近真实的物理情况。有限元方法可以精确模拟碰撞工程中安全带在假人身体表面的滑动以及安全带织物陷入假人身体表面的嵌入效应[7]。

图8 安全带仿真模型

2.1.1 织带

织带的建模分两部分，和人接触的部分要用2D单元建模，其他部分用1D单元建模，在滑环和带扣处的1D单元要有足够的长度才能确保安全带的合理滑动。仿真建模中需要的安全带力学特性需要做试验来获取，通过如图9所示的织带拉伸试验，得到图10所示的有限元建模中织带的延伸率曲线。

图9 织带拉伸试验

图10 织带延伸率曲线

2.1.2 卷收器

安全带的卷收器控制织带的拉出量，一般通过图11所示的静态卷收器芯轴织带环绕拉伸试验获取拉出力和拉出位移的曲线。通过卷收器织带拉出试验，在对标中得到安全带仿真的准确模型，可以模拟和试验效果一致的安全带拉伸性能。

当安全带卷收器里面的织带长度不一样，会影响织带的拉出量和假人的胸部受力，即为卷收器的卷轴效应。因此通过图12的安全带卷收器不同长度织带保有量的卷轴效应试验，测试得到其对假人胸部伤害的影响。取50分位HybidⅢ假人做安全带滑台试验测试卷轴效应，试验结果如图13所示，得出卷收器安全带织带的保有量越多，对假人胸部的压缩量越小，伤害越少，因此在仿真对标模型中要考虑卷轴效应的影响，较试验严苛地模拟安全带肩带拉力。

图11 卷收器织带拉出试验

图12 卷轴效应试验

图13 卷轴效应对胸部伤害的影响

2.1.3 限力器

由于过高的安全带肩带拉力对胸部肋骨伤害很大，限力式安全带可以很好地解决这个问题。当安全带拉力达到限定值时通过可以扭转的限力杆来使织带在锁止状态时释放所承受的力，减少由于安全带导致的胸部的压缩变形。常用的限力杆有恒力限力杆和递减限力杆。选择合适的限力形式和级别要考虑具体车型的碰撞试验加速度以及成本。

安全带的限力通过限力扭杆来实现，限力器的限力级别根据肩带力和胸部的肋骨变形量来调节。安全带的限力作用只对肩带有效果，对腰带不起作用，通过调整仿真模型中安全带限力器的径向刚度，对标安全带肩带力的试验结果如图14所示，其对应肩带力的胸部压缩位移量结果如图15所示，对标安全带腰带力的试验结果如图16所示。由于碰撞试验中假人的伤害峰值在100 ms之前，故为了节省计算的时间，仿真模型只需计算到150 ms。

图14 安全带肩带力

图15 胸部肋骨压缩量

图16 安全带腰带力

2.2 座椅

整车碰撞ODB64试验中，对后排女性假人伤害的考察主要是头部、颈部和上躯干，而且MPV车型由于座椅位置较高，如图17所示，一般后排座椅的变形和假人前移量比较小，对假人的伤害有限。根据仿真计算的模型分析，后排座椅泡沫的刚度影响骨盆和下躯干向X方向前面移动的位移量。

座椅的泡沫材料通过图18所示的压缩机刚度试验获取。根据试验和仿真分析，后排座椅泡沫优化前和优化后的刚度曲线如图19所示，优化后的泡沫比优化前的软。

图17 碰撞试验后排座椅图18 后排座椅泡沫刚度试验

图19 座椅泡沫刚度曲线对比

3 对标和优化

3.1 对标结果

在汽车碰撞安全性能的评价法规C-NCAP中，后排女性假人头部若在向前移动过程中未发生二次碰撞，则头部直接得到1分[8]，图20为假人头部加速度的对标。颈部得分通过测量假人相关指标而产生，其评价指标包括剪切力Fx、张力Fz和伸张弯矩My，试验中Fz达到1 800 N，图21为颈部张力对标。

图20 头部加速度

图21 颈部Z向张力

图22为碰撞试验发生在t=120 ms时刻的录像，图23为仿真对应t=120 ms时刻的动画，从假人的运动姿态看，仿真和试验比较接近，说明较好地完成了假人伤害的仿真对标。

图22 偏置碰撞试验录像

图23 偏置碰撞仿真动画

3.2 安全带和座椅的优化设计

奇瑞汽车的王灿军等在某微型轿车乘员前排约束系统的改进设计中，通过选择延伸率大的织带和匹配带有限力装置的安全带，对减小假人的损伤取得较好的效果[9]。

由于该MPV车型后排女性假人在碰撞试验中只是胸部伤害较大，压缩量为49 mm，超过了C-NCAP法规的上限48 mm，故采用限力式安全带来降低安全带对胸部的伤害，其限力功能通过安全带卷缩器中心轴的扭转杆实现，可通过设定扭转杆的材料来实现不同的限力等级,通常从2.5～6.5 kN不等。

该MPV车型是后排的约束系统优化，不是前排驾驶员的约束系统，没有方向盘等前排结构，但对安全带优化改进较好的措施可以运用到该车型中。选择延伸率为15%的织带，并且选择限力为3.5 kN规格的安全带，从对标模型中调整相关参数计算后，胸部伤害值曲线如图24所示，胸部肋骨压缩变形量从优化前的51.2 mm减小到了30.4 mm,减小的幅度为40.6%，较大程度改善了胸部的损伤。