简易滑台碰撞安全件产品的平台化开发

杨凯 欧阳俊 刘宗华 肖一渊 岳亦财

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

随着安全领域的快速发展和市场对汽车安全性的加深关注，安全件相关产品的研发越来越受到各大主机厂的重视。然而不同项目产品的整车验证往往占用大量研发资源，通过利用简易滑台角度可调式风挡、仪表、可调式转向管柱等设计，实现了不同项目不同设计下的安全件性能验证。另一方面，对于同一参数的产品，需要在不同环境参数下验证其能否满足不同车型的性能需求，通过仿真分析影响假人得分的关键因素，基于简易滑台装置将最恶劣工况进行组合以验证产品性能。若满足最恶劣工况下的性能目标，则满足参数范围内的其他项目要求，进而实现了安全件产品的平台化开发与相关性能的验证。

1 正面约束系统参数平台化分析

1.1 安全件参数设计

以正面约束系统安全件的平台化开发为例，在概念阶段有效控制乘员空间及安全带布置，验证主驾安全气囊、副驾安全气囊、安全带对应的平台化参数是否满足针对C-NCAP 开发目标的平台化要求。安全带相关参数中，影响安全带性能的要素包括限力等级和延伸率；影响主/副驾侧安全气囊性能的参数包括气体发生器型号、气袋材料、气袋涂层、拉带长度及方式、泄气孔与气袋直径、包型等。通过统计，得出一套适用范围最广的安全件平台化参数，然后针对相关参数进行试验验证。

1.2 影响环境因素分析

安全件平台化的前提条件是影响试验得分的环境因素（包括碰撞波形、腿部空间距离、转向管柱角度、胸部空间、座椅强度及安全带安装点位）得到有效控制。经过仿真分析，可计算出以往车型的乘员载荷指数（OLC），并将最恶劣的波形作为试验恶劣条件工况的组合之一。其次，对空间及安全带布置开展校核，保证环境件的基础要求。腿部空间的距离影响着大腿的承载程度，空间越小，承受的冲击越小，胸部损伤则越大。同理，最大膝部空间距离可作为恶劣工况输入之一来评估胸部损伤的情况。另外，转向管柱的角度影响溃缩需要的力，同时影响胸部空间至仪表的距离。胸部空间越大，驾驶员受到安全带有效束缚的效果越好。

1.3 简易滑台设计

简易滑台通过可调式支架进行不同项目试验中仪表、管柱与座椅等样件的更换，如图1 所示。相机由简易支架固定于滑台前后部，用于监测假人在试验过程中的运动过程。不同项目试验开始前仅需更换对应的改制仪表、管柱、DAB/PAB、安全带及座椅，并严格按照整车设计的安全带点位、空间距离、风挡玻璃角度等进行试验准备。

图1 简易滑台装置示意图

2 开发流程及分析

2.1 滑台开发流程

通过分析不同环境参数对假人得分的影响，选择各类因素最为严苛的参数进行组合，归纳出试验条件最为严苛的工况。如果验证规定的产品满足最为严苛环境参数范围内的工况开发要求，则安全件产品满足环境参数范围内的其他项目开发需求，进而达成平台化集成安全开发降本增效的效果。

2.2 理论曲线

当汽车发生正面碰撞时，驾驶员主要受到来自安全气囊、安全带、座椅、地板等的外力，如图2 所示。分析假人损伤时，要研究外力对假人各个部位的影响。通过生成各部位自由体线图，可以得到各个部位运动情况与受力情况的相互关系。在安全带约束开始后，假人头部受到的力主要来自颈部对头部的剪切力（Fx/N）；当气囊安全展开并与头部接触开始约束时，头部受到的力主要为面部施加的力（Fa/N）为：

式中：m头——假人头部质量，kg；

a头——头部质心处加速度，m/s2。

图2 汽车正面碰撞时驾驶员俯仰现象示意图

后期计算头部F-s 曲线的斜率，即代表气囊的刚度[1]。

胸部外力与胸廓变形的关系较为复杂，假人胸部主要受到安全肩带两端对假人前后方向施加的力（Fsb1x/N）、（Fsb2x/N）以及安全气囊施加的力（Fairbagx/N）而发生变形。假设胸部前后方向对每条肋骨后端施加的载荷为Frib、假人胸压量为D、胸部刚度为k，胸廓密度为ρ，加速度 arib则有公式近似成立[2]：

式中：mchest——假人胸部的质量，kg；

achestx——胸部质心处x 方向加速度，m/s2；

Farm（r），Farm（1）——作用于胸部的右肩、左肩关节内力，N；

Fneckx——作用于颈部的内力，N；

Flumbarx——作用于腰椎上端内力，N。

对12 条肋骨体积进行积分惯性项：

式中：Frib——每条肋骨后端受到胸部前后方向上的载荷，N；

Vsternum，Vrib——胸骨和12 条肋骨的体积进行积分得到的惯性项。

由式（1）和式（2）可得：

由式（4）可以看出，内力越大，对胸部加速度与变形的影响均越大。汽车正面碰撞时驾驶员发生的俯仰现象，如图2 所示。

2.3 开发思路及分析

由于试验主要为验证DAB/PAB/安全带平台化参数，这些安全件影响头颈胸的损伤，另外由于简易滑台无法复现脚歇板等结构，所以下肢得分不予考虑。通过定义平台化性能C-NCAP 开发目标，对比试验结果判定最恶劣工况下的假人损伤值满足要求来定义环境参数项目范围。试验首先需要验证简易滑台试验波形迭代是否与整车波形一致，波形的关键参数主要是对比滑台的g-t，g-s，OLC 值。其目的是通过对比试验输入与输出的关键值以确认简易滑台的可靠性及稳定性。简易滑台试验波形对比及头部加速度-时间曲线，如图3 所示。

图3 简易滑台试验波形对比及头部加速度-时间曲线

对比转向管柱项目范围内设计的最大值与最小值工况，将结果与前期项目下的整车及滑台试验进行对比，得出滑台试验对头部伤害的结果比整车结果更为恶劣。原因是整车碰撞试验发生俯仰（Pitch）导致头部相对气囊向上前方向远离，头部受力更小。另一方面，通过观察g-t 曲线，可判断在92 ms 处简易滑台均发生轻微头部触底，然而峰值水平与项目前期滑台试验当量相同。通过对比换算出简易滑台试验结果与整车预测值同样满足性能开发要求。此外，转向管柱角度较小时，假人胸压量更大，如图4 所示。通过分析胸部损伤原因判断，影响假人得分的因素包括气囊的高度、转向管柱的溃缩情况、安全带至下颚距离（胸部接触位置）以及安全带受力情况。然而，经过对比发现上述因素数据均一致，从而可以推测出是转向管柱角度的不同影响了假人胸部与气囊接触的位置及受力面积，在相同气囊保压情况下，小角度气囊接触假人位置更低、面积更大，以至于胸压量更高[3]。

图4 不同角度转向管柱角度头部g-t 曲线与胸压量s-t 曲线

副驾侧影响头部损伤因素基本与主驾一致，在不同安全带恶劣情况及不同波形的恶劣情况下，头部外力曲线的斜率基本一致，通过对比F-s 曲线可以判定波形和安全带点位的恶化对头部伤害的敏感度低。而从副驾侧假人胸部损伤分析中发现，在其他影响胸压量的环境参数中，气囊刚度条件、副驾假人胸部至仪表的IP 距离一致，安全带限力一致，但安全带D 环点位的下降导致下颚至安全肩带的距离更大（安全带点位更恶劣），胸压量随之增加[4]，如图5 所示。

图5 不同安全带点位头部外力F-s 曲线与胸压量曲线s-t 曲线对比

2.4 平台化效益分析

约束系统产品平台开发对成本及开发周期有很大影响。开发成本方面以安全带为例，整车安全带产品全新开发产生的模具费用和试验费用高达近400 万元，其中模具费占比66%、试验费用占比34%，而通过平台化沿用可节省该部分开发费用。安全带产品平台化开发成本效益占比，如图6 所示。

图6 安全带产品平台化开发成本效益占比

除此之外，平台化开发还大幅度减少了转向盘、主/副驾驶员气囊、侧气囊/帘、座椅等产品的单独开发费用。采用平台沿用设计，除省去模具费之外，单品的试验亦可等效视同，试验费用可同步省去，效益改善明显。此外，当多个项目实施平台化方案后，单车成本对应不同配置收益同样大幅度降低。

2.5 产品优化建议

为了改善正面碰撞中主驾头部与气囊接触发生触底的情况，可以增加气囊涂层及改善气囊刚度。带有涂层的主驾气囊（DAB）在试验后，通过对比发现，带涂层气囊保压性能更好，气囊刚度更高，头部触底得到改善，如图7 所示。

图7 DAB 不同涂层头外力对比情况

虽然胸压量增加，但仍满足性能开发要求。副驾侧气囊（PAB）在展开时由于纵向发生的抖动现象，导致在假人头部与副驾侧反弹回的气囊接触时，颈部弯矩值有着明显的增高。通过改善气囊气体发生器的导轨形式，可有效解决气囊抖动并改善颈部损伤的问题，如图8 所示。

图8 PAB 不同抖动方案颈部弯矩（My）对比情况

3 结论

文章基于简易滑台试验工况，对平台化安全件产品进行研究，并根据试验项目参数环境组合匹配最恶劣工况进行产品验证及研究。此外，在约束系统平台化的一系列试验中，解决了单变量参数单独开发的高成本流程问题；提出了产品平台化开发验证思路与流程，减少了安全产品件涉及的模具费与试验验证费用，进一步大幅度降低了研发周期及成本。

关于深入课题研究的建议包括如何优化简易滑台工装，使其更实用、便利且准确地复现出整车不同环境件参数。另外，如何模拟出脚踏板等影响假人下肢得分的因素也可作为后续的研究方向。