安全带预紧性能对假人运动姿态的影响

刘昕耀 韩非 李明阳 韩啸

沈阳金杯锦恒汽车安全系统有限公司 辽宁省沈阳市 110141

1 引言

被动安全性是指汽车在发生碰撞事故时，有效约束车内乘员使其避免受伤或伤害程度降到最低。安全带是被动安全重要的组成部分，是约束车内乘员的最重要的零件，因此安全带的约束性能对整个安全系统来说都非常重要。

基于2018 版C-NCAP 针对后排得分权重的增加，后排安全带配置也在提升。因此，在现有市场，预紧限力式安全带已经成为最普遍的安全带配置，也是保证乘员安全的基础配置。2018 版C-NCAP 针对肩带力要求小于6KN，因此汽车安全系统开发时，低扭力杆会越来越受到欢迎。

近年来，随着轻量化汽车及小型汽车的发展，车内空间有限，要求安全带的约束性能更强。仅通过改变扭力杆大小已经无法满足主机厂的要求，改善安全带的预紧性能，进而实现提升对假人的约束，便成为了更加有效的方式。

2 产品设计思路

根据开发经验发现，多家汽车厂对卷收器出口力值预紧后跌落值有标准值规定，例如不能小于1KN 以下。预紧后跌落对整体约束有何影响，还需要进行有效的验证。我们预想的结果是预紧后跌落，导致锁止不及时，使得限力上升时间较晚，这样表现的卷收器，假人约束效果明显较差。

在上述设计思路下，我们开展以下工作，进行仿真验证设计思路，搭建仿真模型进行对标分析，保证模型的准确性，通过调整模型给实现预紧跌落与预紧不跌落两种状态，得到假人各个位置加速度的曲线，对比假人的约束效果，验证得到设计思路为正确。

3 仿真验证

3.1 仿真模型的建立

使用仿真软件进行安全带系统仿真技术研究。模型搭建参照GB14166-2013标准要求进行试验方式，仿真模型使用Hybrid Ⅲ50%男性假人、刚性座椅。使用某知名主机厂的新款车型的坐标点和波形。利用有限元方法模拟安全带、假人、座椅等零部件系统，仿真模型如图1 所示：

图1 安全带系统仿真示意图

仿真模型在进行开发思路验证前，需要进行对标分析，即实现仿真输出数据与实际试验数据进行对比，调整模型达到足够的精度，保证模型的准确性。建立的仿真模型运算后，输出安全带的常用力值和假人常用参数，包括卷收器出口力值、肩带力、插锁力、腰带力、胸压、头部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等。将以上仿真数据与实际试验数据进行CORA 分析，通过调整模型参数，实现仿真与实际试验数据相似度达到90%以上，相似度较高，可以用于以后的仿真思路验证。

3.2 安全带仿真力值

通过调整模型中的相关参数，实现预紧与限力之间的转换，改善跌落和锁止不及时的情况。卷收器出口力值和肩带力值表现如图2 所示，原有状态代号为H4（黑色），改善后的状态代号为H7（红色）：

图2 仿真出口力和肩带力对比

通过调整实现预紧与锁止之间跌落力值上升，由1KN 升至1.5KN，限力上升时间明显提前，提前最少5ms 的时间，达到我们预期的效果，可以进行后续假人运动姿态的分析。

对比模型中假人的运动状态，可以体现出假人运动状态的参数包括插锁力、腰带力、胸压、头部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等，通过这些参数进行对比，可以观测预紧与限力转换的改善对假人束缚能力的影响。

仿真测量安全带力值部分，插锁力和腰带力进行结果比较。原有状态代号为H4（黑色），改善后的状态代号为H7（红色）：

图3 仿真插锁力和腰带力对比

由曲线可以看出：

1）改善后状态H7 安全带插锁力值上升阶段明显提前，力值降低约1.5KN。

2）改善后状态H7 安全带腰带力值上升阶段明显提前，力值降低约2KN。

以上力值表现均可以体现出对假人腰部约束效果明显，腰带力值低证明假人骨盆前移量较小，预紧与限力之间的改善，对假人骨盆运动趋势产生明显的影响。

3.3 假人仿真加速度及胸压

仿真使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，输出假人X、Y、Z 三个方向的合成加速度，包括头部加速度、胸部加速度和骨盆加速度，同时采集假人胸部压缩量，进行对比得到的曲线如下（图4）：

图4 仿真假人加速度和胸压对比

由曲线可以看出，改善后状态的表现如下：

1）曲线尖峰代表头部碰撞膝盖的时间，碰撞时间点明显延后，峰值较低，说明碰撞幅度减小。

2）骨盆合成加速度明显低于原有状态。

3）胸部合成加速度明显低于原有状态。

4）胸部压缩量高于原有状态。

以上加速度及胸压的表现，均体现出对假人的约束效果明显。头部、骨盆、胸部加速度峰值点都有明显的下降，证明假人头、骨盆、胸部向前运动趋势减小，对假人整体约束增强，胸部压缩量增加也是对胸部约束增加的表现。

通过本节内容可以得出，产品设计思路是正确的，更改产品特性将预紧与限力之间转换的力值

提升，限力上升时间提前，可以明显增加对假人的束缚能力。对比同一时刻的运动姿态，如图5 所示可以看出，相对安全带位置，原状态假人臀部前移量更大，上躯干前倾量更大。通过仿真结果可以看出，对假人头部、胸部、骨盆位置的约束效果都明显增强。

图5 同一时刻假人仿真运动状态的对比

但是结果表现胸压变大，这样会影响乘员保护结果，伤害值更大。由于前期约束效果提升，可以降低扭力杆等级，前期约束效果提升可使用低扭力杆等级，实现与高扭力杆等级一样的约束效果，达到降低胸压的效果。

4 结论

本文针对预紧与限力转换部分的性能表现对假人运动趋势的影响，进行仿真分析得出以下结论：

1）改善了预紧后安全带出口力值跌落问题，限力上升时间明显提前。

2）出口力值预紧后提升以及限力上升时间提前，无论对于假人头部、胸部还是骨盆位置，假人的约束效果都有明显提升。

综上所述：本文进行仿真分析验证研发方向的正确性，得出预紧性能对假人运动趋势的影响，为主机厂安全带选型提供更多更好的选择。目前主机厂由于车型或者空间的限制，急需约束效果更好的安全带性能。本文的产品设计及验证扩展了今后的安全带开发思路，为汽车企业进行性能匹配提供一些新的方法，对汽车企业进行安全带选型有一定的指导意义。