离位工况下侧面气囊展开对Hybrid Ⅲ 3儿童假人损伤的研究

胡雷，周扬，柳惠君，李月明

吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

侧面碰撞是交通事故中较为常见一种碰撞形式，根据CIDAS的统计数据显示，在我国乘用车碰撞事故中，侧面碰撞占比为31.6%。车辆在侧面碰撞过程中,乘员的头部、胸部、腹部及骨盆容易受到伤害。为了减少车内乘员在侧面碰撞过程中的伤害风险，越来越多的企业采用侧面安全气囊，该装置的引入可以降低侧面碰撞中乘员受到严重伤害的发生率。但是安全气囊也会在碰撞中引入新的能量，在某些情况下会加剧而不是改善受伤的可能性，例如对于离位(out-of-position，OOP)儿童以及5%成年女性来说，由于其身材较小，乘坐位置靠近安全气囊，而且正常乘坐的乘客也可能会因碰撞前的事件(如刹车)而被迫离开初始位置[1]。在此情形下，安全气囊的展开会导致其损伤甚至死亡的风险。为此，侧面气囊离位损伤技术工作组(TWG)通过试验结果确定Hybrid Ⅲ 3儿童假人、HybridⅢ6儿童假人、SIDⅡs和HybridⅢ型5%成年女性假人具备必要的耐久性和重复性，因而选用作为测试对象。通过适当定位假人，使力传感器的方向与部署安全气囊的力方向一致，可以对离位伤害风险进行评估，并根据研究结果制定了测试要求和假人损伤参考指标，以指导生产厂家在侧面气囊方面的开发。

1 Hybrid Ⅲ 3儿童假人的侧面气囊离位测试方法

1.1 Hybrid Ⅲ 3儿童假人测试工况

目前市场上主要采用的气囊有安装在侧围上端的侧气帘(CAB)、座椅外侧的侧气囊(SAB)，也存在少数车辆将气囊安装在车门上(Door-AB)。为减轻车上乘员在侧面碰撞过程中的伤害,TWG工作组对上述3种气囊进行了试验研究，Hybrid Ⅲ 3儿童假人侧面气囊OOP试验工况见表1。Hybrid Ⅲ 3儿童的试验乘坐姿态如图1所示。

图1 Hybrid Ⅲ 3儿童的试验乘坐姿态

1.2 假人伤害评价指标

侧面气囊OOP损伤技术工作组定义两组假人伤害数据，即：损伤参考值和损伤研究值。其中，具有充分科学依据的数值被归类为伤害参考值(表2)。目前由于科学支持较少或试验经验不足，无法完全确定其准确性的损伤值被归类为损伤研究值(表3)。供应商在设计气囊过程中需要根据伤害参考值进行设计，即假人在试验过程中的伤害值不能超过该参考值。为了给乘客提供更好的保护，供应商在侧面气囊的OOP试验开发中，对伤害参考值要求更为严苛。侧面气囊OOP损伤技术工作组建议供应商同时在设计的侧面气囊系统时也尽可能的考虑损伤研究值，并在可行的情况下将其纳入这些设计中。

表2 侧面气囊OOP试验Hybrid Ⅲ 3儿童假人损伤参考值

1.2.1 头部损伤

HIC是目前最广泛接受的衡量头部伤害风险的标准。HIC值根据下面的公式来进行计算：

(1)

式中：t2和t1为在碰撞加速度曲线中任意的两个时间点，s;a为加速度，用重力加速度(以g为单位)的倍数衡量，计算时采用的是三向合成加速度。

对于侧面气囊展开对人体损伤采用HIC15，也就是在15 ms的时间差情况下的HIC值。Hybrid Ⅲ 3儿童假人HIC指标是根据50%的男性HIC最大不超过700的基础上进行缩放获得。

1.2.2 颈部损伤

颈部伤害的评价参考指标主要由颈部力FZ和Nij组成。Nij采用了FMVSS08里面的正面气囊OOP颈部评价项，计算公式为：

(2)

式中：FZ和Mocy分别为轴向力和矢向弯曲力矩;FZc和Myc分别为其相应的临界截距值。

因为Nij包含轴向力和弯曲力矩，轴向力包含压缩和拉伸两种情况，弯曲力矩包括前弯曲和后弯曲两种情况。因此为评价所有可能的载荷情况必须考虑以下4个不同的指标：Nte用于拉伸和后弯曲，Ntf用于拉伸和前弯曲，Nce和Ncf分别用来代表压缩和后弯曲以及压缩和前弯曲的值。

1.2.3 胸部损伤

胸部损伤主要考查的是胸压量和胸压速率。胸压量直接通过假人胸部位移传感器获得,胸压速率通过胸压量求导计算获得。

2 Hybrid Ⅲ 3儿童假人侧面气囊离位试验损伤分析

2.1 头部伤害HIC

Hybrid Ⅲ 3儿童假人伤害值汇总见表4。常见的4种工况中，前朝向坐姿的儿童假人HIC值最高，达到107.22，但比参考值570小，因此在本车型中对Hybrid Ⅲ 3儿童假人造成的伤害较小。如图5所示，通过假人头部加速度曲线可以看出，合成加速度峰值时刻对应的X向和Z向的头部加速度均比较大，造成头部HIC的伤害主要是由于SAB和CAB共同作用假人头部造成。

表4 Hybrid Ⅲ 3儿童假人伤害值汇总

图2 Hybrid Ⅲ 3儿童假人前朝向头部加速度曲线

2.2 颈部伤害

2.2.1 颈部Nij

由表4可知，4种工况中平躺座椅工况下颈部的Nij值最大。通过图3的Nij曲线可看出，平躺工况下，假人颈部Nce的伤害指标最大，即试验过程中假人受到的颈部压缩力和向后弯矩最大。结合视频分析，在假人平躺姿态，头部平躺在座垫上。试验过程中CAB并未与假人接触，假人颈部伤害主要由于SAB的展开造成，如图4所示。SAB在展开过程中作用于假人头部，造成假人头部拉伸力和后弯曲扭矩达到最大，即Nce值最大。

图3 Hybrid Ⅲ 3儿童假人平躺颈部Nij

图4 Hybrid Ⅲ 3儿童平躺Nij视频截图

通过4次试验可看出，颈部Nij值均小于参考值1。根据相关研究资料显示，Nij>0.2有受到AIS1长期损伤的风险，Nij>0.16有受到AIS1短期损伤的风险[1]。因此，尽管4种工况伤害值小于1，但均存在受到AIS1长期风险的损伤。

2.2.2 颈部拉伸力

由表4可知，4种工况中头靠扶手平躺的工况下，假人颈部的拉伸力最大。试验过程中，CAB的展开直接作用于假人头部，对上颈部造成较大的拉伸作用，如图5和图6所示。拉伸载荷过大容易造成枕骨错位、韧带损伤和骨折等[2]。

图5 Hybrid Ⅲ 3儿童假人头靠扶手平躺颈部拉伸力

图6 Hybrid Ⅲ 3儿童头靠扶手平躺拉伸力视频截图

2.2.3 颈部压缩力

由表4可知，4种工况中平躺座椅的工况下假人颈部的压缩力最大。SAB在展开过程中，气体发生器产生的气体通过喷嘴喷射到气袋内，由于气体的流动和扩散使气袋膨胀展开[3]，迅速作用于假人的头颈部，并填充假人头部与门内饰之间的间隙。在填充完假人头部和门内饰之间间隙过程中，SAB会继续挤压假人头部，而此时由于假人头颈部受到坐垫的约束，造成其颈部压缩力增大,如图7和图8所示。

图7 Hybrid Ⅲ 3儿童假人平躺颈部压缩力

图8 Hybrid Ⅲ 3儿童平躺压缩力视频截图

2.3 胸部伤害

由表4可知，4种工况中后朝向的假人胸压量和胸压速率略高于其他3种工况，但均远小于参考值。4种工况中，仅有后朝向的工况假人胸部会直接与SAB接触，其余工况假人胸部都未与SAB和CAB有直接接触的可能性。试验过程中假人未受到其他相关约束，在CAB和SAB展开作用于假人的胸部时，假人会沿着展开的方向运动，因此对假人的胸压量和胸压速率都比较小，故离位工况下SAB和CAB对假人的胸部伤害不明显，如图9至图11所示。

图9 Hybrid Ⅲ 3岁儿童后朝向胸压量

图10 Hybrid Ⅲ 3岁儿童后朝向胸压速率

图11 Hybrid Ⅲ 3儿童假人后朝向视频截图

3 结论

国内汽车企业对离位乘员的保护尚处于起步阶段，相关研究较少。本文按照TWG的测试要求，针对Hybrid Ⅲ 3儿童假人进行了离位工况下侧面气囊的展开试验，并对Hybrid Ⅲ 3儿童假人的伤害值进行研究分析，得出了以下结论：

(1)Hybrid Ⅲ 3儿童假人前朝向坐姿头部受到SAB和CAB的共同作用，造成其HIC值在4种工况中最高；平躺座椅工况中颈部的受到SAB的作用Nij值达到最大；头部靠近扶手的工况中颈部的拉伸力最大；后朝向试验工况中假人未受到其他相关约束，在CAB和SAB展开作用于假人的胸部时，假人会沿着展开的方向运动，因此其对胸部伤害不明显。

(2)基于TWG的离位试验涉及Hybrid Ⅲ 3、Hybrid Ⅲ 6、SID-IIs 3类假人，一轮试验涉及不低于15种试验工况，试验量大、试验数据多以及试验周期长。通过对假人在试验过程中的伤害研究，为优化试验次数提供参考依据，实现开发成本减少和开发周期缩短。

(3)基于TWG的离位试验要求中，假人定位缺少可量化的具体要求，因此在定位过程中受试验工程师的主观性和试验经验影响比较大。不断总结和积累相关的经验对提升OOP试验的质量和数据一致性非常重要。