某皮卡车型乘员保护性能分析

刘晓东，陈 开，王瀚枫，栗 国，胡帛涛

某皮卡车型乘员保护性能分析

刘晓东，陈 开，王瀚枫，栗 国，胡帛涛

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

基于2024版中国新车评价规程（C-NCAP），对某皮卡车型的乘员保护性能进行了研究，以提升该皮卡被动安全性能。对C-NCAP下皮卡车型的乘员保护测评内容进行了解析，对该皮卡车型的乘员舱空间尺寸、车身结构碰撞指标与多款乘用车进行了对比研究，对C-NCAP各碰撞工况下约束系统性能进行了仿真分析，并针对乘员保护重要问题点结合假人伤害进行了优化分析。结果表明，皮卡车型乘员正面与侧面空间较为充足，但正面工况侵入量偏大，通过合理的油门踏板、座椅和气囊设计，能有效的改善皮卡乘员保护性能。

皮卡；乘员保护；约束系统；C-NCAP

21世纪以来，随着中国经济的快速发展，国民用车需求也在极速增长，农村或城乡结合地区，对既能载人且兼顾拉货这一类多用途工具车的需求逐年上升[1-2]。皮卡车型采用乘用车式车头和驾驶室，并带有敞开式货厢，低矮车身易于装卸一吨左右货物[3]，同时又具有乘用车的配置和舒适性，兼顾了乘用车和商用车的优点，被广泛应用于城乡物流运输工作中[4-5]。全国多个城市陆续出台了皮卡进城解禁政策[6]，并伴随着相关利好政策的不断落地实施，以及市场内外部环境的持续改善，皮卡车型的销量得到较大增长。

用户对于皮卡车型的要求，已经从商用车功能，升级到不断提升内饰品质、安全性能、驾驶乐趣等乘用化体验[7-8]，安全性能成为用户最为关注的性能之一。目前国内乘用车，包含轿车、运动型多功能车（Sports Utility Vehicle, SUV）、多功能乘用车（Multi Purpose Vehicles, MPV）等，基于中国新车评价规程（China New Car Assessment Programme, C-NCAP）的碰撞安全性能开发技术，经过多年发展，已经较为完善。而皮卡车型属于多功能货车范畴，2022年之前未被纳入C-NCAP评价车型范围，碰撞安全性能开发以针对国标工况为主，基于C-NCAP的开发技术相对不成熟。

皮卡车型按照重量、尺寸和载重等因素，可分为紧凑型皮卡、中型皮卡、全尺寸皮卡、吨卡等。本文基于某中型皮卡的碰撞安全性能开发过程，对2024版C-NCAP规程下该皮卡的乘员保护性能开发进行了研究。

1 C-NCAP皮卡测试工况解析

2021年10月21日，中汽中心汽车测评管理中心发布了《C-NCAP管理规则（2021年版）》修订说明，选车范围增加了最大设计总质量小于等于3.5 t的皮卡车（多用途货车），提出皮卡车按照《C-NCAP管理规则（2021年版）》中的单排座车进行测试评价，并于2022年1月开始实施，这对新推出的皮卡产品安全性有了更高的要求。

2024版C-NCAP对测试工况和内容进行了全面更新，根据《C-NCAP管理规则（2024年版）》草案[9]，皮卡乘员保护版块包含如下测试工况和评价项目，如表1所示。

按照2024版规则，皮卡车型按不计后排分数，且不进行儿童保护静态评价，乘员保护版块满分85分。移动渐进可变形壁（Moving Progressive Deformable Barrier, MPDB）碰撞试验中的兼容性作为监测项目，不参与评分，后续根据观察和试验数据积累结果进行修订。

本文按照2024版C-NCAP规程要求，进行了正面刚性墙（Front Rigid Wall Barrier, FRB）碰撞、正面MPDB碰撞、侧面中国版可移动壁障（Suitbale for China-Moving Deformable Barrier, SC-MDB）碰撞、侧面柱碰（Side Pole Barrier, SPB）及远端乘员保护工况（Farside）下基于LS-DYNA的约束系统仿真建模分析。

表1 皮卡乘员保护版块评价项目及分值分配

2 约束系统仿真边界条件对比研究

仿真分析中边界条件的恶劣与否，是影响计算结果的重要因素。约束系统匹配的边界条件主要包括假人的初始生存空间、车身结构碰撞性能输入。初始生存空间是未发生碰撞时，假人与车体内饰或结构件之间的空间。车身结构碰撞性能输入，主要包含车体加速度和乘员舱变形侵入量。车体加速度，反应了碰撞的剧烈程度。乘员舱变形侵入会挤占假人的生存空间。侵入量越大，假人的实际生存空间越小。当假人初始空间大，车身加速度及入侵较友好时，约束系统匹配更容易。当假人初始空间较大，但车身结构碰撞性能输入比较恶劣时，约束系统开发难度也会加大。

2.1 初始生存空间

该皮卡车型长5.36 m，宽1.95 m，高1.86 m，轴距3.26 m，整备质量2.17 t，采用前置四驱形式动力总成。由于皮卡车型只对前排进行测试，本文将该皮卡车型乘员舱前排主驾侧生存空间与紧凑型SUV、中大型SUV、MPV车型进行了对比，结果如表2所示。正面空间数据，是将座椅、方向盘等调整至C-NCAP要求位置，放置50百分位HybridIII假人后的空间测量数据。侧面空间数据，是放置50百分位WorldSID假人后的测量数据。主驾侧空间数据，具有较好的代表性。HybridIII假人与WorldSID假人分别是FRB工况与柱碰工况中主驾位置假人，能分别较好的反应C-NCAP正面与侧面碰撞工况中，假人生存空间的综合情况。

表2 初始生存空间尺寸对比 单位：mm

正面空间方面，假人头部、胸部空间略大于中大型SUV、MPV，膝盖处空间与紧凑型SUV相当，该皮卡正面空间整体相对较为充足。侧面空间方面，该皮卡与所列的MPV车型情况较为接近，大于紧凑型SUV。

综合而言，该皮卡前排假人生存空间较为充足，与大尺寸乘用车水平相当，可以为约束系统匹配提供良好的基础条件。

2.2 皮卡结构碰撞性能输入指标研究

将该皮卡的结构指标与C-NCAP五星乘用车进行了对比，如表3所示。正面工况，对比了B柱下向加速度峰值及乘员载荷准则（Occupant Load Criterion, OLC）、前围侵入量、加速踏板安装点侵入量。侧面工况，对比了柱碰与侧碰工况下的前车门内板侵入量、侵入速度。Farside工况，对比了柱碰远端向加速度峰值、OLC。

对比表3数据可知，对于正面工况的加速度指标，乘用车之间差异较大，该皮卡没有表现出明显的不足。但该皮卡的FRB前围及踏板安装点入侵量明显较所列的乘用车偏大。结合整车碰撞仿真结果，这是由于该皮卡发动机体积较大且纵向布置，占用了机舱较大的正面吸能空间，碰撞过程中动力总成挤压前围板与转向机构，造成结构入侵较大。

表3 结构指标对比

柱碰入侵量相对较高，远端侧向加速度峰值与乘用车相当。这表明该皮卡抵挡刚性柱入侵时，侧面结构刚度相对不足。相对参考乘用车，该皮卡由于B柱及门槛区域结构件厚度偏小，变形较大。采用了非承载式车身设计，但承载大梁较早弯折变形，未能有效降低柱碰中车身变形。在SC-MDB侧碰中皮卡底盘相对较高，门槛结构能有效吸收部分碰撞能量，车门及B柱变形能够满足预期要求。

总体而言，皮卡车型乘员舱空间与大尺寸乘用车相当，正面、侧面碰撞中车体加速度指标也基本达到开发目标要求。但乘员舱入侵变形较大，可能会导致假人相关部位出现较大伤害。

3 约束系统开发设计

3.1 约束系统仿真分析

基于DYNA有限元分析方法，搭建约束系统仿真模型，进行C-NCAP 2024下各工况分析。约束系统配置方面，采用了双预紧限力式安全带，配备驾驶员气囊（Driver Air Bag, DAB）、乘员气囊（Passenger Air Bag, PAB）、侧气囊（Side Air Bag, SAB）、帘式气囊（Curtain Air Bag, CAB）及远端保护气囊（Farside Air Bag, FAB）。各工况下，进行了安全带限力等级、气囊气孔、气囊拉带长度等约束系统基础参数的匹配分析，得到假人各部位得分结果。

FRB工况下，假人各部位得分如表4所示，主驾胸部及小腿区域得分不足。小腿区域TI值较大，结合仿真动画，这是由于踏板入侵造成小腿弯矩M过大造成的。胸部区域肋骨压缩量比目标值略大。

表4 FRB工况得分

MPDB工况得分高于FRB，满足五星开发目标要求，如表5所示。SC-MDB工况，得分同样较好，假人各部位没有出现扣分。

表5 MPDB工况得分

柱碰工况，胸部压缩量得分1.5分，但由于肩部力超过极限值3 kN，导致胸部综合得分为0，如表6所示。腹部压缩量超过高性能限制，出现0.42罚分。假人撞击侧胳膊抬起不足，横向挤压肩部传感器。SAB包型对腹部覆盖区域不足，造成门内饰直接挤压腹部。

表6 SPB工况得分

FARSIDE工况评价，需结合柱碰脉冲，对八个滑台工况进行分析，通过假人头部偏移量和各部位伤害值综合评价计算单个滑台得分，取所有滑台得分平均值作为最终得分。仿真结果如表7所示，假人伤害值未出现超标问题，但头部偏移量出现罚分。FARSIDE得分7分，低于目标7.6分。

表7 Farside工况得分

对约束系统主要问题点进行总结，如下所述：

1）由于踏板入侵FRB主驾小腿伤害较大；

2）FRB主驾胸部伤害偏大；

3）柱碰肩部、腹部伤害较大；

4）FASIDE下，FAB气囊无法有效支撑假人头部。

基于上述问题，对油门踏板、座椅及气囊等约束系统零部件进行了优化设计。

3.2 油门踏板优化设计

采用可断裂式踏板结构进行优化分析，小腿部受踏板作用造成的弯矩值降低，如图1所示，腿部得分改善。

图1 小腿弯矩My优化

3.3 前排座椅结构优化设计

乘用车前排座椅的防下潜结构设计较为成熟，可以对假人骨盆的前向滑动起到有效限制作用。当前皮卡的座椅防下潜结构较弱，假人相对座椅的前向位移较大，不利于胸部保护，也增加了下潜风险，优化方案中增加防下潜结构，如图2所示部件。

图2 座椅优化示意图

增加防下潜梁结构后，FRB工况中假人前移量减小，胸部压缩量改善约2 mm，如图3(a)所示。MPDB工况中假人髂骨力变化速率峰值减小，下潜风险降低，如图3(b)所示。

图3 座椅优化前后伤害曲线对比

3.4 SAB气囊优化设计

对SAB包型进行优化，适当缩小气囊肩部区域，增加气囊底部对假人腹部覆盖范围，如图4所示。

图4 SAB包型优化设计

优化后SAB展开时会上顶假人胳膊，胳膊抬起更高，肩部力改善，腹部压缩量降低，如图5所示。

图5 SAB优化前后伤害曲线对比

3.5 FAB气囊优化设计

初始单腔FAB气囊对头部支撑作用不足，头部偏移等级较大。优化方案中，采用双腔FAB包型，FARSIDE头部偏移量改善明显，如图6所示，得分满足了目标要求。

图6 FAB优化前后同时刻头部位移对比

4 结论

本文基于2024版C-NCAP规程，对某中型燃油皮卡的乘员保护性能进行了研究，主要结论如下：

1）相对于乘用车，皮卡车型乘员舱空间较为充足，可以为乘员保护开发提供良好的基础条件。但正面、侧面乘员舱入侵变形均较大。车身结构碰撞性能优化将是皮卡车型碰撞性能开发的重点问题。

2）采用断裂式踏板，可以改善由于结构入侵造成的小腿伤害过大问题。

3）座椅设计中，需要关注是否具备有效的防下潜结构，防止假人前向滑动过度。

4）SAB气囊包型设计中，需关注假人运动姿态、气囊对假人各部位的覆盖区域是否合理。

5）FAB气囊包型设计中，需要重点关注是否对假人头部起到侧向支撑作用。

本文研究内容可为皮卡车型乘员保护性能开发提供参考。

[1] 舒余安.皮卡汽车驾驶室的人机工程学研究[D].南 昌:南昌大学,2005.

[2] 王魏.混合动力皮卡车辆动力总成域实时控制关键技术研究[D].保定:河北农业大学,2021.

[3] 常浩.基于有限元仿真优化的某皮卡车型正碰安全性开发[D].北京:清华大学,2018.

[4] 张成,黄勤.某乘用型皮卡排气系统性能试验与仿真分析[J].南方农机,2023,54(2):137-140.

[5] 沈志伟.皮卡正面碰撞时车身主要吸能部件抗撞性的研究分析[D].长春:吉林大学,2007.

[6] 黄毅,钟根丁,熊德明,等.某商用皮卡NVH性能试验[J].汽车实用技术, 2022,47(16):96-99.

[7] 田国红,齐登科,孙立国.某皮卡正面碰撞模拟仿真研究[J].汽车实用技术,2016,41(1):114-116.

[8] 广云鹏.某皮卡车架轻量化分析与碰撞性能验证[D].邯郸:河北工程大学,2016.

[9] 中国汽车技术研究中心有限公司.C-NCAP 管理规则( 2024版草案)[S].天津:中国汽车技术研究中心有限公司,2023.

Analysis of the Occupant Protection Performance for a Pickup Truck

LIU Xiaodong, CHEN Kai, WANG Hanfeng, LI Guo, HU Botao

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

Under the 2024 version of the China new car assessment programme (C-NCAP), the occupant protection performance of a pickup truck is studied with the aim of improving the passive safety performance of the pickup truck.The occupant protection evaluation content of the C-NCAP for pickup truck model is analyzed, the passenger compartment space and body structure collision indicators of the pickup truck are compared with a variety of passenger cars, the performance of the restraint system under each collision condition of C-NCAP is simulated and analyzed, and the important problems of occupant protection are optimized combined with dummy injury. The research shows that the front and side space of the pickup truck occupants are sufficient, but the intrusion of the front working conditions is large, and the protection performance of the pickup truck occupants can be effectively improved through reasonable accelerator pedal, seat and airbag design.

Pickup truck; Occupant protection; Constraint system; C-NCAP

U463

A

1671-7988(2023)21-71-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.015

刘晓东（1988－），男，硕士，高级工程师，研究方向为汽车被动安全领域，E-mail:liuxiaodong@catarc.ac.cn。