正面全寬碰撞試驗(yàn)中假人胸部傷害研究

商恩義

（上海東方久樂(lè)汽車(chē)安全氣囊有限公司 上海，201201）

在實(shí)車(chē)正面全寬碰撞試驗(yàn)中，假人胸部加速度和胸部壓縮變形量均是評(píng)價(jià)假人傷害的重要指標(biāo)，如C-NCAP中指定胸部壓縮變形量（胸部壓縮變形量）的指標(biāo)范圍為22mm～50mm，胸部3ms合成加速度值的指標(biāo)范圍為 38 g～60 g［1］，因此，在研發(fā)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注對(duì)胸部的保護(hù)。

在碰撞過(guò)程中，假人胸部通常要受到安全帶、安全氣囊的作用。對(duì)于駕駛員側(cè)假人，通常還會(huì)受到方向盤(pán)等的沖擊。另外，假人的坐姿通常要受到坐墊深度和坐墊剛度的影響，而安全帶的作用效果與假人坐姿又密切相關(guān)，因此，碰撞中假人胸部所受傷害將與安全帶、安全氣囊的作用效果、方向盤(pán)的狀態(tài)、座椅的剛度等存在著必然的聯(lián)系。

1 碰撞試驗(yàn)中假人肩帶力、胸部加速度與胸部壓縮變形量之間的關(guān)系

在正面全寬碰撞結(jié)果的分析中，通常要用到假人的肩帶力、胸部加速度和胸部壓縮變形量之間的關(guān)系［2］。

用D和ax分別表示假人胸部壓縮變形量 （胸部壓縮變形量單位：mm）和x向加速度，用Fx和Fd分別表示胸部所受到的產(chǎn)生胸部加速度的合力和產(chǎn)生胸部壓縮變形量的力，用Fu表示安全帶作用于胸部X向合力（等于肩帶力測(cè)量值）的反力，胸部質(zhì)量取胸部塊質(zhì)量17.19 kg和頸部塊質(zhì)量1.54 kg之和，即 18.73 kg［3］，此時(shí)有

碰撞過(guò)程中，在假人姿態(tài)正常的情況下，如果假人胸部?jī)H僅受到安全帶的作用或安全氣囊作用較小，則通常有

在大量的碰撞試驗(yàn)中，事實(shí)上，F(xiàn)u、Fx和Fd間通常大部分時(shí)間段內(nèi)不是近似相等的，而恰恰可根據(jù)Fu、Fx和Fd間的差異對(duì)約束系統(tǒng)的作用效果進(jìn)行分析。

2 方向盤(pán)沖擊對(duì)假人胸部傷害的影響

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)能量吸收式方向管柱而言，吸能緩沖效果最佳角度一般為 21°～ 23°［4］。但從對(duì)乘員胸部損傷的角度出發(fā)，對(duì)方向管柱的安裝角度還沒(méi)有明確說(shuō)法。事實(shí)上，方向管柱安裝角度的差異，在碰撞中對(duì)假人胸部傷害是有明顯不同的。

在正面碰撞過(guò)程中，設(shè)假人胸部與方向盤(pán)間的碰撞力為F，碰撞力F沿轉(zhuǎn)向柱軸向的分力為F1，使轉(zhuǎn)向柱向上彎曲的分力F2，方向管柱的安裝角度為θ，則有

公式（5）表明，當(dāng)碰撞力F不變而θ變大時(shí)，使轉(zhuǎn)向柱向上彎曲的分力F2卻將大幅度上升，方向盤(pán)碰撞中變形的趨勢(shì)將減弱，胸部所受沖擊將加強(qiáng)。另外，方向管柱安裝角度的不同，使方向盤(pán)緣與假人胸部的相對(duì)位置發(fā)生變化，此變化將對(duì)假人胸部的傷害產(chǎn)生較大影響。

2.1 通常角度下的方向盤(pán)沖擊的影響

某款車(chē)A，方向管柱的安裝角度為23°，則方向盤(pán)為67°，在開(kāi)發(fā)安全氣囊的某次臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中，駕駛員側(cè)安全氣囊對(duì)胸部保護(hù)效果較弱。試驗(yàn)后駕駛員側(cè)假人的Fu、Fx和Fd曲線間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 中，在約45 ms～80 ms之間，在絕對(duì)值上，F(xiàn)d＞Fx＞Fu，即產(chǎn)生胸部壓縮變形量的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)生胸部加速度的力，且均大于安全帶對(duì)胸部X向的作用合力。分析原因：安全帶為限力式安全帶，當(dāng)安全帶限力后，假人胸部在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與方向盤(pán)下盤(pán)緣發(fā)生了較強(qiáng)的碰撞 （方向盤(pán)下盤(pán)緣發(fā)生嚴(yán)重變形），導(dǎo)致在絕對(duì)值上Fd和Fx明顯大于Fu。對(duì)于Fd和Fx幅值間的差異，僅僅憑借圖1無(wú)法解釋。為了確認(rèn)假人胸部與方向盤(pán)下盤(pán)緣的碰撞對(duì)假人胸部損傷的影響，將假人除去左臂和上皮膚，擺回到座椅上，并除去展開(kāi)后的駕駛員側(cè)氣囊模塊，以確認(rèn)假人胸部與方向盤(pán)的位置關(guān)系（見(jiàn)圖2）。

圖2 中，方向盤(pán)的下盤(pán)緣基本對(duì)應(yīng)在假人胸部肋骨架的下沿，是肋骨架剛度較弱位置，易變形。胸部加速度傳感器在自上向下數(shù)第二和第三根肋骨條之間，位置相對(duì)靠上。在碰撞過(guò)程中，伴隨方向盤(pán)下盤(pán)緣的變形，其作用點(diǎn)將向下移動(dòng)，離胸部加速度的位置有偏遠(yuǎn)的趨勢(shì)，最終形成在絕對(duì)值上Fd＞Fx＞Fu。

2.2 角度偏小的方向盤(pán)沖擊的影響

某款車(chē)B，其方向管柱的角度較大，為29°，則方向盤(pán)的角度為61°，在某次臺(tái)車(chē)試驗(yàn)后，將駕駛員側(cè)假人的Fu、Fx和Fd曲線繪于圖3中。

圖 3 中，在約 45～85 ms之間，在絕對(duì)值上，F(xiàn)x＞Fd＞Fu，F(xiàn)d和 Fx明顯大于 Fu，表明由于安全帶為限力式，在碰撞過(guò)程中沒(méi)有完全將假人約束住，假人胸部撞到了方向盤(pán)。對(duì)于Fd和Fx幅值間的關(guān)系，則因方向盤(pán)的角度相對(duì)通常情況而言偏小，方向盤(pán)盤(pán)緣與假人胸部肋骨支架的位置關(guān)系相對(duì)靠上，導(dǎo)致沖擊胸部時(shí)位移傳感器的敏感度偏弱，最終表現(xiàn)為Fx＞Fd。另外，方向盤(pán)與胸部碰撞過(guò)程中相對(duì)肋骨條有滑動(dòng)，導(dǎo)致有力的跳變，使胸部加速度出現(xiàn)鋸齒。

3 座椅前端剛度對(duì)假人胸部傷害的影響

汽車(chē)座椅是影響汽車(chē)安全的重要部件，應(yīng)具有一定的安全性，即能在事故發(fā)生時(shí)，與安全帶和安全氣囊一起對(duì)乘員定位的同時(shí)緩解碰撞的強(qiáng)度，使乘員的損傷指標(biāo)達(dá)到最?。?］。倘若座椅的安全性不足，在碰撞中將會(huì)對(duì)乘員造成重大損傷：如座椅前端剛度不足，碰撞中發(fā)生乘員下沉現(xiàn)象，或者座椅的坐墊有效深度、傾角設(shè)計(jì)不合理等，都可能在碰撞中增大乘員胸部的受傷程度。

3.1 坐墊深度過(guò)大、前端剛度過(guò)強(qiáng)的影響

在進(jìn)行某款車(chē)C 64 km/h的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中 （不帶安全氣囊），在某次試驗(yàn)后，將乘員側(cè)假人的Fu、Fx和Fd曲線繪于圖4中。

圖 4 中，在約 75～95 ms之間，在絕對(duì)值上，F(xiàn)x＞Fd≈Fu。由于此次試驗(yàn)中沒(méi)有安全氣囊，而且假人胸部壓縮變形量的產(chǎn)生只受前方作用力影響，且此時(shí)胸部前方只有安全帶肩帶的作用，所以Fd≈Fu比較合理，但Fx明顯大于Fd和Fu，無(wú)法解釋。

將骨盆X向加速度和胸部X向加速度調(diào)入圖5。圖5中，兩條曲線變化趨勢(shì)比較一致，表明在假人前行約90ms前，骨盆受到了較大阻力，并且將該阻力傳遞到了假人胸部；在約90 ms時(shí)，該阻力突然消失。

分析假人座椅影響，其座椅結(jié)構(gòu)如圖6所示。將假人骨盆相對(duì)車(chē)體X向的相對(duì)加速度進(jìn)行二次積分，將積分所得的位移作橫坐標(biāo)，將骨盆X向加速度作縱坐標(biāo)，繪出骨盆X向加速度曲線與其相對(duì)位移間的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖6 表明，座椅底部為盆式結(jié)構(gòu)，且前端有剛度較大在碰撞中沒(méi)有發(fā)生變形的加強(qiáng)橫梁。圖7中，骨盆最大的前行位移約為230 mm，在200 mm前一直受到阻力沖擊。借助高速攝像分析，假人骨盆最堅(jiān)固點(diǎn)到加強(qiáng)橫梁的距離的確約為200 mm，也就是說(shuō)，在約75ms到95 ms之間，假人骨盆和胸部X向加速度第一個(gè)峰的確是由骨盆的結(jié)構(gòu)造成的，所以在絕對(duì)值上有 Fx＞Fd≈Fu。

在約 100 ms 之后，有 Fx≈Fu，F(xiàn)d＞Fu。 Fx≈Fu可以理解，而Fd＞Fu則需要分析。

從圖5可以看出，在約95ms之前，假人胸部減速略慢于骨盆減速，將導(dǎo)致假人上身略前傾，當(dāng)阻力突然減弱后，假人姿態(tài)受到?jīng)_擊，安全帶肩帶的作用點(diǎn)和作用力角度改變，該改變使安全帶的作用效果更強(qiáng)，則反映安全帶肩帶力和位移間關(guān)系的d1將變得更小，所以當(dāng)用偏大的d1分析數(shù)據(jù)的后半段時(shí)，則形成了Fd＞Fu，此式反映出了當(dāng)坐墊深度偏大、前端剛度偏強(qiáng)時(shí)，在碰撞中可能會(huì)導(dǎo)致假人姿態(tài)改變進(jìn)而改變胸部與安全帶肩帶的配合關(guān)系，增大安全帶對(duì)胸部變形量的作用影響。

3.2 坐墊前端剛度較弱的影響

在完全正面碰撞過(guò)程中，當(dāng)乘員的臀部相對(duì)車(chē)體運(yùn)動(dòng)到座椅的前沿時(shí)，一旦座椅坐墊前端骨架剛度不高，乘員的臀部將會(huì)突然產(chǎn)生下沉現(xiàn)象，此現(xiàn)象的發(fā)生將對(duì)乘員胸部的傷害產(chǎn)生較大影響［5］。

為了研究乘員下沉現(xiàn)象對(duì)乘員胸部傷害的影響，對(duì)試驗(yàn)D和E兩次試驗(yàn)中胸部的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)D和E中，試驗(yàn)D中的坐墊前端剛度偏弱，試驗(yàn)E中進(jìn)行了加固，其余所有的約束系統(tǒng)配置和試驗(yàn)條件完全相同。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 和圖9中，在約50ms到70 ms之間，試驗(yàn)D的負(fù)向加速度幅值和胸部壓縮變形量均偏大。分析原因：在碰撞發(fā)生后，假人有在前行中，上身向前撲的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。當(dāng)假人骨盆前行至約50ms時(shí)，由于試驗(yàn)D中的坐墊骨架較弱，假人出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象。與試驗(yàn)E相比，下沉現(xiàn)象的發(fā)生使試驗(yàn)D中假人整體前行較快，前撲趨勢(shì)突然減弱，身體趨于直立，當(dāng)與安全氣囊接觸時(shí)，整個(gè)胸部有正撲趨勢(shì)。因此，試驗(yàn)D中假人胸部與安全氣囊接觸后，胸部加速度的負(fù)向幅值和胸部壓縮變形量均偏大。

4 結(jié)論

通過(guò)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：方向盤(pán)的水平角度偏小容易造成胸部加速度偏大；方向盤(pán)水平角度偏大在無(wú)安全氣囊或氣囊作用偏弱的情況下容易造成胸部壓縮變形量偏大；坐墊的深度大和前端剛度強(qiáng)容易增大假人胸部傷害，以及坐墊前端剛度較弱導(dǎo)致假人碰撞中下沉可造成胸部傷害指標(biāo)提高。

［1］中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程［S］.

［2］商恩義，張君媛,楊斌,張慧云.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用［J］.汽車(chē)技術(shù).2010（10）:18-21.

［3］50th Percentilemale hybrid Ⅲ test dummy,Society of automotive engineers dummy testing equipment subcommittee［D］.SAE Engineering aid 23，1998.

［4］鐘志華,張維剛,曹立波,何文.汽車(chē)碰撞安全技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:151-153.

［5］商恩義,周靖,陳曉東,吳淼.正面碰撞事故中乘員下沉對(duì)乘員傷害的影響的研究［J］.汽車(chē)科技.2011（2）:25-28.