郭慶祥，李 新，張 斌，董傳林，彭昌坤，郭九大

(北京汽車股份有限公司研究院，北京 101300)

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2015194

低速碰撞的安全氣囊點火時刻分析方法的研究

郭慶祥，李 新，張 斌，董傳林，彭昌坤，郭九大

(北京汽車股份有限公司研究院，北京 101300)

整車安全性能應(yīng)同時滿足NCAP體系的要求和中低速碰撞的乘員保護(hù)要求。本文中從車體碰撞強(qiáng)度和乘員傷害的角度出發(fā)，利用MADYMO軟件優(yōu)化氣囊點火時刻，為氣囊標(biāo)定提供參考；同時總結(jié)了低速碰撞的乘員傷害評價限值，使乘員在不同的碰撞工況下都能得到最佳保護(hù)。

安全氣囊；低速碰撞；仿真；乘員傷害；點火時刻

前言

車輛在進(jìn)行氣囊點火時刻標(biāo)定時，須要完成大量的低速碰撞試驗，耗費大量的人力和財力[1]。目前采用的點火算法大多采用速度變化量法、加速度峰值法或功率變化率法等，這幾種方法主要考慮車體的碰撞強(qiáng)度，忽略了低速碰撞時乘員保護(hù)的影響，可能造成低速碰撞時氣囊早點火、晚點火、誤點火等情況，進(jìn)而導(dǎo)致氣囊在點爆狀態(tài)下比不點爆時對乘員的傷害更大，甚至低速碰撞的傷害值比高速碰撞傷害值更高。

1 點火時刻分析方法

1.1 點火時刻算法

(1) 速度變化量法

通過對加速度信號進(jìn)行積分運(yùn)算得到碰撞過程中的速度變化量，當(dāng)速度變化量大于預(yù)先設(shè)定的閾值時就發(fā)出點火指令。

(2) 加速度峰值法[2]

通過測量汽車上的加速度信號，當(dāng)加速度達(dá)到預(yù)定的閾值時就點爆氣囊。由于加速度信號變化較快，而且與汽車結(jié)構(gòu)的振動有關(guān)，容易受到干擾。

(3) 功率變化率法(文獻(xiàn)[2]中稱比功率法)

對碰撞中的動能求導(dǎo)得到功率，再求導(dǎo)得到功率變化率。

(4) 127mm—30ms準(zhǔn)則

在車體碰撞過程中，當(dāng)駕駛員氣囊完全充滿氣體時，駕駛員面部正好與氣囊接觸，同時駕駛員頭部前移動127mm時刻的前30ms為氣囊的最佳點火時刻。其依據(jù)是大多數(shù)轎車駕駛員頭部到轉(zhuǎn)向盤上輪緣的距離約為17英寸(431.8mm)，氣囊充滿氣的厚度約為12英寸(304.8mm)，氣囊從點火到充滿的時間約為30ms,因此，確定乘員前移5英寸(127mm)這一時刻的前30ms為最佳點火時刻。

目前大多數(shù)主流車型的頭部(指駕駛員頭部，下同)到轉(zhuǎn)向盤上輪緣的距離在390～480mm范圍內(nèi)，氣囊厚度為270～335mm，氣囊完全充滿時間為30～35ms，基本符合以上準(zhǔn)則。

頭部相對車體的位移為

ΔD=Dh-Dv=∫(v0-∫a0dt)dt-∫(v0-

∫avdt)dt=∫∫(av-a0)dtdt

(1)

式中：Dh為駕駛員頭部相對地面的位移；Dv為車輛相對地面的位移；av為車體碰撞加速度；a0為乘員頭部X向加速度；v0為車體碰撞初速度。

碰撞發(fā)生時，由于慣性，頭部運(yùn)動滯后于車體的運(yùn)動，在氣囊充滿時刻前，可近似認(rèn)為頭部相對車體的位移量為0，故可根據(jù)車體碰撞波形計算出最佳點火時刻。

1.2 分析方法

依據(jù)內(nèi)飾造型和乘員艙的布置建立MADYMO仿真模型，根據(jù)實車試驗的假人傷害曲線對仿真模型進(jìn)行驗證，并對約束系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在約束系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)下，根據(jù)車體碰撞波形確定最佳點火時刻，以此為基準(zhǔn)，調(diào)整不同工況下的氣囊點火時刻，根據(jù)傷害值來綜合匹配目標(biāo)點火時刻，其流程見圖1。

1.3 氣囊標(biāo)定試驗工況

12～15km/h FRB(100%剛性碰撞)

15～16km/h AZT(剛性偏置碰撞)

23～25km/h FRB(100%剛性碰撞)

32～35km/h FAB(30°角度碰撞)

32～35km/h FPB(中心柱碰撞)

40km/h ODB(可變形壁障偏置碰撞)

40km/h FSB(鉆入碰撞)

50km/h FRB(100%剛性碰撞)

56km/h ODB(可變形壁障偏置碰撞)

64km/h ODB(可變形壁障偏置碰撞)

2 基于某車型低速點火時刻分析

2.1 基礎(chǔ)仿真模型

根據(jù)駕駛艙布置的幾何參數(shù)，利用MADYMO軟件定義A柱、擱腳板、加速踏板、座椅、轉(zhuǎn)向盤、儀表板和轉(zhuǎn)向管柱等多剛體的位置[3]。

ODB工況中提取左、右B柱和后備箱傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲取加速度；其余工況提取左B柱X向加速度。

對氣囊進(jìn)行標(biāo)定試驗前，一般會進(jìn)行高速碰撞結(jié)構(gòu)摸底試驗，故可根據(jù)50km/h FRB和56km/h ODB實車試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行擬合驗證，驗證曲線如圖2和圖3所示。

2.2 基于車體碰撞波形確定最佳點火時刻

某車型50km/h FRB試驗結(jié)果見圖4，因頭部運(yùn)動延遲，在60ms前頭部絕對位移可近似為0，故頭部相對車體的位移量近似為車體加速度的兩次積分；從圖中找出頭部相對車體運(yùn)動127mm的時刻，在此時刻上提前30ms即為最佳點火時刻。

對于本車型，通過對氣囊標(biāo)定基礎(chǔ)試驗中獲取B柱下端傳感器的X向加速度并進(jìn)行積分，獲得各個工況下的最佳點火時刻如表1所示。

表1 各工況氣囊點火時刻分析 ms

2.3 氣囊目標(biāo)點火時刻確定

通過分析氣囊點爆速度閾值，以最佳點火時刻為基準(zhǔn)，在-10～+10ms的范圍內(nèi)以步長2～3ms對點火時刻進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低不同工況下的胸部傷害值[4]，同時保證氣囊不被頭部砸穿，最終通過傷害值的大小確定目標(biāo)點火時刻。

根據(jù)大量的碰撞事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，配置安全帶和氣囊時，國內(nèi)外一般規(guī)定:車速在20km/h以下發(fā)生正面碰撞時，氣囊不點爆；車速大于30km/h發(fā)生正面碰撞時,氣囊必須引爆。20～30km/h屬于點火模糊區(qū)，因此，須分析23km/h速度時氣囊不點爆時的傷害值情況。仿真結(jié)果見圖5。由圖可見，氣囊不點爆時，頭部撞到轉(zhuǎn)向盤上，風(fēng)險較大，因此，碰撞速度為23km/h時氣囊必須點爆。

根據(jù)表1，利用模型計算獲得仿真結(jié)果，如圖6和圖7所示。

中低速碰撞中，胸部壓縮量隨點火時刻的提前而減小，頭部沒有砸到轉(zhuǎn)向盤的現(xiàn)象；

50km/h FRB工況下，點火時刻提前容易導(dǎo)致頭部撞到轉(zhuǎn)向盤上，氣囊保護(hù)效果降低；點火時刻延遲，氣囊沖擊作用導(dǎo)致胸部傷害增加；

64km/h ODB工況下氣囊點火時刻提前，胸部容易砸透氣囊撞到轉(zhuǎn)向盤上導(dǎo)致胸壓增大；點火時刻延遲，氣囊對胸部的沖擊作用增大導(dǎo)致胸部壓縮量增大；

若該車型的低速胸部壓縮量要求小于22mm，那么考慮到仿真與試驗值的差異，則認(rèn)為仿真中23km/h FRB工況下的胸部壓縮量要求為24.8mm，而40km/h ODB工況下胸部壓縮量要求為21.7mm；

高速碰撞點火時刻根據(jù)假人胸部壓縮量和頭部與氣囊的接觸情況來確定。

綜上分析，可確定該車目標(biāo)點火時刻，見表2。

表2 低速碰撞目標(biāo)點火時刻

2.4 目標(biāo)點火時刻驗證

表3為不同工況下氣囊在目標(biāo)點火時刻起爆獲得的仿真結(jié)果，因胸部壓縮量的仿真結(jié)果比試驗值大13%，故在目標(biāo)點火時刻起爆時，低中速碰撞的傷害都低于NCAP高性能值，乘員能得到最佳保護(hù)；對高速碰撞，除胸部壓縮量外其余傷害都滿足NCAP低性能值要求，且胸部壓縮量接近低性能值，說明氣囊在目標(biāo)點火時刻起爆對不同工況下的乘員都能起到最佳保護(hù)效果。

從表3看出，對于中低速碰撞，點火時刻越早，胸部壓縮量越小，點火時刻早于最佳點火時刻時，乘員能得到最佳保護(hù)；對高速碰撞，點火時刻提前，容易導(dǎo)致頭部或胸部砸穿氣囊，撞到轉(zhuǎn)向盤，保護(hù)效果降低；而點火時刻延遲，氣囊的沖擊作用導(dǎo)致胸部傷害增加，為保證乘員受到最佳保護(hù)，避免氣囊的沖擊傷害，要求實際點火時刻為最佳點火時刻或略早于最佳點火時刻，不允許晚于最佳點火時刻。

3 基于點火時刻的傷害評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)提出的低速目標(biāo)點火時刻優(yōu)化方法，對多款車進(jìn)行點火時刻匹配優(yōu)化，并對優(yōu)化后的假人傷害進(jìn)行統(tǒng)計，總結(jié)出低速碰撞的傷害值的限制要求，結(jié)果見表4。其統(tǒng)計的車型中包括微型車、SUV、小型車和中型車。

表4 低速碰撞的乘員傷害的限值要求

4 結(jié)論

提出了一種低速碰撞點火時刻分析方法，可有效提高仿真分析的效率，同時結(jié)合仿真分析結(jié)果可以確定目標(biāo)點火時刻，不僅對氣囊標(biāo)定試驗具有重要的參考意義，又可降低氣囊標(biāo)定試驗次數(shù)，縮短周期，降低研發(fā)成本。

統(tǒng)計不同車型的氣囊標(biāo)定假人傷害結(jié)果，確定了中低速碰撞中假人傷害限值要求。

[1] 鄭祖丹,俞晶鑫.乘用車安全氣囊匹配中的誤作用試驗研究[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化,2011,10:37-41.

[2] 殷文強(qiáng),王玉龍,徐盼盼,等.汽車安全氣囊點火算法綜述[J].汽車工程學(xué)報,2013,3(2):79-87.

[3] 萬薇薇.汽車乘員約束系統(tǒng)仿真分析快速評價程序開發(fā)與應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[4] 中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則(2012)[S].2012.

A Study on the Ignition Timing Analysis Methodof Safety Airbag in Low-speed Impact

Guo Qingxiang, Lin Xin, Zhang Bin, Dong Chuanlin, Peng Changkun & Guo Jiuda

R&DCenter,BAICMotorCorporationLtd.,Beijing101300

The vehicle safety performance should meet both the NCAP system requirements and the occupant protection requirements in medium and low speed impacts. In this paper, starting from the angles of vehicle body crashworthiness and occupant injury, the ignition timing of airbag is optimized by using software MADYMO, providing references for airbag calibration. In addition, the limits of occupant injury evaluation in low-speed impacts are summarized, assuring the best occupant protection in different crash conditions.

safety airbag; low-speed impact; simulation; occupant injury; ignition timing

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月10日。