商恩義 鞠春賢 蔣斌慶 王剛
(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心)
《歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程(Euro-NCAP)》(2013版)中規(guī)定了側(cè)面撞柱試驗(yàn),并給出了相關(guān)試驗(yàn)要求。但2013年Euro-NCAP官網(wǎng)發(fā)布的22款車型試驗(yàn)結(jié)果中,側(cè)面撞柱試驗(yàn)的胸部評(píng)價(jià)無(wú)一滿分[1],其中肋骨變形量是主要失分點(diǎn)。目前,我國(guó)沒(méi)有相關(guān)法規(guī)規(guī)定側(cè)面撞柱試驗(yàn),《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)》(2012版)和GB 20071中也只規(guī)定了側(cè)面碰撞試驗(yàn)。
對(duì)同一款車而言,側(cè)面碰撞中整個(gè)碰撞側(cè)車門變形侵入,而側(cè)面撞柱只是與柱狀壁障接觸,其兩側(cè)部分變形侵入,因而側(cè)面撞柱試驗(yàn)中假人傷害更嚴(yán)重[2~4]。因此,在側(cè)面安全氣囊(SAB)開發(fā)時(shí),在保證側(cè)面碰撞安全性的基礎(chǔ)上必須再進(jìn)行深度優(yōu)化,以提高側(cè)面撞柱試驗(yàn)中的評(píng)分。目前SAB的開發(fā)方法主要是仿真試驗(yàn)和側(cè)面臺(tái)車模擬試驗(yàn),但仿真結(jié)果難以體現(xiàn)約束系統(tǒng)的細(xì)小改變,可信度較低,而側(cè)面臺(tái)車模擬試驗(yàn)結(jié)果又與實(shí)際情況偏離較多。因此,當(dāng)需要通過(guò)微調(diào)SAB來(lái)提高其在側(cè)面撞柱試驗(yàn)中的保護(hù)效果時(shí),很難再依賴仿真或臺(tái)車試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。在這種情況下,可通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程中假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析確認(rèn)各約束系統(tǒng)的細(xì)微影響,為此,本文基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)某車型側(cè)面安全氣囊的優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。
Euro-NCAP中規(guī)定側(cè)面撞柱試驗(yàn)時(shí),在駕駛員側(cè)放置ES-2假人,試驗(yàn)車輛以29 km/h速度與直徑為254 mm的剛性柱進(jìn)行呈90°角側(cè)面碰撞,評(píng)價(jià)部位包括假人頭部、胸部、腹部和骨盆[5,6]等。
為收集前排假人各部位在碰撞過(guò)程中的受力、變形等信息,需要在假人身上布置大量傳感器,假人結(jié)構(gòu)及主要傳感器位置如圖1所示[7],定義假人坐標(biāo)系左、右為y向,向右為正[8]。
圖1中,肋骨變形傳感器與肋骨加速度傳感器共同反映肋骨受力情況;背板傳感器處于假人后背位置,外側(cè)罩有尼龍護(hù)板,背板力Fy反映假人上半身與座椅間的左、右相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系;T12傳感器位于胸部與腹部之間,T12-Fy反映假人上半身與下半身的左、右相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系;腹部力是通過(guò)假人側(cè)面的3個(gè)條形力傳感器測(cè)量,取3個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果之和對(duì)腹部力進(jìn)行評(píng)價(jià)。
某車型SAB開發(fā)后,按照《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)》(2012版)的要求進(jìn)行了側(cè)面碰撞試驗(yàn),并按照E-NCAP的要求進(jìn)行了側(cè)面撞柱試驗(yàn)。兩試驗(yàn)結(jié)果中,假人頭部和髖部試驗(yàn)結(jié)果均較好,胸部和腹部試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。
表1 側(cè)面碰撞試驗(yàn)與側(cè)面撞柱試驗(yàn)中假人胸部和腹部試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
由表1可知,側(cè)面碰撞試驗(yàn)中各部位評(píng)分均為滿分,且各測(cè)量值均低于高性能限值的50%。而側(cè)面撞柱試驗(yàn)結(jié)果較差,雖然腹部評(píng)分為滿分,但胸部只有0.63分,因此SAB需要進(jìn)一步優(yōu)化。
側(cè)面撞柱試驗(yàn)中假人胸部失分主要原因是肋骨變形量偏大,其中上肋骨變形量最大。假人上、中、下3根肋骨變形量曲線如圖2所示。
由圖2可看出,在碰撞50 ms時(shí),3根肋骨的變形量均為25 mm左右,并且前50 ms內(nèi)3條曲線具有同步性,表明SAB對(duì)3根肋骨的保護(hù)效果一致,但肋骨變形量超過(guò)了高性能限值(22 mm),表明SAB的保護(hù)效果并不理想。在碰撞約50 ms后,下肋骨的變形緩解,但上肋骨和中肋骨先后有突變上升趨勢(shì),其中上肋骨突變最明顯,最大變形達(dá)到38.8 mm,表明隨門內(nèi)飾板的不斷侵入,上肋骨對(duì)應(yīng)的氣囊處發(fā)生觸底。
在側(cè)面碰撞過(guò)程中,假人肋骨加速度曲線是假人肋骨空間運(yùn)動(dòng)的反映,但在碰撞初期,在假人未發(fā)生明顯移動(dòng)的情況下,肋骨加速度曲線的變化反映了肋骨相對(duì)胸椎的運(yùn)動(dòng)情況,進(jìn)而也反映了該加速度傳感器所在肋骨的受力情況,即當(dāng)假人與SAB接觸時(shí),如果SAB依然處于展開階段,SAB將對(duì)假人肋骨造成沖擊。在SAB的沖擊下,肋骨加速度曲線將產(chǎn)生一個(gè)尖峰,且尖峰的上升過(guò)程較快,近似垂直上升,因此,該尖峰與橫坐標(biāo)所圍成的圖形可近似看作直角三角形;當(dāng)假人與SAB接觸時(shí),如果SAB已完全展開,SAB將平緩地泄荷吸能。在SAB泄荷吸能作用下,假人肋骨加速度曲線也將產(chǎn)生一個(gè)波峰,但波峰上升的過(guò)程相對(duì)較慢,該波峰與橫坐標(biāo)所圍成的形狀可近似看作等腰三角形。因此,在假人未發(fā)生明顯移動(dòng)的情況下,為分析肋骨變形量產(chǎn)生的主要原因,可借助肋骨加速度曲線所形成的三角形形狀進(jìn)行分析,即當(dāng)肋骨加速度曲線的第1個(gè)峰近似成直角三角形時(shí),若下肋骨變形量偏大,則應(yīng)提前SAB點(diǎn)火時(shí)間來(lái)優(yōu)化SAB,避免SAB充氣過(guò)程中與假人側(cè)面發(fā)生接觸;當(dāng)肋骨加速度曲線的第1個(gè)峰近似等腰三角形時(shí),若下肋骨變形量偏大,則應(yīng)從降低三角形高度,即降低SAB剛度來(lái)優(yōu)化SAB;當(dāng)肋骨加速度曲線在碰撞后期出現(xiàn)峰尖時(shí),則視為氣囊發(fā)生觸底。當(dāng)氣囊發(fā)生觸底造成肋骨變形量偏大時(shí),應(yīng)提高氣囊剛度來(lái)優(yōu)化SAB。
對(duì)于側(cè)面撞柱試驗(yàn)中3根肋骨變形量均偏大的情況,通過(guò)肋骨加速度曲線來(lái)分析導(dǎo)致肋骨變形量偏大的原因。側(cè)面撞柱試驗(yàn)中假人上、中、下3根肋骨加速度曲線如圖3所示。
由圖3可看出,不考慮安全帶預(yù)緊作用在碰撞17 ms左右產(chǎn)生的負(fù)向加速度,加速度曲線前端可視為直角三角形,表明氣囊在充氣過(guò)程中與假人側(cè)面發(fā)生碰撞,且碰撞強(qiáng)度較高,導(dǎo)致三角形的“高”也較長(zhǎng),最高達(dá)83g。對(duì)于上肋骨和中肋骨加速度曲線,在碰撞50 ms左右出現(xiàn)了第2個(gè)峰尖,屬于異常,是氣囊觸底產(chǎn)生;而上肋骨第2個(gè)峰尖較高,達(dá)88g,即氣囊觸底嚴(yán)重。
綜合分析3根肋骨加速度曲線可知,碰撞前期,SAB充氣過(guò)程中假人與氣囊發(fā)生接觸;碰撞后期,假人上肋骨位置對(duì)應(yīng)的氣囊觸底嚴(yán)重。
該車型初步設(shè)計(jì)的SAB具有對(duì)乘員胸部側(cè)面和腹部側(cè)面共同保護(hù)的功能。側(cè)面撞柱試驗(yàn)后,假人側(cè)面腹部力曲線如圖4所示。
圖4中,在碰撞約20~30 ms內(nèi),腹部力上升明顯;在約30~50 ms內(nèi),假人腹部力上升趨勢(shì)變緩;在約50 ms后,腹部力開始減小。整個(gè)碰撞過(guò)程中,假人腹部力的最大幅值為555 N,僅約為高性能限值的1/2。結(jié)合圖3中肋骨加速度曲線來(lái)分析腹部受力情況,在碰撞約30~50 ms內(nèi)是安全氣囊泄荷吸能階段,假人側(cè)面均得到了較好保護(hù);碰撞約50 ms后,上肋骨對(duì)應(yīng)氣囊發(fā)生觸底,上肋骨與門內(nèi)飾板間的撞擊力突然增大,則腹部受車門內(nèi)飾板的撞擊強(qiáng)度得到明顯緩解。
對(duì)該車型試驗(yàn)中假人肋骨變形量、肋骨加速度曲線、腹部受力等分析表明,在當(dāng)前SAB配置下,碰撞過(guò)程中門內(nèi)飾板侵入造成的沖擊主要由假人上肋骨部位承受。因此,對(duì)SAB的深度優(yōu)化應(yīng)從兩方面考慮:一是提高SAB胸部保護(hù)剛度,平均上、中、下肋骨變形程度。目前情況下,因假人與SAB接觸時(shí)SAB正處于充氣過(guò)程,因此中、下肋骨的最大變形量達(dá)27.29 mm,已經(jīng)高于高性能限值,但如果通過(guò)提前氣囊點(diǎn)火時(shí)間來(lái)降低這2根肋骨的變形量,則碰撞后期氣囊觸底將更加嚴(yán)重,因此不能將提前氣囊點(diǎn)火時(shí)間作為優(yōu)化方案。另外,降低氣囊剛度的方法也不可取,因當(dāng)前的氣囊在碰撞過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生觸底,上肋骨的變形量因發(fā)生觸底而異常偏高,所以為降低上肋骨的變形量,氣囊的剛度不但不能降低,反而還需要提高。在這種情況下,在優(yōu)化后的SAB作用下,肋骨的最大變形量不會(huì)低于27 mm,故3根肋骨的最大變形量目標(biāo)應(yīng)為30 mm。二是增大腹部分擔(dān)撞擊力的比重,以均衡胸部側(cè)面和腹部側(cè)面受力損傷,使腹部在不失分的情況下所承擔(dān)的力越大越好,即略低于腹部力高性能限值(1 kN)為最佳。
無(wú)論何種優(yōu)化方案,前提是在C-NCAP側(cè)面碰撞試驗(yàn)中假人損傷無(wú)明顯加重,至少確保當(dāng)前側(cè)面碰撞中得分不會(huì)降低,即氣囊的優(yōu)化要在不降低中國(guó)星級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的情況下進(jìn)行。
在提高SAB剛度(提高假人與SAB接觸時(shí)的撞擊強(qiáng)度)以及直接提高假人腹部受力的情況下,都會(huì)導(dǎo)致側(cè)面碰撞試驗(yàn)中假人局部傷害增加。但由表1可知,該車型在按照C-NCAP中的要求進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),假人胸部和腹部各傷害值均較小,遠(yuǎn)低于高性能限值的1/2,因此,僅適當(dāng)提高當(dāng)前SAB剛度,即使假人某些部位的傷害會(huì)有所增加,但對(duì)C-NCAP的評(píng)價(jià)不會(huì)產(chǎn)生影響。
提高SAB的剛度可以從以下幾方面著手:提高氣體發(fā)生器產(chǎn)生量;減小氣囊排氣孔尺寸;減小氣袋體積。因氣體發(fā)生器為標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品,通過(guò)調(diào)換發(fā)生器以得到理想氣囊剛度較難,且深度優(yōu)化階段更不能輕易變更;另外,當(dāng)前氣囊的排氣孔尺寸已較小,且位置處于氣袋下端,加之碰撞過(guò)程中門板侵入后的分隔作用,所以通過(guò)減小排氣孔尺寸來(lái)解決上肋骨位置氣囊觸底情況較難;減小氣袋體積以提高整個(gè)SAB的剛度相對(duì)較易,但要犧牲某些部位的保護(hù)功能。綜合考慮各因素,最終確定優(yōu)化方向?yàn)榭s短氣袋長(zhǎng)度,即減小SAB對(duì)腹部的保護(hù)作用,讓腹部下端與侵入的門內(nèi)飾板直接發(fā)生撞擊,同時(shí)提高氣囊剛度,增大氣囊在碰撞過(guò)程中對(duì)乘員胸部側(cè)面的推力。結(jié)合當(dāng)前SAB與腹部的對(duì)應(yīng)位置,最終確定優(yōu)化方案為將SAB下端縮短80 mm。
根據(jù)SAB優(yōu)化方案加工出樣件,優(yōu)化前、后樣件對(duì)比結(jié)果見圖5。經(jīng)測(cè)量,優(yōu)化后SAB容積為14.8 L,比優(yōu)化前(15.5 L)減小0.7 L。對(duì)優(yōu)化后的SAB保護(hù)效果進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,SAB減小0.7 L后對(duì)假人的保護(hù)效果沒(méi)有任何變化。對(duì)優(yōu)化后的SAB進(jìn)行了實(shí)車側(cè)面撞柱試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 SAB優(yōu)化后側(cè)面撞柱試驗(yàn)中前排假人胸部和腹部試驗(yàn)結(jié)果
由表2可知,3根肋骨變形量均約為28 mm,低于30 mm的目標(biāo)值,滿足要求。胸部得分由優(yōu)化前的0.63分提高到2.46分,提高了1.83分,達(dá)到目標(biāo)值;腹部力由優(yōu)化前的0.555 kN提高到0.995 kN,雖然提高明顯,但低于1 kN,未造成失分。
SAB優(yōu)化后側(cè)面撞柱試驗(yàn)中假人上、中、下肋骨變形量如圖6所示,優(yōu)化前、后側(cè)面撞柱試驗(yàn)中腹部力曲線對(duì)比結(jié)果如圖7所示。
由圖6可看出,3條曲線整體變化趨勢(shì)及幅值都較接近,表明碰撞過(guò)程中3根肋骨所受撞擊力得到了平衡。但需要注意的是,上肋骨變形量曲線在60 ms后出現(xiàn)了第2個(gè)峰,說(shuō)明此次試驗(yàn)中SAB在上肋骨位置依然發(fā)生了觸底,但氣囊觸底產(chǎn)生的第2個(gè)峰值略低于氣囊作用階段產(chǎn)生的第1個(gè)峰值。該結(jié)果表明,如果氣囊剛度再提高一些,則氣囊作用下的上肋骨變形量就會(huì)增加,高于當(dāng)前值;如果氣囊剛度再低一些,則氣囊觸底造成的上肋骨變形量就會(huì)增加,也會(huì)高于當(dāng)前值,即當(dāng)前的SAB剛度比較合適。
由圖7可看出,SAB優(yōu)化后的側(cè)面撞柱試驗(yàn)中,腹部力在整個(gè)碰撞階段均高于優(yōu)化前試驗(yàn)結(jié)果,尤其在SAB作用階段,所承擔(dān)抗撞擊作用得到明顯提升。雖然在60 ms后因保護(hù)腹部的氣囊下端被剪短了80 mm,氣囊發(fā)生觸底,導(dǎo)致腹部力異常上升,但并未造成失分。
由上述可知,3根肋骨變形量曲線彼此接近,腹部作用力提升至臨界失分點(diǎn),表明整個(gè)側(cè)面受力達(dá)到了較好的平衡,氣囊優(yōu)化基本達(dá)到最佳狀態(tài)。
SAB優(yōu)化前、后側(cè)面碰撞試驗(yàn)中假人胸部和腹部試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3。
表3 SAB優(yōu)化前、后側(cè)面碰撞試驗(yàn)中假人胸部和腹部試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
由表3可知,SAB優(yōu)化后側(cè)面碰撞試驗(yàn)結(jié)果較好,與SAB優(yōu)化前的側(cè)面碰撞試驗(yàn)結(jié)果相比,腹部力提高了0.17 kN,同時(shí)下肋骨變形量增大,上肋骨變形量減小,與SAB優(yōu)化前、后側(cè)面撞柱試驗(yàn)結(jié)果相一致。但需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然SAB優(yōu)化后假人有些部位的傷害有所增加,但仍遠(yuǎn)低于相應(yīng)部位的高性能限值,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)沒(méi)有產(chǎn)生影響。
在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)某車型SAB的深度優(yōu)化研究得出如下結(jié)論:
a.在對(duì)約束系統(tǒng)進(jìn)行深度優(yōu)化時(shí),與仿真和臺(tái)車試驗(yàn)相比,數(shù)據(jù)分析方法更具有靈活性和可信度;
b.在針對(duì)肋骨變形量進(jìn)行優(yōu)化時(shí),應(yīng)該在協(xié)調(diào)肋骨加速度形狀基礎(chǔ)上平衡3根肋骨變形量,使3根肋骨的變形量盡可能接近,且不存在氣囊觸底導(dǎo)致傷害加重情況;另外,均衡假人胸部側(cè)面與腹部側(cè)面所分擔(dān)的撞擊力,以使乘員側(cè)面損傷綜合評(píng)價(jià)得分最高。
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