周厚林

（延鋒百利得（上海）汽車(chē)安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315）

某轎車(chē)膝部氣囊保護(hù)區(qū)域的定義及其氣袋設(shè)計(jì)

周厚林

（延鋒百利得（上海）汽車(chē)安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315）

分析解讀了EuroNCAP和CNCAP試驗(yàn)規(guī)范對(duì)膝部保護(hù)區(qū)域定義的影響，探索建立了在3D數(shù)模中模擬定義膝部保護(hù)區(qū)域的方法，研究了保護(hù)區(qū)域?qū)獯螤詈统叽缭O(shè)計(jì)的影響。

汽車(chē)；膝部氣囊；保護(hù)區(qū)域；氣袋設(shè)計(jì)

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-83-03

前言

汽車(chē)膝部氣囊氣袋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性輸入是其目標(biāo)膝部保護(hù)區(qū)域。而不同車(chē)型因其市場(chǎng)國(guó)別、整車(chē)性能目標(biāo)、車(chē)身環(huán)境參數(shù)等不同，其對(duì)膝部保護(hù)區(qū)域的要求也不同。本文基于N車(chē)型項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，分析解讀了歐洲和中國(guó)相關(guān)測(cè)試規(guī)范，確定了保護(hù)區(qū)域的設(shè)立準(zhǔn)則；探索建立了膝部氣囊保護(hù)區(qū)域的模擬定義方法，并加以實(shí)踐驗(yàn)證；研究了膝部保護(hù)區(qū)域?qū)獯螤詈统叽缭O(shè)計(jì)的影響，并給出了設(shè)計(jì)建議。

1 測(cè)試規(guī)范對(duì)膝部保護(hù)區(qū)域定義的影響

因?yàn)镋uroNCAP和CNCAP規(guī)范的要求均高于相應(yīng)的強(qiáng)制性法規(guī)，所以本文主要分析解讀這兩份試驗(yàn)規(guī)范。在EuroNCAP規(guī)范中，與膝部保護(hù)相關(guān)的內(nèi)容有碰撞試驗(yàn)和罰分項(xiàng)檢查等兩項(xiàng)，而CNCAP規(guī)范中只有碰撞試驗(yàn)這一項(xiàng)。

1.1 碰撞試驗(yàn)要求對(duì)比

EuroNCAP和CNCAP對(duì)于正面碰撞試驗(yàn)中乘員下肢傷害指標(biāo)的規(guī)定一致，差別僅在于試驗(yàn)方法，具體要求對(duì)比如表1[1-2]。

表1 EuroNCAP與CNCAP碰撞試驗(yàn)乘員下肢保護(hù)要求對(duì)比表

1.2 罰分檢查要求對(duì)比

CNCAP規(guī)范中沒(méi)有罰分檢查項(xiàng)的要求。EuroNCAP規(guī)范對(duì)于膝蓋、大腿和骨盆部位的得分有兩項(xiàng)罰分規(guī)定，具體是

[1-2]：

1）不一致接觸：

乘員的身材不同，乘坐位置不同，因此碰撞中乘員膝部與儀表板的接觸位置也不同，有時(shí)乘員的膝部還有可能侵入儀表板中。因此，潛在膝部接觸區(qū)域應(yīng)定義得更大一些。在此區(qū)域內(nèi)，若接觸點(diǎn)在其它位置，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更大，將被罰分。

在豎直方向上，潛在膝部接觸區(qū)域應(yīng)該以膝部接觸點(diǎn)的最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，向上和向下各延伸50mm。如圖1a所示，紅色區(qū)域即為實(shí)驗(yàn)中假人膝部與儀表板接觸后在儀表板上留下的顏料印跡。以該印跡區(qū)域的最高點(diǎn)為基準(zhǔn)豎直向上和向下各延伸50mm，即為需評(píng)估的潛在膝部接觸區(qū)域。

在整個(gè)潛在膝部接觸區(qū)域內(nèi)，需要被考核的深度是試驗(yàn)測(cè)得的最大膝部侵入深度再加20mm。每個(gè)膝蓋對(duì)應(yīng)的深度單獨(dú)定義。如圖1b所示，靠右側(cè)的豎直虛線(xiàn)是試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)最大膝部侵入深度，以此為基準(zhǔn)再加20mm即為需考核的深度范圍，即靠左側(cè)的豎直實(shí)線(xiàn)。

圖1 豎直方向和深度方向潛在膝部接觸區(qū)域示意圖

在上述潛在膝部接觸區(qū)域和深度范圍內(nèi)，如果大腿力超過(guò)3.8kN和/或膝蓋位移超過(guò)6mm，則相應(yīng)的腿罰1分。

2）集中受力：

在膝蓋碰撞區(qū)域內(nèi)，如果存在某種結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致膝蓋的局部受力集中，則相應(yīng)的腿罰1分。

如果汽車(chē)制造商能夠提供可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明“不一致接觸”和/或“集中受力”情況不存在，則可以不罰分[3]。

從以上分析可以看出，對(duì)于以EuroNCAP獲高分為目標(biāo)的車(chē)型，在水平方向上，其膝部氣囊保護(hù)區(qū)域需向外延伸至儀表板邊緣，向內(nèi)延伸至中控臺(tái)凸起的側(cè)壁，即圖2中兩條豎直藍(lán)色實(shí)線(xiàn)之間的區(qū)域（L1）；在垂直方向，膝部保護(hù)區(qū)域需以膝部接觸點(diǎn)即圖2中紅色圓點(diǎn)的上邊緣為基準(zhǔn)，向上和向下各延伸50mm。圖2中左側(cè)兩條水平藍(lán)色實(shí)線(xiàn)之間的區(qū)域?yàn)轳{駛員左膝的垂直方向保護(hù)區(qū)域，右側(cè)兩條水平藍(lán)色實(shí)線(xiàn)之間的區(qū)域?yàn)轳{駛員右膝的垂直方向保護(hù)區(qū)域。

圖2 膝部氣囊保護(hù)區(qū)域示意圖

綜上所述，如需在EuroNCAP測(cè)試中獲得高分，其膝部氣囊保護(hù)區(qū)域應(yīng)較大，而對(duì)于目標(biāo)是CNCAP測(cè)試的車(chē)型，其膝部保護(hù)區(qū)域可以相對(duì)小一些。

2 膝部氣囊保護(hù)區(qū)域的劃定方法

作者在V車(chē)型項(xiàng)目的研究初期階段采用了以下模擬方法來(lái)確定初始膝部接觸點(diǎn)，并在開(kāi)發(fā)后期用實(shí)際試驗(yàn)獲得的膝部接觸點(diǎn)來(lái)修正。

首先，在3D數(shù)模中，按CNCAP中正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)的假人擺放要求，將座椅數(shù)模調(diào)整至前、后方向的中間位置，高度調(diào)至最低；將Hybrid Ⅲ 50%分位假人數(shù)模安放在駕駛員側(cè)的座椅上，并保證假人H點(diǎn)處于設(shè)計(jì)位置；將駕駛員假人左腳放在擱腳板上，右腳放在加速踏板上，雙腿前伸并保持與車(chē)身X軸平行[4]。

然后，保持假人腳部不動(dòng)，以腳踝為軸旋轉(zhuǎn)假人小腿，使假人膝部與儀表板相接觸，如圖3所示。這樣可以在假人左、右膝蓋處各得到一個(gè)接觸點(diǎn)，即為駕駛員的初始膝部碰撞接觸點(diǎn)。以此為基準(zhǔn)，參考第2節(jié)所述方法即可劃定初始膝部保護(hù)區(qū)域。

圖3 駕駛員膝部碰撞接觸點(diǎn)模擬確定方法示意圖

在N車(chē)型項(xiàng)目中，以模擬方法確定的膝部碰撞接觸點(diǎn)，左膝點(diǎn)Z向坐標(biāo)值514，右膝點(diǎn)Z向坐標(biāo)值486。該車(chē)型以滿(mǎn)足EuroNCAP為目標(biāo)，參考第2節(jié)所述方法，以左、右膝的碰撞接觸點(diǎn)為基準(zhǔn)向上和向下各延伸50mm，即分別得到該車(chē)型左膝和右膝的Z向初始保護(hù)區(qū)域。在水平方向上，該車(chē)型的膝部保護(hù)區(qū)域向車(chē)門(mén)側(cè)延伸覆蓋整個(gè)儀表板范圍，向車(chē)內(nèi)側(cè)延伸到中控臺(tái)凸起的側(cè)面，測(cè)得保護(hù)區(qū)域水平方向尺寸為610mm。

在該車(chē)型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)后期，用工程樣件進(jìn)行臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)后用激光儀和標(biāo)尺測(cè)量假人膝部顏料轉(zhuǎn)印在儀表板上的印跡區(qū)域的最高點(diǎn)，獲得其左膝點(diǎn)Z向坐標(biāo)值為527，右膝點(diǎn)Z坐標(biāo)值508。根據(jù)試驗(yàn)獲得的膝部接觸點(diǎn)對(duì)膝部保護(hù)區(qū)域進(jìn)行修訂，即為正式的膝部保護(hù)區(qū)域。

N車(chē)型試驗(yàn)獲得的膝部接觸點(diǎn)與模擬方法獲得的膝部接觸點(diǎn)差異不大，證明模擬方法可用于項(xiàng)目初期估算膝部接觸點(diǎn)，從而指導(dǎo)初始版氣袋的設(shè)計(jì)。

3 膝部保護(hù)區(qū)域?qū)獯螤詈统叽缭O(shè)計(jì)的影響分析

從膝部氣囊保護(hù)功能的角度，氣袋真正需要充滿(mǎn)氣體且有效覆蓋的是對(duì)應(yīng)于目標(biāo)保護(hù)區(qū)域的部分，其它部分為輔助部分。有效部分需大一些，以充分覆蓋保護(hù)區(qū)域，而輔助部分應(yīng)盡可能小，以降低所需的氣體量。而以行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)，膝部氣囊一般安裝在儀表板內(nèi)偏下的部位，氣袋充氣時(shí)均是從下向上展開(kāi)的。因此，膝部氣囊的氣袋一般采用上寬下窄的近似倒梯形設(shè)計(jì)。氣袋的上部對(duì)應(yīng)膝部保護(hù)區(qū)域，即為有效部分，其具有足夠的寬度和高度，以使氣袋的左右邊緣覆蓋膝部保護(hù)區(qū)域的左右邊緣，同時(shí)使氣袋的頂端覆蓋膝部保護(hù)區(qū)域的上邊緣。而氣袋的下部邊緣與膝部氣囊殼體寬度相當(dāng)，氣袋下部左右兩側(cè)漸變縮小，只輔助維持氣袋的充滿(mǎn)形態(tài)，如圖4所示。

圖4 膝部氣囊氣袋倒梯形形狀示意圖

綜上所述，在膝部氣囊的保護(hù)區(qū)域劃定后，氣袋的上邊緣、左邊緣和右邊緣均已相應(yīng)確定，再根據(jù)本車(chē)型氣體發(fā)生器的安裝位置確定氣袋下邊緣，則氣袋的主體形狀和尺寸即已確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于EuroNCAP和CNCAP試驗(yàn)規(guī)范對(duì)于膝部保護(hù)要求的差異，整車(chē)制造商需根據(jù)車(chē)型的被動(dòng)安全系統(tǒng)性能目標(biāo)來(lái)定義膝部氣囊的保護(hù)區(qū)域目標(biāo)。在此之后，可采用實(shí)物樣件試驗(yàn)方法或在3D數(shù)模中模擬的方法確定膝部接觸點(diǎn)，并以此為基準(zhǔn)劃定膝部保護(hù)區(qū)域。最后，根據(jù)膝部保護(hù)區(qū)域必須被有效覆蓋，而其它區(qū)域可以不被覆蓋的原則來(lái)設(shè)計(jì)膝部氣囊氣袋的主體形狀和尺寸。

[1] 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心.C-NCAP.C-NCAP 管理規(guī)則(2012 年版).中國(guó)∶中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,2012.7.

[2] EuroNCAP-ASSESSMENT PROTOCOL-ADULT OCCUPANT PR -OTECTION-Version -6.0-July-2013-www.euroncap.com.

[3] EuroNCAP-FRONTAL IMPACT TESTING PROTOCOL-Version -6.0.2-October-2013-www.euroncap.com.

[4] 唐洪斌,楊海慶,馬志良,等.乘員膝部碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)與車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2012(5).

The knee protection area definition and cushion design of Vehicle N

Zhou Houlin
（Yanfeng KSS (Shanghai) Automotive Safety System Co., Ltd., Shanghai 201315）

The influence of test specification on protection area definition is analyzed. The simulation method of protection area definition is introduced. The effect of the protection area on the cushion design is studied.

Vehicle; Knee airbag; Protection area; Cushion design

U463.8

A

1671-7988 (2017)13-83-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.026

周厚林，就職于延鋒百利得（上海）汽車(chē)安全系統(tǒng)有限公司。