商恩義，李月明

(浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州311228)

0 引言

當(dāng)前，在汽車被動安全約束系統(tǒng)開發(fā)過程中，通常要做大量臺車試驗(yàn)，用來模擬實(shí)車碰撞進(jìn)行約束系統(tǒng)的優(yōu)化。在正式進(jìn)行臺車試驗(yàn)前，首先要進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)是在臺車白車身中裝配與所要復(fù)現(xiàn)實(shí)車相同的安全帶、安全氣囊、座椅等零部件，在碰撞過程中輸入實(shí)車碰撞B柱加速度波形，并通過對波形及管柱角度等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終確保試驗(yàn)中假人各傷害與實(shí)車結(jié)果接近，之后才可以用臺車試驗(yàn)替代實(shí)車試驗(yàn)。但作為判斷標(biāo)定合格的接近程度，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)還沒有具有實(shí)際指導(dǎo)意義的準(zhǔn)則。

實(shí)際工作中，工作人員通常只對假人各部位傷害值及依據(jù)中國新車評價規(guī)程(China New Car Assessment Program，C-NCAP)[1]的評分進(jìn)行比較，同時，將各對應(yīng)曲線分別進(jìn)行比對，而后憑借經(jīng)驗(yàn)對臺車標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行判斷。因知識底蘊(yùn)、工作閱歷不同，人與人之間經(jīng)驗(yàn)差別較大，判定結(jié)果人為因素影響較大。在這種情況下，有必要對標(biāo)定評價準(zhǔn)則進(jìn)行深入研究。

研究中，規(guī)定假人頭部和胸部加速度方向[2]：前后方向?yàn)閤向，向前為正；左右方向?yàn)閥向，向右為正；上下方向?yàn)閦向，向下為正。對于頸部受力，規(guī)定：軸向?yàn)閦向(張力)，拉伸為正，壓縮為負(fù)；橫向?yàn)閤向(剪切力)，頭向后，胸向前為正。

1 當(dāng)前臺車試驗(yàn)?zāi)芰C述

當(dāng)前，無論加速臺車還是減速臺車，正面臺車試驗(yàn)與實(shí)車碰撞試驗(yàn)相比，車身和臺車試驗(yàn)系統(tǒng)主要存在以下4方面差異：(1)實(shí)車碰撞試驗(yàn)中車身前端發(fā)生嚴(yán)重變形，轉(zhuǎn)向管柱、腳踏板等發(fā)生后侵。臺車試驗(yàn)無此現(xiàn)象。(2)實(shí)車碰撞中碰撞點(diǎn)(碰撞核心)高度通常處于該車質(zhì)心之下，造成碰撞后期車尾部伴有上翹(Pitching)。臺車試驗(yàn)中臺車始終被約束在水平面上，無上翹功能。(3)假人質(zhì)心與碰撞點(diǎn)之間的高度差影響著碰撞中假人前撲強(qiáng)度，臺車試驗(yàn)中，車身搭建在臺車平臺之上，則假人質(zhì)心相對碰撞點(diǎn)被抬高，且該高度不可調(diào)。(4)實(shí)車碰撞中實(shí)車一次性使用，而臺車通常要用幾十次，因此，臺車安全帶、座椅等各約束機(jī)構(gòu)的安裝點(diǎn)通常都被加固[3]。

上述4方面差異，都將增強(qiáng)碰撞中對假人頭部和胸部的傷害，尤其第(2)點(diǎn)和第(4)點(diǎn)，變相增加了約束，導(dǎo)致安全帶作用增強(qiáng)，對假人而言，增加了胸部傷害，而對臺車而言，往往導(dǎo)致安全帶上導(dǎo)向環(huán)失效或座椅導(dǎo)軌滑脫(帶扣安裝在座椅側(cè)面)。對12個臺車標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，假人頭部和胸部傷害的增幅通常都在15%左右。因此，在制定評價準(zhǔn)則時，需要考慮上述影響。

另外，就評價部位而言，臺車試驗(yàn)受儀表臺等零部件結(jié)構(gòu)通常不完整影響，主要評價部位是假人頭部、頸部和胸部。假人頸部作為頭部和胸部的中間環(huán)節(jié)，其傷害主要是由頭部和胸部發(fā)生相對運(yùn)動造成，因此，對其評價可以通過對頭部和胸部的評價體現(xiàn)[4]。

綜上，并考慮臺車標(biāo)定試驗(yàn)駕駛員側(cè)假人傷害是標(biāo)定難點(diǎn)，文中研究將針對駕駛員側(cè)假人進(jìn)行。

2 頭部評價準(zhǔn)則探討

臺車試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)相比，在約束系統(tǒng)配置完全一致情況下，假人頭部傷害主要受碰撞中轉(zhuǎn)向管柱角度變化、方向盤變形、吸能管柱潰縮時機(jī)和潰縮行程的影響。對于假人頭部，安全氣囊及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用屬于外力，所有影響在頭部外力作用加速度曲線上應(yīng)有所反映。

2.1 假人頭部外力作用加速度的計(jì)算

正面碰撞試驗(yàn)中，當(dāng)配有安全氣囊且安全氣囊無觸底時，假人頭部在整個碰撞過程中通常只會受到頸部和安全氣囊及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的約束作用。將頸部約束作用稱為內(nèi)力，安全氣囊及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的約束作用稱為外力。另外，碰撞中假人頭部加速度存在，則假人頭部在碰撞過程中存在外力、內(nèi)力和慣性力。

相關(guān)研究表明，在碰撞過程中，假人頭部傷害主要來自x向[5]。運(yùn)用達(dá)朗貝爾(d’Alembert)原理分析假人頭部x向受力[6-7]。

Fxh+Fx-mhax=0

(1)

則

axh=ax-Fx/mh

(2)

式中：Fxh、Fx分別表示假人頭部x向所受外力、內(nèi)力；ax、axh分別表示假人頭部x向加速度和外力作用加速度；mh表示50%假人頭部質(zhì)量，取mh=4.54 kg。ax和Fx在試驗(yàn)過程中可采集得到。因此，依據(jù)公式(2)可計(jì)算出試驗(yàn)過程中假人頭部axh。

2.2 假人頭部axh的分析

依據(jù)公式(2)，計(jì)算出某次試驗(yàn)中駕駛員假人頭部axh如圖1所示。圖中：在約70 ms時，axh開始下降；在約80 ms時，axh出現(xiàn)平臺，即假人頭部所受外力支撐作用增強(qiáng)過程中，外力突然放緩導(dǎo)致加速度不再明顯增大；在約87 ms時，axh開始再次增強(qiáng)且持續(xù)至約110 ms；在87～110 ms間，曲線下降的斜率隨著碰撞強(qiáng)度增加并沒有明顯增強(qiáng)，同時，在下降過程中伴有明顯波動。

圖1 某次試驗(yàn)中外力作用下頭部x向加速度

借助高速攝像分析：在約70 ms時，假人頭部與安全氣囊接觸；在約80 ms時，吸能轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮；在約110 ms時，隨著頭部撞擊速度下降及氣囊泄荷，氣囊作用開始減弱；在87～110 ms之間，轉(zhuǎn)向管柱持續(xù)潰縮，同時，方向盤在胸部撞擊下存在變形情況。

圖1中，axh曲線基本反映了方向管柱潰縮時機(jī)、潰縮行程及方向盤變形在碰撞過程中對假人頭部傷害的影響。在臺車標(biāo)定試驗(yàn)時，臺車所配約束系統(tǒng)與實(shí)車配置一致，因此，axh曲線可作為臺車標(biāo)定評價準(zhǔn)則之一。

2.3 假人頭部axh的應(yīng)用

加速度曲線波動較大，拐點(diǎn)或幅值出現(xiàn)的時間偏差、數(shù)值大小偏差等很難通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。如作為臺車試驗(yàn)輸入條件的B柱加速度曲線，針對其符合性，在《關(guān)于車輛正面碰撞乘員保護(hù)認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECE/R94)[6]中便通過速度進(jìn)行評價: 在任何點(diǎn), 由積分獲得的“速度相對于時間的變化”曲線與本附件附錄所規(guī)定的相關(guān)車輛“速度相對于時間變化”的基準(zhǔn)曲線相差不超過±1 m/s。因此，對于axh曲線符合性的評價，也可以通過評價其積分后的速度曲線進(jìn)行。

用vxh表示頭部外力作用下x向速度。以當(dāng)時實(shí)車碰撞速度17.8 m/s為假人頭部x向運(yùn)動初始速度，將圖1中axh曲線積分成vxh曲線如圖2。圖2中，vxh曲線相對比較光滑，在約70 ms時，開始下降；在約140 ms時，速度歸零，而后反彈，最大反彈速度為0.36 m/s。下降起始時刻反映了安全氣囊的作用時間；下降速度反映了整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與安全氣囊的共同作用效果，反彈速度反映了氣囊的最后剛度。

圖2 某次試驗(yàn)中外力作用下頭部x向速度

用a′xh和v′xh分別表示臺車試驗(yàn)中假人頭部x向外力作用加速度及其積分后速度。當(dāng)臺車試驗(yàn)中v′xh與實(shí)車試驗(yàn)中vxh相比較時，結(jié)果差異將能反映出吸能管柱吸能時間的偏差、頭部反彈時安全氣囊的剛度等。因此，臺車標(biāo)定試驗(yàn)中，針對假人頭部，可以通過vxh±δ制定評價準(zhǔn)則。

3 胸部評價準(zhǔn)則探討

正面碰撞試驗(yàn)中，假人身體各部位的傷害程度及分布與假人運(yùn)動姿態(tài)密切相關(guān)，而假人或前撲或提臀上翻或下潛或后仰，主要決定于假人胸部受到的安全帶、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、安全氣囊等的約束作用和假人腹部安全帶的約束作用[7-8]，因此，在進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果評價時，必須考慮安全帶等部件對假人運(yùn)動的影響。

試驗(yàn)中，通常用安全帶力傳感器采集假人肩帶力和腰帶力，肩帶力測量位置為上導(dǎo)向環(huán)和肩膀之間，腰帶力測量位置為下導(dǎo)向環(huán)和腹部之間靠近下導(dǎo)向環(huán)側(cè)。某次50 km/h正面碰撞試驗(yàn)中測得的駕駛員假人肩帶力和腰帶力及其差值曲線如圖3所示，胸部x向和z向加速度如圖4所示。

圖3 駕駛員安全帶肩帶力、腰帶力及差

圖3中，安全帶肩帶力和腰帶力的差值反映了安全帶肩帶和腰帶的作用強(qiáng)弱及其轉(zhuǎn)換關(guān)系。用azc表示實(shí)車碰撞中假人胸部z向加速度。圖4中，兩條加速度曲線與安全帶各力及其差值相比，azc與安全帶力差值變化趨勢更有同步性。

3.1 胸部azc曲線的解讀

圖4中，假人胸部azc曲線是假人配置卷收器預(yù)緊加限力安全帶下的典型曲線，基本反映了假人運(yùn)動的4個階段：A階段，約18～56 ms，卷收器預(yù)緊，安全帶肩帶起主要作用，對假人z向產(chǎn)生向下約束。此階段，azc曲線持續(xù)為正。B階段，約56～80 ms，肩帶作用力上升達(dá)到限力值，本來共同作用的肩帶和腰帶，肩帶相對腰帶，其作用力突然停止增長，假人胸部開始加速前撲，安全帶主要作用于假人腹部，上提假人胸部。此過程初始階段，胸部可能因慣性會產(chǎn)生瞬時上沖現(xiàn)象。另外，座椅剛度的影響主要發(fā)生在此階段。此階段，胸部azc曲線將由正向轉(zhuǎn)向負(fù)向，個別曲線可能出現(xiàn)正向瞬間加強(qiáng)后再轉(zhuǎn)向。C階段，約80～93 ms，隨著碰撞深入，假人臀部回彈、胸部加速前撲后，肩帶再次成為作用力主體。此階段，azc曲線瞬間加速下降后將由負(fù)向轉(zhuǎn)向正向。D階段，約93 ms以后，假人胸部在安全帶、安全氣囊等共同作用下回彈。在B階段和C階段，假人胸部通常與安全氣囊及方向盤緣發(fā)生碰撞、擠壓，是假人胸部受到損傷的主要階段，尤其C階段，當(dāng)假人臀部回彈時出現(xiàn)提臀上撲現(xiàn)象，往往會加重對胸部壓縮變形傷害。

上述分析表明，假人胸部azc曲線能夠全面反映安全帶、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的影響，因此，可以通過將azc曲線積分成速度曲線作為評價臺車標(biāo)定結(jié)果的另一準(zhǔn)則。

3.2 胸部z向速度vzc曲線的應(yīng)用

用vzc表示實(shí)車碰撞中假人胸部azc積分后速度。圖4中azc曲線積分成vzc曲線如圖5所示。

圖5 駕駛員假人胸部 z向速度曲線

圖5中，vzc曲線變化復(fù)雜，能夠較好反映假人胸部在各約束系統(tǒng)下的運(yùn)動變化，同時，曲線又比較光滑，干擾波動少，便于通過指定偏差ε，以vzc±ε制定評價準(zhǔn)則。

4 δ和ε的研究

某車型在50 km/h臺車標(biāo)定試驗(yàn)時，共進(jìn)行了6次，經(jīng)過對轉(zhuǎn)向管柱角度、座椅剛度、輸入波形等進(jìn)行微調(diào)，編號為T006的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果最為接近，詳細(xì)比較如表1所示。

表1 某次標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較

T006試驗(yàn)中，頭部HIC36增幅偏大；胸部較好；頸部主要傷害指標(biāo)伸張彎矩偏低。分析各傷害偏離原因。各采集曲線及處理曲線比較如圖6—圖11所示。

分析假人頭部傷害。圖6中，在86 ms前后，兩條頭部合成加速度曲線達(dá)到最大幅值，且幅值基本相等，但過程持續(xù)寬度臺車略寬5 ms。圖7中，頭部x向外力作用加速度曲線，實(shí)車試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向管柱潰縮作用明顯，臺車試驗(yàn)中偏弱。約86 ms后，臺車試驗(yàn)中安全氣囊及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)剛度表現(xiàn)偏強(qiáng)，最終造成頭部傷害值偏大。考慮到管柱影響很難完全消除，另外，假人頭部HIC36值，實(shí)車試驗(yàn)中為286，臺車試驗(yàn)中為342，雖然增幅較大，但增量只有56，因此，就頭部而言，標(biāo)定結(jié)果可以接受。

分析假人胸部傷害。圖8—圖10中，約80 ms之前，兩個試驗(yàn)中假人胸部加速度曲線和變形量曲線吻合均較好，但之后，臺車試驗(yàn)中假人曲線反應(yīng)明顯加劇。胸部z向加速度曲線表明80 ms后假人處于運(yùn)動的C階段，此后反應(yīng)急劇表明假人前撲速度更快、碰撞強(qiáng)度更大，結(jié)果造成胸部與安全氣囊的擠壓強(qiáng)度增大，胸部變形量出現(xiàn)第二個峰值。

分析假人頸部傷害。圖11中，兩條曲線總體上同步性表現(xiàn)可以，雖然有18.2%的偏差，但符合通常臺車復(fù)現(xiàn)結(jié)果。另外，伸張彎矩低于最高性能限值，處于滿分，當(dāng)約束系統(tǒng)優(yōu)化后，其結(jié)果不會影響對乘員傷害結(jié)果的評價。因此，頸部的標(biāo)定結(jié)果也可接受。

T006的試驗(yàn)結(jié)果中假人傷害值偏離情況全面反映了當(dāng)前臺車試驗(yàn)所存在缺陷的影響，且其結(jié)果基本可以接受。因此，接下來以T006試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)對δ和ε進(jìn)行研究。

4.1 δ的研究

以13.8 m/s為初始速度，分別對目標(biāo)實(shí)車和T006試驗(yàn)中假人axh和a′xh進(jìn)行積分，求得vxh和v′xh曲線。如圖12所示，在vxh曲線基礎(chǔ)上，分別建立vxh+δ曲線和vxh-δ曲線。δ用不同值分別輸入，直至在假人向前碰撞過程中，vxh+δ和vxh-δ曲線中某一條與v′xh曲線相切。

圖12 假人頭部外力作用x向速度關(guān)系

圖12中，當(dāng)δ=1 m/s時，在約102 ms前基本滿足上述要求。在102 ms后，假人頭部速度超出范圍，但此時，速度為負(fù)，假人頭部處于回彈過程中，且假人頭部傷害取值已基本結(jié)束。因此，對于T006臺車標(biāo)定試驗(yàn)，δ=1 m/s滿足要求。

4.2 ε的研究

用a′zc和v′zc分別表示假人胸部z向加速度及其積分后速度。分別對目標(biāo)實(shí)車和T006試驗(yàn)中假人胸部z向加速度進(jìn)行積分，求得vzc和v′zc曲線。如圖13所示，以vzc曲線為基礎(chǔ)，分別建立vzc+ε曲線vzc-ε曲線。ε用不同值分別輸入，直至其在假人A和B運(yùn)動過程中(約80 ms前)，vzc+ε和vzc-ε曲線中某一條與v′zc相切。

圖13 假人胸部z向速度關(guān)系

圖13中，當(dāng)ε=0.22 m/s時，在約88 ms前基本滿足前述要求。在88 ms后，v′zc曲線超出上限。分析表1中假人胸部傷害，只有臺車試驗(yàn)中胸部變形量的幅值出現(xiàn)在88 ms之后，而該值為胸部變形量曲線的第二個峰值，第一個峰值出現(xiàn)的時刻為67 ms，值為24 mm，與實(shí)車極其接近且處于可調(diào)節(jié)區(qū)域，而第二個峰值處于假人運(yùn)動的C階段，為當(dāng)前不可調(diào)節(jié)階段?？紤]ε取值應(yīng)主要確保將當(dāng)前臺車試驗(yàn)系統(tǒng)及約束系統(tǒng)的極限調(diào)節(jié)能力發(fā)揮極致，ε取0.22 m/s滿足要求。

4.3 驗(yàn)證與討論

研究表明，T006臺車標(biāo)定試驗(yàn)是當(dāng)前試驗(yàn)?zāi)芰ο碌牡湫驮囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果反映了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)變形、臺車系統(tǒng)固有缺陷所造成的影響，同時，也是該車型多次標(biāo)定的最佳。因此，基于T006試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出的δ值和ε值具有普遍應(yīng)用意義。

以T006試驗(yàn)推導(dǎo)的δ值和ε值建立臺車標(biāo)定評價準(zhǔn)則，重新評價曾被認(rèn)可的5款車型的臺車標(biāo)定結(jié)果，其中，2款車型的臺車標(biāo)定試驗(yàn)不滿足要求。不滿足要求的一個試驗(yàn)中，假人頭部評價速度曲線超過評價準(zhǔn)則下限，評價不通過。結(jié)合高速攝像分析原因：臺車標(biāo)定試驗(yàn)中，管柱在臺車被發(fā)射初期發(fā)生瞬間潰縮，后期胸部與之碰撞后方向盤上翻而管柱沒再發(fā)生潰縮，最終導(dǎo)致頭部與氣囊接觸晚約4 ms，及碰撞后期氣囊作用剛度偏大；不滿足要求的另一個試驗(yàn)中，假人胸部前撲速度過快，在假人運(yùn)動的B階段初期評價速度曲線超過評價準(zhǔn)則下限，評價不通過。分析原因：如圖14所示，該車型車身較大，相對車底盤，假人乘坐位置比一般車型高，在臺車上表現(xiàn)較突出。另外，在臺車搭建過程中，車身下面搭建成縱梁下加橫梁結(jié)構(gòu)，將臺車抬高了150 mm。兩個因素最終導(dǎo)致臺車試驗(yàn)初始階段假人前翻強(qiáng)度相對實(shí)車就開始明顯偏大。

圖14 假人乘坐位置與碰撞點(diǎn)間關(guān)系

針對評價不滿足要求的2個車型，實(shí)車驗(yàn)證時試驗(yàn)結(jié)果與臺車最終試驗(yàn)結(jié)果相差較大，相對實(shí)車基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后的約束系統(tǒng)沒有明顯改進(jìn)，大量的臺車試驗(yàn)卻沒能發(fā)揮其應(yīng)有作用。雖然最終按C-NCAP評價已是滿分，只是因?yàn)樵?款車型的傷害值基礎(chǔ)試驗(yàn)時就較低。

通過對5款車型臺車標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的評價，以T006試驗(yàn)推導(dǎo)的評價準(zhǔn)則在當(dāng)前具有嚴(yán)謹(jǐn)性，對臺車試驗(yàn)?zāi)軌蚱鸬揭欢ǖ闹笇?dǎo)。因此，可以推廣使用。另外，約束系統(tǒng)開發(fā)過程中要進(jìn)行大量的仿真研究工作，仿真的模型對標(biāo)與臺車模擬試驗(yàn)的標(biāo)定類似，因此，仿真中也可以采用此準(zhǔn)則對建模結(jié)果進(jìn)行評價。

通過對試驗(yàn)結(jié)果的評價，也指出：為了使臺車標(biāo)定結(jié)果滿足要求，可以通過微調(diào)方向管柱的安裝角度、安全帶的導(dǎo)向環(huán)位置等實(shí)現(xiàn)。另外，為了提高臺車模擬試驗(yàn)的模擬精度，建議在后續(xù)臺車試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)中，將碰撞點(diǎn)的高度設(shè)計(jì)成相對臺車質(zhì)心高度可調(diào)結(jié)構(gòu)。就目前設(shè)備而言，在臺車搭建過程中，應(yīng)盡可能降低假人質(zhì)心相對碰撞點(diǎn)距離。

5 結(jié)論

通過對假人頭部x向所受外力作用加速度和胸部z向加速度進(jìn)行解讀，以及對臺車T006標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，最終得出臺車標(biāo)定試驗(yàn)的評價準(zhǔn)則為：當(dāng)假人頭部在回彈之前、v′xh處于所復(fù)現(xiàn)實(shí)車的vxh±1 m/s范圍內(nèi)，假人胸部在運(yùn)動C階段之前、v′zc處于vzc±0.22 m/s范圍內(nèi)時，臺車標(biāo)定結(jié)果滿足要求。另外，該準(zhǔn)則對仿真的對標(biāo)工作也具有指導(dǎo)意義。