劉燦燦，劉偉東，何成

正碰中駕駛員側(cè)膝部氣囊對(duì)乘員損傷影響研究

劉燦燦，劉偉東，何成

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

為了研究正面碰撞中駕駛員側(cè)膝部氣囊對(duì)乘員傷害的影響，結(jié)合26次碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)配置膝部氣囊以及沒(méi)有配置膝部氣囊的10款車(chē)的13次對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)假人損傷進(jìn)行了研究。分析了數(shù)據(jù)庫(kù)的車(chē)型分布，分別分析了假人的頭部、胸部以及大腿、小腿各部位的損傷情況，采用加權(quán)損傷準(zhǔn)則（WIC）研究方法，對(duì)配置膝部氣囊以及沒(méi)有配置膝部氣囊的假人損傷進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果表明，由于膝部配置的氣囊，使假人頭部和胸部的損傷減??；大腿壓縮力以及膝位移有所增加；小腿力有所增加，但是脛骨系數(shù)有所下降；假人整體的WIC值降低了3.54%。對(duì)正面碰撞中駕駛員側(cè)膝部氣囊對(duì)假人損傷的影響研究，為膝部氣囊的開(kāi)發(fā)以及現(xiàn)有膝部氣囊的改進(jìn)優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

膝部氣囊；碰撞試驗(yàn)；安全帶；乘員損傷

隨著汽車(chē)安全技術(shù)的提高，安全帶、安全氣囊等被動(dòng)安全約束系統(tǒng)產(chǎn)品日益豐富，出現(xiàn)了可變限力安全帶、多級(jí)氣體發(fā)生器、可變剛度安全氣囊等半智能化約束系統(tǒng)配置，使得正面碰撞中乘員的頭部和胸部傷害明顯降低，但這些配置并沒(méi)有明顯地降低乘員下肢的傷害[1]。雖然下肢的傷害并不會(huì)對(duì)駕駛員和乘員的生命造成威脅，但是卻容易造成長(zhǎng)期的傷害甚至終身殘疾，后續(xù)治療費(fèi)用高昂，影響生活的幸福指數(shù)，給事故的受害者帶來(lái)生理和心理雙重傷害[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的大腿部位的傷害發(fā)生在正碰事故中，而其中1/2的傷害指數(shù)超過(guò)AIS2級(jí)[3]。各國(guó)的正面碰撞法規(guī)都對(duì)大腿、小腿部位的傷害做出了相應(yīng)的規(guī)定，比如C-NCAP中的4個(gè)指標(biāo)：大腿力、膝部位移、小腿壓縮力以及脛骨系數(shù)，這些指標(biāo)對(duì)大腿以及小腿部位進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

為了改善碰撞中大腿、小腿部位的得分，各大廠商主要從兩方面改進(jìn)他們的車(chē)型：①采用帶有填充材料的護(hù)膝板，在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)分散接觸力，減少正面碰撞時(shí)對(duì)下肢的傷害；②安裝膝部氣囊（KAB），在正碰中展開(kāi)的膝部氣囊（KAB）有助于控制傷害的嚴(yán)重程度以及控制下肢的運(yùn)動(dòng) 過(guò)程。

膝部氣囊雖然起步較晚，但其與常見(jiàn)的安全氣囊組成類(lèi)似，由碰撞傳感器、電子控制系統(tǒng)、觸發(fā)裝置、氣體發(fā)生器和氣袋組成[4]。膝部氣囊的作用是在發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)乘客膝部的安全，避免了膝部與面板的直接碰撞，緩沖膝部因沖擊產(chǎn)生的位移慣性。其工作原理為，當(dāng)傳感器檢測(cè)到車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，氣體發(fā)生器就會(huì)點(diǎn)火發(fā)生爆炸反應(yīng)，產(chǎn)生氣體并充滿氣袋，乘客與氣袋接觸時(shí)，通過(guò)緩沖吸收碰撞能量，從而保護(hù)乘客[5]。

膝部氣囊成本較高、技術(shù)難度大，尚未在國(guó)內(nèi)普及，相關(guān)的研究方法也比較少[6]。為了研究正面碰撞中膝部氣囊對(duì)乘員損傷的影響，本文分析了10款車(chē)的26個(gè)正面碰撞試驗(yàn)，其中13個(gè)沒(méi)有配置膝部氣囊，另外13個(gè)為對(duì)應(yīng)的同款車(chē)型而且配置了膝部氣囊，以此分析膝部氣囊對(duì)假人損傷的影響。

1 車(chē)輛配置參數(shù)分析

本文采用碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，分析正面碰撞中配置膝部氣囊以及沒(méi)有配置膝部氣囊的同一款車(chē)型的碰撞試驗(yàn)，分析膝部氣囊對(duì)假人損傷的影響。為了避免單次試驗(yàn)的偶然性，分析時(shí)本文采用的是近幾年的10款車(chē)的26次試驗(yàn)。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，配置有膝部氣囊的車(chē)輛中SUV占了很大的比例，在本文采用的試驗(yàn)中，SUV以及轎車(chē)的占比如圖1所示。

圖1 車(chē)型占比圖

從圖1可以看出，SUV的占比達(dá)到了80%以上，轎車(chē)的占比只有15%左右。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)是隨機(jī)選取，從中可以看出近年來(lái)SUV車(chē)輛在市場(chǎng)中的占比在不斷增加。

分析試驗(yàn)中，都配置有駕駛員前部氣囊，其在試驗(yàn)中都進(jìn)行了正常點(diǎn)爆，由于分析的是正面試驗(yàn)，其余側(cè)氣囊等在正面碰撞試驗(yàn)中沒(méi)有起作用，對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的損傷影響忽略不計(jì)，因此本文不進(jìn)行考慮，只分析駕駛員側(cè)膝部氣囊對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的損傷影響。

2 車(chē)內(nèi)乘員損傷情況分析

為了分析膝部氣囊對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的損傷影響效果，本節(jié)通過(guò)對(duì)比分析來(lái)研究沒(méi)有配置膝部氣囊以及配置膝部氣囊的車(chē)內(nèi)乘員的損傷情況。研究表明，正面碰撞中駕駛員的頭部、胸部和下肢是主要傷害部位[7]。C-NCAP作為國(guó)內(nèi)新車(chē)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其影響力以及權(quán)威性都是巨大的[8]。本文主要對(duì)C-NCAP中對(duì)假人的考核部位進(jìn)行了分析，分別對(duì)頭部、頸部、胸部、大腿、小腿五個(gè)部分進(jìn)行了對(duì)比分析，由于C-NCAP對(duì)每一部位都有多個(gè)考核項(xiàng)，接下來(lái)對(duì)各個(gè)部位進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 頭部損傷分析

正面碰撞時(shí)，車(chē)輛由于壁障的阻礙會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，假人由于慣性會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，撞到氣囊上，雖然氣囊對(duì)頭部起到了一定的保護(hù)作用，但是在正面碰撞中還是會(huì)對(duì)頭部造成一定的損傷。

C-NCAP中對(duì)于頭部的評(píng)價(jià)，主要參考其值以及 3 ms合成加速度值。

為頭部傷害指標(biāo)（Head Injury Criterion），有時(shí)也稱(chēng)頭部性能標(biāo)準(zhǔn)（Head Performance Criterion）。這個(gè)指標(biāo)是與頭部加速度的時(shí)間歷程相關(guān)的，其計(jì)算方式如下，取所有結(jié)果中的最大值[9]：

式（1）中：2－1為如果能夠確定頭部起始接觸時(shí)刻，則1和2為2個(gè)時(shí)刻，單位為s，表示頭部接觸起點(diǎn)與記錄結(jié)束2個(gè)時(shí)刻之間的某一段時(shí)間間隔，在該時(shí)間間隔內(nèi)值應(yīng)為最大；為合成加速度。如果不能確定頭部起始接觸時(shí)刻，則1和2為2個(gè)時(shí)刻，單位為s，表示記錄開(kāi)始與記錄結(jié)束2個(gè)時(shí)刻之間的某一段時(shí)間間隔，在該時(shí)間間隔內(nèi)值應(yīng)為最大，2－1≤36 ms。

駕駛員頭部以及3 ms合成加速度值如圖2所示。

從圖2可以看出，配置膝部氣囊和沒(méi)有配置膝部氣囊的車(chē)輛，駕駛員的頭部損傷相差不大，但是配置膝部氣囊的駕駛員的以及3 ms合成加速度值要稍小于沒(méi)有膝部氣囊的乘員。頭部值降低1.61%，3 ms合成加速度降低0.65%，可見(jiàn)，膝部氣囊對(duì)頭部起到了一定的保護(hù)作用，但是保護(hù)效果有限。

2.2 頸部損傷分析

C-NCAP中對(duì)于駕駛員頸部的評(píng)價(jià)，主要參考其頸部伸張力、剪切力以及頸部彎矩，駕駛員的頸部損傷如圖3所示。

圖3 駕駛員頸部損傷值圖

從圖3可以看出，配置膝部氣囊的車(chē)輛，其駕駛員的正向伸張力增加，負(fù)向伸張力、剪切力以及對(duì)軸的彎矩減小。

2.3 胸部損傷分析

C-NCAP中對(duì)于駕駛員胸部的評(píng)價(jià)主要參考其胸部 3 ms合成加速度、胸部位移以及值。

其中，為黏性指標(biāo)，是由胸骨的即時(shí)壓縮量和變形率的乘積算出，這2個(gè)值都從測(cè)量的胸部變形量得出。其中：

（）=（）/0.229

式（2）中：（t）為對(duì)時(shí)間的變形量，m；t為測(cè)量變形量的時(shí)間間隔，s，最大值為1.25×104。

（·）（t）=1.3[（t）·（t）]，（·）max=max[（·）（t）]

駕駛員的胸部損傷值如圖4所示。

圖4 駕駛員胸部損傷值圖

從圖4可以看出，配置有膝部氣囊的車(chē)輛，其胸部損傷值相比沒(méi)有膝部氣囊的來(lái)說(shuō)，損傷值下降，3 ms合成加速度下降5.78%，胸部位移由27.57 mm降低到24.7 mm，下降了10.41%?？梢?jiàn)膝部氣囊對(duì)胸部起到了一定的保護(hù)作用，減小了胸部的損傷。

從以上分析可以得出，由于車(chē)輛配置了膝部氣囊，駕駛員頭部以及胸部的損傷值減小，其原因可能為膝部氣囊展開(kāi)，阻止了駕駛員向前運(yùn)動(dòng)，使駕駛員胸部與車(chē)內(nèi)飾之間的接觸時(shí)間延遲，駕駛員側(cè)安全氣囊有更充足的時(shí)間展開(kāi)，更好地保護(hù)頭胸部，導(dǎo)致?lián)p傷值減小[10]。

2.4 大腿損傷分析

C-NCAP中對(duì)于駕駛員大腿的評(píng)價(jià)主要考核其大腿力以及膝位移，其損傷值如圖5所示。從圖5可以看出，配置膝部氣囊的車(chē)輛，其駕駛員大腿壓縮力以及膝位移相比沒(méi)有配置膝部氣囊的車(chē)，其損傷值增大。左大腿力增加了4.44%，左膝位移增加了42.2%；右大腿力增加了5.33%，右膝位移增加20.61%?？梢?jiàn)，膝部氣囊的配置導(dǎo)致大腿力以及膝位移增加。

圖5 駕駛員大腿損傷值圖

配置膝部氣囊以及沒(méi)有配置膝部氣囊的左、右大腿力曲線趨勢(shì)如圖6和圖7所示。

圖6 左大腿力受力情況

圖7 右大腿力受力情況

從圖6、圖7可以看出，配置膝部氣囊的車(chē)由于碰撞時(shí)刻膝部氣囊打開(kāi)，使得大腿更早地接觸到氣囊，其受力達(dá)到最大值的時(shí)刻要比沒(méi)有膝部氣囊的早；而且由于其更早接觸膝部氣囊，導(dǎo)致其損傷值也較大。

2.5 小腿損傷分析

C-NCAP中對(duì)于駕駛員小腿的評(píng)價(jià)主要分析其小腿壓縮力以及脛骨系數(shù)，其中脛骨系數(shù)分為上脛骨系數(shù)和下脛骨系數(shù)，其損傷值如圖8所示。

圖8 駕駛員小腿損傷值圖

從圖8可以看出，有膝部氣囊的車(chē)，小腿壓縮力增加，左小腿壓縮力上升了38.76%，右小腿壓縮力上升了33%；上下脛骨系數(shù)減小，左小腿上脛骨系數(shù)降低6.25%，下脛骨系數(shù)下降9.38%，右小腿上脛骨系數(shù)降低10.2%，下脛骨系數(shù)降低8.82%。

3 加權(quán)損傷準(zhǔn)則

為了更好地分析各傷害值對(duì)假人的影響，此處利用加權(quán)損傷準(zhǔn)則（Weighted Injury Criterion，WIC）來(lái)評(píng)估假人的損傷，公式為：

式（3）中：為乘員頭部損傷指標(biāo)；3 ms為頭部累計(jì)3 ms合成加速度峰值；3 ms為胸部累計(jì)3 ms合成加速度峰值；為乘員胸部壓縮位移量；FL和FR為乘員大腿軸向壓縮力。

13次對(duì)比試驗(yàn)的值如圖9所示。

圖9 13次對(duì)比試驗(yàn)的WIC值

13次對(duì)比試驗(yàn)中膝部氣囊對(duì)整體值有改善的試驗(yàn)為8次。從圖9還可以看到，第6次試驗(yàn)中，有膝部氣囊以及沒(méi)有膝部氣囊的值相差比較大，膝部氣囊對(duì)假人整體值降低起了很大的作用。而從第11次試驗(yàn)中可以看出膝部氣囊使得假人整體值有所增加，氣囊對(duì)改善值起了反作用，其膝部氣囊需要進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)改善假人整體值。經(jīng)計(jì)算，有膝部氣囊的值平均為0.436，而沒(méi)有膝部氣囊的值平均為0.452，值降低了3.54%，可見(jiàn)膝部氣囊對(duì)整體值有一定的提升。

4 總結(jié)

由于碰撞時(shí)膝部氣囊展開(kāi)，阻止了駕駛員向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其頭部以及胸部接觸車(chē)內(nèi)飾的時(shí)間延遲，從而保證安全氣囊有更充足的時(shí)間展開(kāi)，對(duì)頭部和胸部起到了很好的緩沖作用，更好地保護(hù)頭部、胸部，導(dǎo)致其損傷值減??；由于膝部氣囊的存在，使得駕駛員的腿部更早地接觸到氣囊，受到氣囊給腿部的一個(gè)力，其大腿力和膝位移的損傷值增加；膝部氣囊給大腿的接觸力通過(guò)膝蓋沿著脛骨/腓骨向下傳遞，而腳部受到踏板等的阻礙，傳遞受阻，導(dǎo)致小腿壓縮力增加，但是小腿脛骨系數(shù)由于膝部氣囊的安裝而有所下降。小腿壓縮力最多上升了38.76%，脛骨系數(shù)最多降低了10.2%。

用加權(quán)損傷準(zhǔn)則對(duì)假人整體損傷情況進(jìn)行評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，由于安裝了膝部氣囊，假人整體WIC值降低了3.54%。

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2095－6835（2020）06－0046－03

U491.61

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.015

劉燦燦（1991—），女，研究生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)被動(dòng)安全。

〔編輯：張思楠〕