亓 楠，代亞君

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300462)

0 引 言

汽車的駕駛安全性能是很多用戶購車時(shí)首要考慮的問題，如何降低汽車碰撞過程中對乘員的傷害程度一直是汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。自 1952年汽車安全氣囊系統(tǒng)逐步建立之后，1980年預(yù)緊式安全帶與安全氣囊構(gòu)成的汽車約束系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的完善，并開始逐步普及安裝到各個(gè)國家的主流汽車上。隨著汽車安全技術(shù)水平的提高，目前被動(dòng)安全約束系統(tǒng)更是朝智能化方向發(fā)展，能夠根據(jù)碰撞強(qiáng)度、乘員坐姿、安全帶約束情況等參數(shù)實(shí)時(shí)控制氣囊的點(diǎn)火時(shí)間和排氣卸載能力，切實(shí)減少乘員二次碰撞帶來的損傷[1]。

但是乘員的下肢在汽車行駛過程中是處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，安全帶的約束保護(hù)作用不明顯，在發(fā)生碰撞時(shí)，即使儀表板裝配了膝部氣囊也不能避免乘員下肢與內(nèi)飾件碰撞帶來的損傷。《車輛事故深度調(diào)查概論》中相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在汽車各類碰撞事故中，下肢是僅次于頭面部、胸部，最容易受到損傷的部位[2]。乘員下肢包含骨盆、大腿、膝蓋、小腿和腳踝5個(gè)部分，盡管在事故中受傷很少會(huì)危及生命，但是會(huì)造成癱瘓或行走不利，會(huì)給傷員的身體和心理帶來雙重打擊，并且 70%的下肢損傷發(fā)生在正面碰撞中[2]。所以本文把研究重點(diǎn)放在非位離狀態(tài)下發(fā)生前碰撞時(shí)汽車儀表板及相關(guān)部件的吸能結(jié)構(gòu)對乘員下肢的保護(hù)性。

1 乘員下肢損傷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 C-NCAP腿部指標(biāo)

在 C-NCAP實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，目前主要采用HybridⅢ型假人，通過在腿部安裝傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，主要有膝蓋滑移位移、大腿骨軸向壓縮力、脛骨壓縮力、脛骨指數(shù) 4項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)置上限值和下限值，并根據(jù)滑尺比例法確定具體分值。

1.1.1 膝蓋滑移位移

在汽車前碰撞事故中，膝蓋與儀表板撞擊會(huì)造成擠壓變形，當(dāng)撞擊力傳導(dǎo)至膝蓋下方時(shí)，膝蓋受到剪切力作用會(huì)導(dǎo)致十字韌帶損傷，甚至斷裂。所以把膝蓋滑移位移作為表達(dá)膝蓋受到撞擊力沖擊程度的參數(shù)，用 mm 表示，上限值 15mm，下限值 6mm，小于6mm得滿分。

1.1.2 大腿骨軸向壓縮力

在前碰撞中，大腿骨骨折主要是由于受到從膝部傳導(dǎo)來的軸向壓縮力，當(dāng)軸向壓縮力過大時(shí)甚至能引起盆骨骨折，用kN表示，上限值為9.07kN和下限值3.8kN，小于3.8kN得滿分。

1.1.3 脛骨壓縮力

脛骨壓縮力F是指沿小腿軸向傳導(dǎo)來的壓力，可以直接由脛骨處載荷傳感器采集的數(shù)據(jù)獲得，壓力過大能引起小腿脛骨骨折、腳踝脫臼等損傷，用 kN表示，上限值為 8kN，下限值 1.3kN，小于 1.3kN得滿分。

1.1.4 脛骨指數(shù)

脛骨指數(shù)TI是綜合小腿脛骨軸向壓力和彎曲力矩計(jì)算得出式(1)，分為脛骨上部和下部 2個(gè)部分，上限值為2，下限值0.4。

其中，F(xiàn)為脛骨軸向壓力，用 kN 表示；FC為臨界壓縮力，取 35.9kN；MC為臨界合成轉(zhuǎn)矩；Mx為x方向的轉(zhuǎn)矩。

在 C-NCAP的已測試且公布成績的 52款車型中，正面 100%碰撞試驗(yàn)中大腿和小腿部位的平均得分為 1.69分和 1.20分[3]。大部分車型的前碰撞腿部指標(biāo)都有失分情況，并且由于小腿處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更容易失分，目前還沒有獲得滿分的車型。

除此之外，踏板的滑動(dòng)位移也被列為評價(jià)的參考指標(biāo)。當(dāng)踏板的向后滑動(dòng)量小于 100mm時(shí)不扣分，大于 200mm時(shí)扣 1分；當(dāng)踏板的向上滑動(dòng)量小于72mm 時(shí)不扣分，大于 88mm 時(shí)扣 1分。對于中間值，則采用線性插值法計(jì)算得分。

1.2 影響下肢損傷的主要因素

由于腿部在駕駛過程中一直處于自由狀態(tài)，安全帶對腿部的保護(hù)作用不明顯，汽車車身的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、儀表板的緩沖吸能設(shè)計(jì)、腿部空間設(shè)計(jì)、踏板的可潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對腿部的保護(hù)作用更為重要。從汽車部件受到撞擊后的變形情況來看，小腿骨折主要是由于踏板未潰縮導(dǎo)致對脛骨傳導(dǎo)的軸向力過大或在撞擊過程中腳部滑脫踏板夾在踏板下面扭轉(zhuǎn)所致[4]，目前一部分車型采用可潰縮式制動(dòng)踏板，當(dāng)受到外部撞擊力后支架變形，使制動(dòng)桿和踏板分離脫落，從而保護(hù)腳部和小腿。為了避免腳部從踏板滑脫，制動(dòng)踏板的外形尺寸也不能設(shè)計(jì)得太小，并盡可能降低腳部背曲，從而保護(hù)腳踝不會(huì)扭傷。一部分高檔轎車和電動(dòng)汽車采用電子傳感器控制汽車加速、減速和剎車，這樣的設(shè)計(jì)拆除了油門踏板和制動(dòng)踏板及相關(guān)支架和構(gòu)件，更好地優(yōu)化了腿部空間，也提升了對乘員腿部的保護(hù)作用。但是受限于較高的生產(chǎn)成本和傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣，以及電子傳感器的安全穩(wěn)定性、智能化發(fā)展等因素的影響，目前還沒有被廣泛的應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)車型中。

膝部、大腿、骨盆骨折或挫傷主要是由于與儀表板、手套箱的二次碰撞引起的，所以儀表板的安全設(shè)計(jì)、內(nèi)飾組件的吸能結(jié)構(gòu)、膝部安全氣囊的智能匹配也是至關(guān)重要的。通過在儀表板和膝部接觸的部位進(jìn)行材料剛度的仿真實(shí)驗(yàn)可以了解到接觸部位采用略微偏軟的彈性材料能夠有效降低碰撞時(shí)膝部和大腿的接觸力，起到良好的保護(hù)效果。另外，車身前部結(jié)構(gòu)及緩沖吸能性能、乘員室的碰撞變形量以及車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等剛性零件的侵入量也是影響乘員下肢損傷的主要因素。

2 汽車儀表板的安全設(shè)計(jì)

2.1 膝部氣囊的保護(hù)作用和不足

膝部氣囊位于方向盤下方儀表板內(nèi)部，受到碰撞時(shí)，氣體發(fā)生器收到點(diǎn)爆信號進(jìn)行充氣。充氣后氣帶撕開盒體沿儀表板表面進(jìn)行延伸，向上覆蓋小腿和膝蓋，向下覆蓋到腳踝位置，在 30s內(nèi)迅速填充滿腿部與儀表板之間的空隙。

由于腿部與儀表板之間的空隙比較狹窄，膝部氣囊的氣袋大多做成扁平長方形或梯形氣墊狀，容積為12～16L，氣體發(fā)生器的輸出壓強(qiáng)控制在 205～250kPa。其主要的構(gòu)成部件如圖1所示，包含氣囊盒面板、氣袋、氣體發(fā)生器、壓力傳感器、氣囊盒支架及墊片。氣體發(fā)生器是氣囊的核心部件，一般采用迭氮化鈉為燃料，其化學(xué)性能穩(wěn)定，且燃燒后產(chǎn)生氮?dú)?，?40～105℃的溫度區(qū)間都可以正常工作。通過調(diào)整助燃劑比例可以比較容易地控制燃燒速度和充氣量。氣袋要求包裝體積小、面料不易燃燒且耐熱、耐微生物腐蝕；在收到壓力傳感器的信號激勵(lì)后完成充氣，并能快速展開且在整個(gè)碰撞過程中保持一定的剛度，有較好的彈性與較低的空氣滲透性；即使被壓扁也能避免腿部與儀表板直接接觸，尺寸穩(wěn)定。氣袋一般設(shè)計(jì)成多氣室結(jié)構(gòu)，用以限制氣室內(nèi)部氣體的流動(dòng)，從而保證在整個(gè)碰撞過程中都保持一定的剛度，如圖2所示。

圖1 膝部氣囊構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of knee airbag

雖然氣囊能夠有效的保護(hù)乘員腿部，但是由于其制造成本高，目前市場上主流的經(jīng)濟(jì)適用型轎車基本都沒有配備，而且不可重復(fù)利用，氣體發(fā)生器在點(diǎn)爆后或超過使用安全期限后需要整體更換氣囊，維修費(fèi)用較高。

2.2 座椅坐墊氣囊的保護(hù)作用和不足

市場上的一部分高級轎車會(huì)在駕駛員及副駕駛員的座椅坐墊中配備安全氣囊，發(fā)生事故時(shí)該氣囊并不會(huì)彈出來，而是通過充氣改變坐墊的高度，影響乘員的坐姿，以起到保護(hù)作用。在佩戴好安全帶的前提下，充氣后可以讓成員軀干后仰一定的角度來減少與儀表板的接觸傷害，同時(shí)大腿和小腿整體被抬高，避免制動(dòng)桿和踏板對韌帶的損傷。

但是氣囊充氣后不能重復(fù)利用，更換時(shí)要和座椅總成一起更換，維修費(fèi)用較高。

2.3 安全帶氣囊的保護(hù)作用和不足

另外，一些轎車也會(huì)另辟蹊徑，將安全帶與氣囊結(jié)合，發(fā)生事故時(shí)安全帶內(nèi)部進(jìn)行充氣，會(huì)膨脹到原來 5倍的體積，將乘員與座椅固定在一起，以避免二次碰撞帶來的傷害，如圖3所示。

這種安全帶氣囊對乘員的頭部和頸部保護(hù)作用良好，但是對于腿部的保護(hù)作用比較微弱，而且成本較高，不適宜推廣。

2.4 儀表板吸能設(shè)計(jì)方案

在保證儀表板造型面不變的前提下，如果不裝配膝部氣囊，儀表板橫梁和儀表板下板是吸收碰撞能量保護(hù)乘員腿部的主要部件，是優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)。

對儀表板和膝部接觸部位的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用略微偏軟的彈性材料作為吸能塊添加到碰撞變形部位來吸收一部分碰撞能量，具體方案如下：

①在保證儀表板橫梁強(qiáng)度要求和周邊零部件搭載要求的前提下，去掉冗余的粉色支架，見圖4；

②為了避免儀表板受到碰撞力后直接與橫梁接觸，增加了茶色吸能塊，并且為了固定吸能塊，增加了樹脂支架，見圖5；

圖5 增加茶色吸能塊Fig.5 Add brown energy absorbing box

③把儀表板駕駛席下板與氣囊盒面板合成為一個(gè)部件，為了滿足汽車內(nèi)飾造型不變的要求，部件基材采用和原部件相同的樹脂材料，僅對新部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整零件背面加強(qiáng)筋的形狀和厚度來改善零件的強(qiáng)度和變形能力；

④為了提升合成部件的吸能效果，在其兩側(cè)與周邊部件卡接位置處增加了吸能塊；

⑤建立吸能塊的仿真模型，對吸能塊的位置、形狀和材料剛度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬碰撞時(shí)儀表板的受力情況，以選出吸能塊各參數(shù)的最優(yōu)組合；

⑥制作吸能塊樣品，進(jìn)行實(shí)物組裝，檢查生產(chǎn)裝配性能。

作為后續(xù)的研究方案，如果造型可以進(jìn)行少量調(diào)整，在前述方案的基礎(chǔ)上還可以替換新部件表面的基材，采用硬度可調(diào)且回彈性好的TPE材料做表面，采用 PP/PE樹脂做加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過雙色注塑工藝將兩種材料的結(jié)構(gòu)整體加工出來。

這種新型的吸能零件既不影響美觀，也能在最大程度上避免二次碰撞帶來的損傷，且有成本優(yōu)勢，適于推廣。

2.5 實(shí)車前碰撞試驗(yàn)結(jié)果對比

目前耐撞性測試有 3種類型，即零部件試驗(yàn)、臺車試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)。其中實(shí)車碰撞試驗(yàn)是模擬事故程度最高的，其得到的碰撞數(shù)據(jù)對零部件試驗(yàn)、臺車試驗(yàn)同樣有效，實(shí)車碰撞的結(jié)果除了對約束系統(tǒng)有指導(dǎo)意義外，對于儀表板的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也同樣具有指導(dǎo)意義，所以本次采用該方法進(jìn)行校核。下面具體介紹其試驗(yàn)步驟：

①調(diào)整實(shí)車碰撞角度；

②連接氣囊引爆器，設(shè)定引爆時(shí)間；

③安放假人，調(diào)整假人姿勢，系好安全帶，在假人頭部加涂顏料；

④固定各種引線，避免固定不良物品影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

⑤將實(shí)車調(diào)整到發(fā)射位置，調(diào)整高速攝像機(jī)位置，進(jìn)行攝像準(zhǔn)備；

⑥開啟照明設(shè)備，實(shí)車加速設(shè)備進(jìn)行加速準(zhǔn)備；

⑦發(fā)射實(shí)車(速度 48.6km/h，參照 GB11551—2014)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)；

⑧停止后對碰撞后狀態(tài)進(jìn)行拍照、檢查。

對儀表板裝配膝部氣囊和裝配吸能結(jié)構(gòu) 2種方案都進(jìn)行實(shí)車前碰撞測試，下面對碰撞結(jié)果進(jìn)行對比，如表 1所示。對比項(xiàng)目列出了頭、頸、胸部、大腿、小腿在前碰撞測試中的傷害值，有膝部氣囊指優(yōu)化前配置了 D席膝部氣囊的實(shí)車，無膝部氣囊指優(yōu)化后沒有D席膝部氣囊的實(shí)車。

表1 兩種狀態(tài)的實(shí)車前碰撞結(jié)果進(jìn)行對比Tab.1 Comparison of real vehicle frontal impactresults in two states

3 結(jié) 論

從實(shí)車碰撞結(jié)果來看，安裝膝部氣囊對乘員腿部有更好的保護(hù)作用，同時(shí)也能在一定程度上降低駕駛員的頭部傷害值。優(yōu)化吸能結(jié)構(gòu)的儀表板也在很大程度上保護(hù)了乘員腿部，大腿得分為 2分，小腿得分為 1.762，對比其他 52款車型大腿和小腿部位的1.69分和1.20分平均成績，高于市場平均水平。結(jié)合制造成本和維修成本綜合考慮，用吸能結(jié)構(gòu)代替膝部氣囊也是不錯(cuò)的選擇。

目前采用柔性材料制作轉(zhuǎn)向柱蓋板、儀表臺、膝部蓋板等零件也在研討當(dāng)中，比較常見的是在零件外表面包覆發(fā)泡及表皮，以緩解碰撞時(shí)和人體接觸的作用力。但是受到造型及成本限制，并不是所有與人體的接觸的表面都能采用該方法。所以未來的研究方向是采用 TPE等硬度可調(diào)材料制作零件的外表面，配合零件內(nèi)部合理的潰縮吸能結(jié)構(gòu)，來緩解碰撞時(shí)和人體接觸的作用力。