商恩義 鞠春賢 蔣斌慶 王剛

（長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）

1 前言

《歐洲新車評價規(guī)程（Euro-NCAP）》（2013版）中規(guī)定了側(cè)面撞柱試驗，并給出了相關(guān)試驗要求。但2013年Euro-NCAP官網(wǎng)發(fā)布的22款車型試驗結(jié)果中，側(cè)面撞柱試驗的胸部評價無一滿分[1]，其中肋骨變形量是主要失分點。目前，我國沒有相關(guān)法規(guī)規(guī)定側(cè)面撞柱試驗，《中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）》（2012版）和GB 20071中也只規(guī)定了側(cè)面碰撞試驗。

對同一款車而言，側(cè)面碰撞中整個碰撞側(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)面撞柱試驗中假人傷害更嚴重[2～4]。因此，在側(cè)面安全氣囊（SAB）開發(fā)時，在保證側(cè)面碰撞安全性的基礎(chǔ)上必須再進行深度優(yōu)化，以提高側(cè)面撞柱試驗中的評分。目前SAB的開發(fā)方法主要是仿真試驗和側(cè)面臺車模擬試驗，但仿真結(jié)果難以體現(xiàn)約束系統(tǒng)的細小改變，可信度較低，而側(cè)面臺車模擬試驗結(jié)果又與實際情況偏離較多。因此，當需要通過微調(diào)SAB來提高其在側(cè)面撞柱試驗中的保護效果時，很難再依賴仿真或臺車試驗進行優(yōu)化。在這種情況下，可通過對碰撞過程中假人試驗數(shù)據(jù)的綜合分析確認各約束系統(tǒng)的細微影響，為此，本文基于試驗數(shù)據(jù)的分析，對某車型側(cè)面安全氣囊的優(yōu)化方法進行了研究。

2 ES-2假人胸骨架結(jié)構(gòu)及傳感器布置

Euro-NCAP中規(guī)定側(cè)面撞柱試驗時，在駕駛員側(cè)放置ES-2假人，試驗車輛以29 km/h速度與直徑為254 mm的剛性柱進行呈90°角側(cè)面碰撞，評價部位包括假人頭部、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)罩有尼龍護板，背板力Fy反映假人上半身與座椅間的左、右相對運動關(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、右相對運動關(guān)系；腹部力是通過假人側(cè)面的3個條形力傳感器測量，取3個傳感器測量結(jié)果之和對腹部力進行評價。

3 某車型側(cè)面撞柱試驗中側(cè)氣囊保護效果分析

某車型SAB開發(fā)后，按照《中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）》（2012版）的要求進行了側(cè)面碰撞試驗，并按照E-NCAP的要求進行了側(cè)面撞柱試驗。兩試驗結(jié)果中，假人頭部和髖部試驗結(jié)果均較好，胸部和腹部試驗結(jié)果對比見表1。

表1 側(cè)面碰撞試驗與側(cè)面撞柱試驗中假人胸部和腹部試驗結(jié)果對比

由表1可知，側(cè)面碰撞試驗中各部位評分均為滿分，且各測量值均低于高性能限值的50%。而側(cè)面撞柱試驗結(jié)果較差，雖然腹部評分為滿分，但胸部只有0.63分，因此SAB需要進一步優(yōu)化。

3.1 基于肋骨變形量分析

側(cè)面撞柱試驗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，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3根肋骨的保護效果一致，但肋骨變形量超過了高性能限值（22 mm），表明SAB的保護效果并不理想。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，其中上肋骨突變最明顯，最大變形達到38.8 mm，表明隨門內(nèi)飾板的不斷侵入，上肋骨對應(yīng)的氣囊處發(fā)生觸底。

3.2 基于肋骨加速度分析

在側(cè)面碰撞過程中，假人肋骨加速度曲線是假人肋骨空間運動的反映，但在碰撞初期，在假人未發(fā)生明顯移動的情況下，肋骨加速度曲線的變化反映了肋骨相對胸椎的運動情況，進而也反映了該加速度傳感器所在肋骨的受力情況，即當假人與SAB接觸時，如果SAB依然處于展開階段，SAB將對假人肋骨造成沖擊。在SAB的沖擊下，肋骨加速度曲線將產(chǎn)生一個尖峰，且尖峰的上升過程較快，近似垂直上升，因此，該尖峰與橫坐標所圍成的圖形可近似看作直角三角形；當假人與SAB接觸時，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)生一個波峰，但波峰上升的過程相對較慢，該波峰與橫坐標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行分析，即當肋骨加速度曲線的第1個峰近似成直角三角形時，若下肋骨變形量偏大，則應(yīng)提前SAB點火時間來優(yōu)化SAB，避免SAB充氣過程中與假人側(cè)面發(fā)生接觸；當肋骨加速度曲線的第1個峰近似等腰三角形時，若下肋骨變形量偏大，則應(yīng)從降低三角形高度，即降低SAB剛度來優(yōu)化SAB；當肋骨加速度曲線在碰撞后期出現(xiàn)峰尖時，則視為氣囊發(fā)生觸底。當氣囊發(fā)生觸底造成肋骨變形量偏大時，應(yīng)提高氣囊剛度來優(yōu)化SAB。

對于側(cè)面撞柱試驗中3根肋骨變形量均偏大的情況，通過肋骨加速度曲線來分析導致肋骨變形量偏大的原因。側(cè)面撞柱試驗中假人上、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，表明氣囊在充氣過程中與假人側(cè)面發(fā)生碰撞，且碰撞強度較高，導致三角形的“高”也較長，最高達83g。對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個峰尖，屬于異常，是氣囊觸底產(chǎn)生；而上肋骨第2個峰尖較高，達88g，即氣囊觸底嚴重。

綜合分析3根肋骨加速度曲線可知，碰撞前期，SAB充氣過程中假人與氣囊發(fā)生接觸；碰撞后期，假人上肋骨位置對應(yīng)的氣囊觸底嚴重。

3.3 基于腹部力分析

該車型初步設(shè)計的SAB具有對乘員胸部側(cè)面和腹部側(cè)面共同保護的功能。側(cè)面撞柱試驗后，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變緩；在約50 ms后，腹部力開始減小。整個碰撞過程中，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；碰撞約50 ms后，上肋骨對應(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)飾板的撞擊強度得到明顯緩解。

4 優(yōu)化方案

對該車型試驗中假人肋骨變形量、肋骨加速度曲線、腹部受力等分析表明，在當前SAB配置下，碰撞過程中門內(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SAB的深度優(yōu)化應(yīng)從兩方面考慮:一是提高SAB胸部保護剛度，平均上、中、下肋骨變形程度。目前情況下，因假人與SAB接觸時SAB正處于充氣過程，因此中、下肋骨的最大變形量達27.29 mm，已經(jīng)高于高性能限值，但如果通過提前氣囊點火時間來降低這2根肋骨的變形量，則碰撞后期氣囊觸底將更加嚴重，因此不能將提前氣囊點火時間作為優(yōu)化方案。另外，降低氣囊剛度的方法也不可取，因當前的氣囊在碰撞過程中已經(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低于27 mm，故3根肋骨的最大變形量目標應(yīng)為30 mm。二是增大腹部分擔撞擊力的比重，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的力越大越好，即略低于腹部力高性能限值（1 kN）為最佳。

無論何種優(yōu)化方案，前提是在C-NCAP側(cè)面碰撞試驗中假人損傷無明顯加重，至少確保當前側(cè)面碰撞中得分不會降低，即氣囊的優(yōu)化要在不降低中國星級評價等級的情況下進行。

在提高SAB剛度（提高假人與SAB接觸時的撞擊強度）以及直接提高假人腹部受力的情況下，都會導致側(cè)面碰撞試驗中假人局部傷害增加。但由表1可知，該車型在按照C-NCAP中的要求進行試驗時，假人胸部和腹部各傷害值均較小，遠低于高性能限值的1/2，因此，僅適當提高當前SAB剛度，即使假人某些部位的傷害會有所增加，但對C-NCAP的評價不會產(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)生器為標準系列產(chǎn)品，通過調(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，加之碰撞過程中門板侵入后的分隔作用，所以通過減小排氣孔尺寸來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SAB的剛度相對較易，但要犧牲某些部位的保護功能。綜合考慮各因素，最終確定優(yōu)化方向為縮短氣袋長度，即減小SAB對腹部的保護作用，讓腹部下端與侵入的門內(nèi)飾板直接發(fā)生撞擊，同時提高氣囊剛度，增大氣囊在碰撞過程中對乘員胸部側(cè)面的推力。結(jié)合當前SAB與腹部的對應(yīng)位置，最終確定優(yōu)化方案為將SAB下端縮短80 mm。

5 優(yōu)化后SAB的保護效果分析

5.1 優(yōu)化后SAB在側(cè)面撞柱試驗中的保護效果

根據(jù)SAB優(yōu)化方案加工出樣件，優(yōu)化前、后樣件對比結(jié)果見圖5。經(jīng)測量，優(yōu)化后SAB容積為14.8 L，比優(yōu)化前（15.5 L）減小0.7 L。對優(yōu)化后的SAB保護效果進行了仿真試驗驗證，結(jié)果表明，SAB減小0.7 L后對假人的保護效果沒有任何變化。對優(yōu)化后的SAB進行了實車側(cè)面撞柱試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 SAB優(yōu)化后側(cè)面撞柱試驗中前排假人胸部和腹部試驗結(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，達到目標值；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)面撞柱試驗中腹部力曲線對比結(jié)果如圖7所示。

由圖6可看出，3條曲線整體變化趨勢及幅值都較接近，表明碰撞過程中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個峰，說明此次試驗中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個峰值略低于氣囊作用階段產(chǎn)生的第1個峰值。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增加，高于當前值；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增加，也會高于當前值，即當前的SAB剛度比較合適。

由圖7可看出，SAB優(yōu)化后的側(cè)面撞柱試驗中，腹部力在整個碰撞階段均高于優(yōu)化前試驗結(jié)果，尤其在SAB作用階段，所承擔抗撞擊作用得到明顯提升。雖然在60 ms后因保護腹部的氣囊下端被剪短了80 mm，氣囊發(fā)生觸底，導致腹部力異常上升，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，表明整個側(cè)面受力達到了較好的平衡，氣囊優(yōu)化基本達到最佳狀態(tài)。

5.2 SAB優(yōu)化后對側(cè)面碰撞結(jié)果的影響

SAB優(yōu)化前、后側(cè)面碰撞試驗中假人胸部和腹部試驗結(jié)果對比見表3。

表3 SAB優(yōu)化前、后側(cè)面碰撞試驗中假人胸部和腹部試驗結(jié)果對比

由表3可知，SAB優(yōu)化后側(cè)面碰撞試驗結(jié)果較好，與SAB優(yōu)化前的側(cè)面碰撞試驗結(jié)果相比，腹部力提高了0.17 kN，同時下肋骨變形量增大，上肋骨變形量減小，與SAB優(yōu)化前、后側(cè)面撞柱試驗結(jié)果相一致。但需要強調(diào)的是，雖然SAB優(yōu)化后假人有些部位的傷害有所增加，但仍遠低于相應(yīng)部位的高性能限值，對試驗結(jié)果的評價沒有產(chǎn)生影響。

6 結(jié)束語

在試驗數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，通過對某車型SAB的深度優(yōu)化研究得出如下結(jié)論:

a.在對約束系統(tǒng)進行深度優(yōu)化時，與仿真和臺車試驗相比，數(shù)據(jù)分析方法更具有靈活性和可信度；

b.在針對肋骨變形量進行優(yōu)化時，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)面所分擔的撞擊力，以使乘員側(cè)面損傷綜合評價得分最高。

1 European New Car Assessment Program:Pole Side Impact Testing Protocol(version5.2,November 2011)[S/OL].http//www.euroncap.com:1～2.

2 Euro NCAP Rating Review Report from the Rating Group(January 2012)[S/OL].http//www.euroncap.com:11～12.

3 European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)Offi?cial Web[S/OL].(2013-11-01).http//www.euroncap.com

4 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.汽車側(cè)面碰撞的乘員保護,GB 20071—2006.北京:中國標準出版社，2006.

5 中國汽車技術(shù)研究中心(天津).C-NCAP管理規(guī)則（2012年版）[S/OL].(2013-06-20).http//www.c-ncap.org.

6 劉靜波.某轎車側(cè)面碰撞被動安全性仿真分析與試驗研究:[學位論文].長春:吉林大學，2012.

7 Humanetics Innovative Solutions,User’s Manual for Euro?SID-250tf percentile side impact Crash Test Dummy(Janu?ary 2007)[S/OL].Web:www.humaneticsatd.com:15～16.

8 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1:Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron?ic Instrumentation,REV.MAR95[S].USA SAE,2003.