李策園，林德強(qiáng)，唐輝堯

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，浙江寧波 315336)

基于膝蓋模型的汽車內(nèi)飾件強(qiáng)度試驗(yàn)研究

李策園，林德強(qiáng)，唐輝堯

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，浙江寧波 315336)

汽車內(nèi)飾件是汽車被動(dòng)安全中直接與乘員接觸的部分，其性能的好壞直接影響汽車對(duì)于乘員的保護(hù)。對(duì)被動(dòng)安全中膝蓋與儀表板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了影響內(nèi)飾件性能對(duì)乘員膝蓋保護(hù)的影響因素，并提出了內(nèi)飾件的改進(jìn)方案。

汽車內(nèi)飾件；膝蓋模型；沖擊試驗(yàn)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量快速增長(zhǎng)，截止2015年我國(guó)汽車保有量已經(jīng)達(dá)到了1.7億輛，交通事故隨之相應(yīng)增加，乘員受到二次碰撞傷害的概率越來(lái)越大。汽車內(nèi)飾件在汽車碰撞事故中直接與乘員接觸，內(nèi)飾件的性能好壞直接影響到乘員的人身安全，因此需要格外重視內(nèi)飾件性能。

我國(guó)從2009年1月1日起強(qiáng)制實(shí)施了GB 11552-2009《乘用車內(nèi)部突出物》。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主機(jī)廠和零部件廠的汽車內(nèi)部部件進(jìn)行了嚴(yán)格要求，目的就是盡量降低在汽車與乘員發(fā)生二次碰撞過(guò)程中儀表板對(duì)乘員的傷害。為此，各大主機(jī)廠和零部件廠在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)仿真手段來(lái)研究?jī)x表板特性，優(yōu)化儀表板結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)借助試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)來(lái)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，最終使內(nèi)飾件的性能能夠滿足對(duì)于內(nèi)部乘員的保護(hù)要求。

1 汽車內(nèi)飾件

汽車內(nèi)飾件是汽車上重要的功能件與裝飾件，作為汽車上功能件的載體，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)飾件采用的是薄壁結(jié)構(gòu)，同時(shí)又必須考慮到其使用的剛度問(wèn)題，因此汽車內(nèi)飾件是汽車上比較復(fù)雜的零部件。設(shè)計(jì)汽車內(nèi)飾件時(shí)首先要滿足汽車對(duì)于其他功能件的安裝要求，同時(shí)還必須考慮其安裝后與汽車內(nèi)部其他部件之間的和諧美觀，更重要的是要滿足安全要求。

1.1 內(nèi)飾件的分類

汽車內(nèi)飾件根據(jù)其結(jié)構(gòu)和使用材料的不同，可以分為硬質(zhì)和軟質(zhì)內(nèi)飾件兩大類。硬質(zhì)內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用直接注塑成型，由同一種材料構(gòu)成其主體部分，多使用在載貨汽車及客車上，一般不需要表皮材料。軟質(zhì)內(nèi)飾儀表板使用多種材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上可以分為表層、緩沖層和骨架3個(gè)部分，軟質(zhì)內(nèi)飾件的常用材料有PU、PP、ABS/PVC合金等，多用于轎車上。還有一種內(nèi)飾件是由鋼板沖壓成型再焊接、涂裝制造而成，鋼質(zhì)儀表板外層包覆人造革后制成軟包儀表板、木質(zhì)儀表板等。

1.2 內(nèi)飾件的功能要求

在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，內(nèi)飾件是汽車內(nèi)部主要的零部件，很多汽車上的功能件，例如音響開關(guān)鍵、空調(diào)開關(guān)鍵、多媒體部件等都安裝在內(nèi)飾件上，所以在強(qiáng)度上要求內(nèi)飾件不僅能承受各種儀表和音響設(shè)備以及管線接頭的負(fù)荷，而且在前擋風(fēng)玻璃透射過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱引起的高溫下保持良好的剛度。從安全角度考慮，儀表板必須具有吸收沖擊能量、防眩和良好的熱穩(wěn)定性。為了達(dá)到上面的要求，對(duì)內(nèi)飾件的要求如下：

(1)結(jié)構(gòu)上滿足安裝儀表、管路和雜物等需要的剛度要求，同時(shí)能抵抗一定的沖擊；尺寸穩(wěn)定性好，不會(huì)由于太陽(yáng)光輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作用產(chǎn)生變形、失效、使用精確度降低等現(xiàn)象。

(2)內(nèi)飾件外觀上有適當(dāng)?shù)难b飾性，格調(diào)優(yōu)雅，給人寧?kù)o舒適的感覺。

(3)使用過(guò)程中的耐久性好，耐冷熱，耐沖擊，耐光照，使用壽命10年以上。

(4)環(huán)保方面，制造內(nèi)飾件的主要原料與輔助材料均不得含鎘等對(duì)人體有害的物質(zhì)；同時(shí)不允許產(chǎn)生使窗玻璃變模糊的揮發(fā)物。

(5)從碰撞安全角度來(lái)看，內(nèi)飾件在受到一定能量沖擊而破損時(shí)，破損處應(yīng)為韌性斷裂，不得有危及乘員或?qū)е鲁藛T嚴(yán)重傷害的危險(xiǎn)物飛濺出來(lái)。

2 沖擊試驗(yàn)

2.1 膝蓋模擬裝置

針對(duì)汽車與乘員二次碰撞試驗(yàn)中發(fā)生的乘員膝蓋與汽車前部?jī)?nèi)飾件發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，為評(píng)價(jià)人體膝蓋受到傷害的程度，設(shè)計(jì)了一個(gè)人體膝蓋模擬裝置。該裝置前部是圓形結(jié)構(gòu)，仿照膝蓋的形狀，其質(zhì)量為5 kg，該試驗(yàn)沖擊模塊見圖1。將該模擬沖擊頭安裝在導(dǎo)向設(shè)備上，對(duì)汽車前部圍板和儲(chǔ)物箱蓋板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)而得出產(chǎn)品優(yōu)化的方案，零部件廠商在產(chǎn)品研發(fā)制造的過(guò)程中可參考提出的優(yōu)化方案。

圖1 膝蓋模擬裝置

2.2 膝蓋沖擊內(nèi)飾件沖擊試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)要求

(1)試驗(yàn)中調(diào)整車頭底部支撐，使試驗(yàn)樣件保持在汽車正常的行駛狀態(tài)下，模擬汽車發(fā)生碰撞時(shí)膝蓋和儀表板的撞擊過(guò)程。

(2)試驗(yàn)要求通過(guò)Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人來(lái)確定試驗(yàn)膝部沖擊點(diǎn)的位置，根據(jù)H點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整假人位置；調(diào)整好假人位置后，將假人沿水平方向向前移動(dòng)，使假人的膝蓋與汽車內(nèi)飾件接觸，在內(nèi)飾件儀表板上確定對(duì)應(yīng)駕駛員和前排乘員左、右膝蓋碰撞測(cè)試點(diǎn)的位置。確定膝蓋沖擊點(diǎn)為P1、P2、P3、P4，然后用40 cm×40 cm的正方形標(biāo)記該撞擊點(diǎn)所在的撞擊區(qū)域。

(3)在沖擊器上安裝經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的加速度傳感器。模擬沖擊試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

(1)按照試驗(yàn)要求將安裝了內(nèi)飾件的車身前部切割件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，然后將沖擊器的沖擊模塊裝在沖擊器的發(fā)射裝置上。

(2)連接傳感器，并進(jìn)行傳感器通信自檢，設(shè)置發(fā)射裝置的參數(shù)，將沖擊器的速度設(shè)定為18 km/h(5 m/s)。

(3)移動(dòng)沖擊器，將沖擊頭移至內(nèi)飾件的碰撞測(cè)試位置。

(4)設(shè)備歸位，并記錄試驗(yàn)前內(nèi)飾件碰撞位置的狀態(tài)，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后記錄碰撞位置的試驗(yàn)后狀態(tài)和測(cè)試點(diǎn)的加速度值，更換試驗(yàn)處的內(nèi)飾件，對(duì)點(diǎn)P1、P2、P3、P4按照步驟(2)—(5)進(jìn)行試驗(yàn)。

更換P2處的內(nèi)飾件，在點(diǎn)P2處安裝軟緩沖塊，然后對(duì)P2處按照步驟(2)—(5)進(jìn)行試驗(yàn)；更換P2處的內(nèi)飾件，在點(diǎn)P2處安裝硬緩沖塊，然后對(duì)P2處按照步驟(2)—(5)進(jìn)行試驗(yàn)。P2處試驗(yàn)位置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)沖擊位置

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.3.1 分析指標(biāo)

選取點(diǎn)P2進(jìn)行試驗(yàn)分析，分別在點(diǎn)P2處沒有安裝緩沖塊、安裝軟緩沖塊、安裝硬緩沖塊等3種情況下進(jìn)行試驗(yàn)，緩沖塊如圖4所示。由于碰撞的能量要保持一致，故需要將膝蓋模擬沖擊頭設(shè)置為相同的試驗(yàn)條件：試驗(yàn)沖擊速度為5 m/s，沖擊器加速距離為320 mm，飛行距離為220 mm。此外，此試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中相對(duì)濕度保持在(40±30)%、溫度保持在(20±4)℃。

圖4 吸能緩沖塊

對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)判定指標(biāo)主要有：

(1)峰值減速度。峰值減速度值是試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的加速度絕對(duì)值的最大值，反映的是實(shí)際碰撞過(guò)程中，駕駛員膝蓋部位受到內(nèi)飾件的最大傷害烈度，是個(gè)瞬時(shí)值。峰值減速度的大小是表明傷害程度的重要指標(biāo)。

(2)3 ms持續(xù)作用減速度峰值。相較于峰值減速度，它是一個(gè)積分量，即為一段連續(xù)且持續(xù)超過(guò)3 ms的減速度較大值的積分。根據(jù)作者的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)分析得知，3 ms持續(xù)作用減速度峰值更能反映出對(duì)人體的傷害值，它與撞擊力的作用時(shí)間相關(guān)，即3 ms持續(xù)作用減速度峰值越大則對(duì)駕駛員膝蓋的傷害值也越大。

(3)最大侵入量。即碰撞過(guò)程中，沖擊頭從接觸到內(nèi)飾蓋板開始到內(nèi)飾件凹陷最大，開始回彈時(shí)的位移，反映了實(shí)際碰撞過(guò)程中的內(nèi)飾件吸能過(guò)程，跟內(nèi)飾件的材料、結(jié)構(gòu)、位置、安裝有關(guān)，故能夠反映出內(nèi)飾件材料的剛度。最大侵入量評(píng)價(jià)材料吸能性能的優(yōu)劣以及內(nèi)飾件到剛性結(jié)構(gòu)之間的吸能空間是否合理。

(4)作用時(shí)間。作用時(shí)間可以從加速度時(shí)間歷程曲線中得到，作用時(shí)間越長(zhǎng)，則說(shuō)明這些碰撞能量在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)被吸收，過(guò)程更加平緩，對(duì)于乘員的傷害就更小。

2.2.3.2 數(shù)據(jù)分析

如圖5所示：在沒有裝置緩沖塊的狀態(tài)下，碰撞點(diǎn)P2處沖擊頭的最大減速度為43.1g，同時(shí)3 ms持續(xù)作用峰值減速度為38.7g。從圖5還可以看出：撞擊部位未產(chǎn)生危及乘員或?qū)е鲁藛T嚴(yán)重傷害的危險(xiǎn)物，但是出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明此時(shí)剛度過(guò)大。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能有兩點(diǎn)：(1)內(nèi)飾件材料本身的脆性過(guò)大；(2)吸能空間太小。針對(duì)以上出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題，選取了兩種吸能緩沖塊安裝在膝蓋撞擊處的內(nèi)飾件里面，緩沖塊如圖4所示。

圖5 點(diǎn)P2處沒有裝置緩沖塊試驗(yàn)后狀態(tài)

在安裝硬質(zhì)緩沖塊的狀態(tài)下，對(duì)點(diǎn)P2進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，對(duì)比分析的結(jié)果如圖6所示：碰撞點(diǎn)P2處沖擊頭的最大減速度為29.8g，同時(shí)3 ms持續(xù)作用的峰值減速度為24.6g。特別的一點(diǎn)是，安裝緩沖塊后撞擊過(guò)程延遲30 ms才開始作用。這說(shuō)明安裝緩沖塊后，P2碰撞點(diǎn)相對(duì)于沖擊頭的距離增大，換算后增大了150 mm，這個(gè)距離就增加了乘員在車輛發(fā)生碰撞時(shí)的安全距離。在試驗(yàn)中，可以通過(guò)調(diào)整飛行距離補(bǔ)償沖擊頭的發(fā)射速度，以達(dá)到能量的統(tǒng)一。

安裝軟質(zhì)緩沖塊，對(duì)點(diǎn)P2進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，對(duì)比分析的結(jié)果如圖6所示。安裝緩沖塊后，內(nèi)飾件的乘員保護(hù)性能得到了很大的提升。具體來(lái)說(shuō)，峰值減速度和3 ms峰值減速度下降了20g左右，下降幅度達(dá)到了45%之多，所以安裝緩沖塊后，在碰撞過(guò)程中內(nèi)飾件對(duì)于駕駛員的膝部傷害也將大幅度地減小，起到了保護(hù)人體的作用。

從圖6還可以看出：在安裝軟質(zhì)緩沖塊的狀態(tài)下，碰撞點(diǎn)P2處沖擊頭的最大減速度為25.1g，同時(shí)3 ms減速度為21.3g，減速度值要比硬質(zhì)緩沖塊時(shí)的小，但是軟緩沖塊的侵入量要比硬緩沖塊的侵入量大。侵入量大容易導(dǎo)致內(nèi)飾件撕裂，這就要求內(nèi)飾件有一定的強(qiáng)度。安裝軟緩沖塊降低了內(nèi)飾件對(duì)乘員作用的減速度，同時(shí)增加了內(nèi)飾件的抗撕裂性。

圖6 點(diǎn)P2處3次試驗(yàn)曲線

3 內(nèi)飾件安全性能優(yōu)化

膝蓋與內(nèi)飾件的碰撞模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)后撞擊部位不得有危及乘員或?qū)е鲁藛T嚴(yán)重傷害的危險(xiǎn)物飛濺出來(lái)?；谶@個(gè)目標(biāo)，通過(guò)分析碰撞試驗(yàn)中的加速度變化，研究整個(gè)碰撞變形吸能過(guò)程后得出以下幾點(diǎn)優(yōu)化方案：

(1)改進(jìn)內(nèi)飾件的材料，降低脆性，提高韌性，力求內(nèi)飾件在碰撞試驗(yàn)中是潰縮式吸能而非破裂式吸能。

(2)增加蓋板，或者在內(nèi)飾件后部加裝檔條，以實(shí)現(xiàn)二次碰撞，增加峰值數(shù)目，使得吸能過(guò)程劇烈程度減小。例如在膝部接觸點(diǎn)后面連接焊接沖壓金屬支架，在沖擊過(guò)程中，達(dá)到其彎曲屈服點(diǎn)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)二次吸能峰值。

(3)在內(nèi)飾件后部加裝硬度合適的緩沖塊，以減緩沖擊峰值。這個(gè)吸能塊的形狀可進(jìn)一步設(shè)計(jì)以達(dá)到更好的吸能效果。

4 結(jié)論

通過(guò)此次膝蓋沖擊內(nèi)飾件的模擬沖擊試驗(yàn)，找到了一種減小內(nèi)飾件在二次碰撞中對(duì)人體膝蓋傷害的方法，并且提出了乘用車內(nèi)飾件吸能性能改進(jìn)方案。不足之處是，此試驗(yàn)中緩沖塊的硬度值跟吸能效果的關(guān)系還未確定，這需要后續(xù)進(jìn)行更多的對(duì)比試驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。最好是能找到一種可擬合的線性或者非線性關(guān)系，為零部件廠家汽車內(nèi)飾研發(fā)提供參考。

【1】郭超，徐家川.汽車儀表板前圍結(jié)構(gòu)及附件的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)之友,2010(4):121-122. GUO C,XU J C.The Design of Forehead Structures and Parts Fitting for Fascia Panels[J].Friend of Science Amateurs,2010(4):121-122.

【2】趙濤，柴黎明.汽車儀表板設(shè)計(jì)及制造[J].客車技術(shù)與研究，2010,32(6):34-36. ZHAO T,CHAI L M.Design and Manufacturing of Vehicle Fascia[J].Bus Technology and Research,2010,32(6):34-36.

【3】劉偉萍.儀表板總成性能分析及優(yōu)化[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

【4】王樹杰.轎車儀表板的動(dòng)態(tài)性能及頭部碰撞分析[D].沈陽(yáng):東北大學(xué)，2012.

【5】譚立國(guó).儀表板的設(shè)計(jì)安全性[J].汽車工程師,2001(3):17-20. TAN L G.Design Safety of Instrument Panel[J].Auto Engineer,2001(3):17-20.

Experimental Study on the Strength of Automotive Interior Panel Based on Knee Model

LI Ceyuan, LIN Deqiang,TANG Huiyao

(China Automotive Technology & Research Center，Ningbo Zhejiang 315336,China)

Automotive interior trim panel is part of automotive passive safety in direct contact with the occupant, its performance has a direct impact on the automotive occupant protection. Impact test between knee and the automotive interior trim panel was made. According to the test results, the factors affecting interior trim performance to occupant knee protection were analyzed, and relevant improved program was present.

Automotive interior trim panel; Knee model; Impact test

2016-11-17

李策園(1987—)，男，碩士，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全等。E-mail：1002856086@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.004

U467.3

B

1674-1986(2017)03-014-04