TNO-10型碰撞假人的研制

王欣，马瑞雪，金浩，席梓轩，印炯

（1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401120；2.重庆宇杰汽车设计有限公司，重庆401122；3.上海冠驰汽车安全技术有限公司，上海201601）

TNO-10型碰撞假人的研制

王欣1，马瑞雪1，金浩2，席梓轩2，印炯3

（1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401120；2.重庆宇杰汽车设计有限公司，重庆401122；3.上海冠驰汽车安全技术有限公司，上海201601）

详细阐述主要用于座椅和安全带动态试验的TNO-10型碰撞假人的结构、材料和制作工艺，并以小腿部件为例，论述制作过程，为TNO-10假人的制作提出明确思路。

TNO-10；安全带；动态试验；碰撞假人；制作工艺

1 假人的总体概述

在汽车道路运输中，座椅和安全带作为直接与乘员接触的部件，对乘员安全起到了重要的保护作用。如何验证座椅和安全带的保护性能，目前最直观、最可行的办法就是开展动态碰撞试验。但是在进行座椅和安全带动态试验时，常需要用到作为准确配重用的TNO-10型碰撞假人。当座椅或安全带在试验中失效时会导致该假人直接飞出撞击到地面或者工装上，对假人将造成很大损伤；而现在试验中所用的TNO-10假人均从专门生产碰撞试验用假人的美国HUMANETICS公司进口，价格将近2万美元，并且假人损伤后的维修费用也相当高；而在座椅和安全带设计初期开展的动态研发试验中，样品失效的概率较高，导致碰撞假人的损伤较多，影响假人的使用寿命，从而导致产品研发的试验成本很高。

如果能够国产制作满足标准要求的TNO-10假人，就能避免购买国外昂贵假人、以及购买周期长的问题；同时，如果假人在使用过程中发生损坏，也能够自行维修，降低使用成本。所以研制国产假人可以降低产品试验成本、提高产品设计效率、缩短开发周期，还可以促进国产高端仪器设备的开发水平。国内除我院外，湖南大学、上海冠驰公司也在开展TNO-10假人的研制。

项目组依据与TNO-10假人设计要求相关的标准ECER16[1]（对应国标GB 14166[2]）和TNO-10假人的使用手册[3]，对TNO-10假人的结构、材料和主要部件的制作工艺进行了详细研究。文中提到的假人均指TNO-10假人。

2 TNO-10型碰撞假人的结构研究

TNO-10假人为无上肢的独腿假人，如图1所示，质量约75 kg。本文将假人分为小腿、大腿、躯干、颈和头部等主要部件。通过对进口假人的部件进行扫描，得到假人主要部件的三维模型[4]。

2.1 小腿的结构研究

该假人只有一条小腿。根据标准所示，由三个元件构成：脚底板、薄壁管、膝关节套。薄壁管上覆盖了一层模拟肌肉的聚氨酯材料，一端连着刚性脚板，另一端连着一个钢管。

刚性脚板模拟人的脚，薄壁管模拟小腿的腿骨，另一端的钢管是以膝关节套模拟膝部关节。小腿可以如同正常人一样往后运动，在膝关节套上有两个限位块可限制小腿相对大腿的运动，标准要求小腿从直线位置能向后转动120°。小腿最外层材料为聚氨酯，模拟小腿肌肉皮肤。

在标准中明确规定了小腿骨架的尺寸，但是其内部中钢骨架与肌肉之间的相对位置还是很不清楚。项目组通过查找资料得到假人小腿骨架和肌肉的相对关系，如图2所示。同时完成三维模型[5]，如图3所示。

2.2 大腿的结构研究

TNO-10假人有两条大腿。大腿由三个元件组成：膝关节套、大腿杆、臀轴套。大腿干的两端为模拟臀关节套和膝关节套之间的的钢管。膝关节套是模拟小腿和大腿之间的关节部分。大腿杆是模拟大腿骨，臀轴套是模拟大腿和胯骨之间的关节连接。

通过X光照射来大致确定假人大腿“骨架”和“肌肉”的相对关系，并完成三维模型，如图4所示。

2.3 躯干的结构研究

躯干主要包括为一层模拟肌肉皮肤的聚氨酯材料和钢骨架。钢骨架包括以下元件：模拟躯干和臀部连接的关节部分的臀轴套管，模拟人体脊柱的滚子链、链式连接件，模拟胸骨的钢板，模拟假人脊椎的转动部分，模拟肋骨的钢板，完成三维模型，如图5所示。

2.4 头颈部的结构研究

头部是空心的，内部有一层玻璃钢模拟头骨，外面覆盖一层聚氨酯。颈部由7个模拟颈椎的聚氨酯套环组成。颈部的刚度由躯干结构中的滚子链的张紧程度来调整，滚子链的张紧程度决定了假人的身高，完成三维模型，如图6和图7所示。

2.5 关节及其他部件的结构研究

像真人一样，TNO-10假人也通过关节将部件连接起来。有大腿和小腿连接的膝关节，躯干和大腿连接的臀关节，头部和颈部的颈椎关节，并且对关节之间的摩擦力有严格规定。这些相关关节的部件都有明确、规范的尺寸，按照材料要求选材和加工即可。

除了上述主要部件外，其他部件如张紧器总成、张紧板等标准都有明确规定，并按照标准要求进行制作。涉及到的滚子链、螺栓和螺母等进行外购。图8为最终的假人三维模型示意图。

3 TNO-10型碰撞假人的材料及工艺研究

3.1 材料研究

根据ECER16[1]标准规定，假人的材料主要包括聚氨酯、钢骨架、聚酰氨和聚苯乙烯泡沫。其中最重要的为皮肤肌肉模拟材料即聚氨酯，下面以该材料为例进行研究。

1）密度的测量。假人的皮肤肌肉材料主要为PU123 CH聚合物，硬度为肖氏A50～60。主要使用范围包括假人头部、颈部、假人躯干、肩板、大腿和小腿的覆盖物、躯干配重块。据了解，聚氨酯的密度范围较大。为了能够准确制作假人，需要知道材料的具体密度。利用水溢法测量几个部件的密度，数字略有差异。为了便于调制材料，本项目中将假人皮肤肌肉的密度值进行统一。

2）材料添加剂的研究。调研得知一般聚氨酯材料密度很少能达到该值。为了达到此密度，项目组在全国范围内广为搜索。最后通过多次研制，通过在购置的新型液体聚氨酯材料中添加适量的固化剂[6-7]，可使其密度和硬度均达到和满足ECER16[1]的要求。

3.2 制作工艺研究

3.2.1 假人部件的工艺研究

项目组提出了三种关于假人部件制作工艺的实施方案[8-9]：铝合金模具铸塑成型法、简易铁盒铸塑及数控铣床雕刻成型法和ABS模具成型法。下面以小腿部件为例进行阐述。

1）铝合金模具铸塑成型法。用进口TNO-10假人小腿部件来翻制石膏模，再用石膏模铸造铝合金模具。将小腿骨架固定在模具中，用聚氨酯材料在130℃～140℃的温度下进行发泡处理。优点：外观造型准确；缺点：模具造价高，工期长。

2）简易铁盒铸塑及数控铣床雕刻成型法。用假人小腿部件的三维模型制作简易铁盒模具，将部件骨架固定在模具中适当位置，用聚氨酯材料在130℃～140℃的温度下，在铁盒模具中进行发泡处理。再用数控铣床等设备，按照假人小腿模型的三维数据进行仿型雕铣。优点：模具造价低；缺点：肖氏硬度为50 A的聚氨酯不易雕铣。

3）ABS模具成型法。用小腿部件的三维模型制作ABS模具，将部件骨架固定在模具中适当位置并合模，用聚氨酯材料进行浇注成型，将浇注好的模具放入烤箱内烘烤完成，最后将模具打开取出产品。优点：成本低于铝合金模具，部件外廓精度高；缺点：模具的使用频次较铝合金模具的少。

根据每种方案的特点，综合考虑到成本和假人部件外廓的精确性，最终选用ABS模具成型法。为了解决密度差异带来研制假人部件的质量误差，在利用假人的三维模型制作模具时，在保证TNO-10假人部件尺寸满足标准要求的前提下，通过微调模具的尺寸来保证研制假人的部件质量满足标准要求。

3.2.2 假人部件的制作

下面以假人下腿部件为例，进行制作过程说明。

1）小腿骨架。小腿由三个元件构成：脚底板、薄壁管、小腿膝关节套。按照标准要求，加工了这三个元件并组装焊接完成。如图9所示小腿骨架及整体骨架。

2）小腿外廓。

①开ABS模具。将假人小腿部件分成上下模，数控加工中心利用小腿三维模型的表面数据做出三维模具，如图10所示。之后利用三维模具的数据用减法逐步完成开模，并对模具进行修整、打磨，以确保上下模具贴合紧密和表面光滑，得到如图11所示模具。将脱模剂喷到上下模的表面。

②浇注聚氨酯成品。首先根据X光照片和标准，要求在ABS模具上做好位置支点。再根据假人具体部件的质量要求，将液态浇注料和固化剂按设定的比例倒入一个空桶后搅拌均匀，并抽真空后将材料浇注到模具中。将浇注好的模具放入真空注型机内再抽一次真空，完成后放入烤箱烘烤1 h。烘烤完成后，将上下模打开取出成型出假人小腿部件，见图12。自制假人的小腿部件质量为8.9 kg，满足标准要求的9.0±0.5 kg。

3）参照小腿的制作，分别制作了头颈部、躯干、大腿等部件，并通过组装和标定[10]最终形成实体假人，如图13所示。最后对研制假人的质量、尺寸和质心与标准进行比对分析，均满足标准要求[11]。

Developmentof TNO-10Crash Dumm y

Wang Xin1,Ma Ruixue1,Jin Hao2,XiZixuan2,Yin Jiong3
（1.Chongqing VehicleTest&Research Institute,NationalCoach Quality Supervision&TestCenter,Chongqing 401122,China; 2.Chongqing YujieAutoDesign Co.,Ltd,Chongqing 401122,China; 3.ShanghaiGuanchiAutomobile Safety Technology Co.,Ltd,Shanghai 201601,China)

The authorsput forward thestructuresmaterialsandmanufacture technologiesof TNO-10 crash dummy, and taking the low leg as an example to show themanufacture progress,and provide the clear advice for TNO-10 crash dummymanufacture.

TNO-10;safety belt;dynamic test;crash dummy;manufacture technology

U 463.83+6；U 467.1+2

B

1006-3331（2014）02-0051-03

重庆市质量技术监督局项目“TNO-10型汽车碰撞用测试假人的研究”，项目编号：2010-KY-07

王欣（1972-），女，硕士；副研究员；主要从事汽车被动安全研究工作。