驾驶员侧50%假人约束系统配置5%女性假人伤害研究

商恩义 陈现岭 杨劲松

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

驾驶员侧50%假人约束系统配置5%女性假人伤害研究

商恩义 陈现岭 杨劲松

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

在L车型开发后，进行了3次正面碰撞试验，对基于50%假人开发的约束系统对5%假人的保护效果进行了研究。3次正面碰撞试验分别为驾驶员侧分别为50%假人和5%假人，安全气囊和安全带预紧功能正常起爆；驾驶员侧为5%假人，但安全气囊和预紧功能不起爆。研究结果表明，基于50%假人开发的约束系统，对5%假人的头部和胸部依然具有较好的保护作用，但对5%假人的颈部伤害较重，可通过对安全气囊分级起爆、调整拉带设计等方法进行优化；安全气囊不起爆方法不可取。

1 前言

2013版《欧洲新车评价规程（E-NCAP）》[1]和2012版《中国新车评价规程（C-NCAP）》[2]中，均规定有正面偏置碰撞试验，试验中驾驶员侧假人为50%假人，因此，在约束系统开发过程中两种星级评价单一考虑。但是，E-NCAP组织规划在2015年以后[3]，在ENCAP中增加正面碰撞试验，且试验中驾驶员侧采用5%女性假人；C-NCAP中，当前已经规定有正面碰撞试验，但驾驶员侧为50%假人，且没有调换类型考虑。因此，2015年以后，约束系统开发需要兼顾两者，对开发能力提出新的挑战。

基于此，在某L车型开发后，进行了3次正面碰撞试验：试验1，按C-NCAP要求进行；试验2，驾驶员侧采用5%女性假人，安全气囊和预紧限力式安全带正常点爆；试验3，驾驶员侧采用5%女性假人，安全气囊和预紧限力式安全带不点爆。试验后，综合3次碰撞试验结果，并结合当前后排5%假人考核指标及C-NCAP中指定的评价方法，对基于50%假人开发的驾驶员侧约束系统对5%假人的保护效果进行了研究。

2 安全气囊对头部保护作用

2.1 假人头部HIC分析

在假人头部评价中，女性假人头部性能指标为HIC15；50%假人头部性能指标为HIC36和合成加速度累计3 ms（cum.A3 ms）值，鉴于当前针对50%假人开发的约束系统对50%假人能够完全满足要求，且试验中对后排5%假人头部评价仅仅为HIC值，因此接下来只针对假人头部HIC值进行深入研究。

3次试验中假人头部基于HIC进行评价的得分情况见表1。

表1 3次试验中假人头部得分情况

从表1可知，驾驶员侧为5%假人时，安全气囊对头部同样起到了较好的保护。当碰撞中没有安全气囊时，5%假人头部直接砸到转向盘上，伤害指标超过低性能限值，得零分，即在实际同等强度的碰撞事故中，从头部伤害角度考虑，对女性驾驶员存在致命风险。

2.2 假人头部接触情况

试验1中，依据C-NCAP指定，50%假人座椅位于行程中间位置。对于5%女性假人，C-NCAP和ENCAP中均无规定；在FMVSS208的S16.3节中规定[4]：座椅调节到最前位置，并确保假人膝部与前方最小间隙不小于5 mm，若假人膝部与前方最小间隙不足5 mm，向后调节座椅，保证该间隙。因此，试验2和试验3中，采用FMVSS208[5]中规定对驾驶员侧女性假人进行了调节，将座椅调节到最前位置。此种情况下，女性假人与气囊接触相对较近，而且两种类型假人坐姿下存在身高差异，试验2和试验3中假人头部与气囊接触时间及接触方式与试验1中将完全不同。

试验1中，通过高速摄像和数据分析，确认假人头部与气囊接触时间约为50 ms，截取试验1和试验2中50 ms时刻高速摄像图片如图1和图2所示。

图1中，碰撞进行50 ms时，气囊刚好充满，且与假人鼻子至下巴部位刚好接触，结果理想。

图2中，5%假人乘坐位置相对50%假人靠前12 mm，当气囊在50 ms充满时，已与假人头部发生明显接触，且在胸部与下巴间形成气包，后续碰撞中对头部将产生上托力，进而对颈部产生更重伤害。

2.3 安全气囊对假人头部作用力分配

建立假人坐标系[5]：x为前、后方向，向前为正；y为左、右方向，向右为正；z为上、下方向，向下为正。规定颈部受力：轴向为z向（张力），拉伸为正，压缩为负；前、后横向为x向（剪切力），头向后，胸向前为正。规定颈部弯矩：下巴向胸为正，其负向为伸张弯矩，伸张弯矩为考核指标点。

安全气囊对假人头部作用点和接触时间的差异，将造成气囊对假人头部作用力分配上的差别。考虑假人与气囊接触左右具有对称性，y向作用较小，因此只考虑x向和z向的作用力分配。

对于假人头部受力而言，安全气囊（或转向盘）的作用力为外力，颈部施加的作用力为内力，加速度存在则存在惯性力，依据达朗贝尔原理，则有[8-9]：

转换有：

头部x向和z向加速度、颈部x向剪切力和z向张力在试验过程中可采集得到，另外，50%假人头部质量取4.54 kg[6]，5%假人头部质量取3.73 kg[7]。因此，依据公式（2），可分别计算出试验过程中各假人头部x向和z向所受外力。

分别计算出3次试验中假人头部x向和z向所受外力如图3所示。

图3中，3次试验中撞击力，x向均向后，z向均向上。

试验1中，假人头部与气囊接触时刻（外力出现时刻）约为50 ms，撞击力x向幅值约为2.5 kN，z向幅值约为0.6 kN，作用时间较长，且以x向为主，表明头部几乎是垂直气囊表面砸到气囊上，气囊的总体保护效果较好；试验2中，假人头部与气囊的接触时刻约为20 ms，撞击力x向幅值约为1 kN，z向幅值约为1.5 kN，z向整体作用强度明显高于x向，即气囊对头部作用倾向于垂直向上，表明：在下巴和胸部上端之间有气包作用下几乎表现为沿气囊表面下滑，头部受到向上的托力为主。但对头部保护作用而言，假人头部与气囊接触时间早，强度低，作用时间长，保护效果较好；试验3中在假人头部与转向盘直接碰撞下x向力幅值达到5.9 kN，z向力幅值达到2.3 kN，持续时间约为20 ms，强度高，作用时间集中，加上HIC15值超标，表明对于女性驾驶员，L车没有安全气囊保护使得其安全性不能满足法规要求。

3 安全带对胸部保护作用

当前，E-NCAP试验中没有关于5%假人考核规定。C-NCAP正面碰撞试验中，针对后排5%假人胸部，规定的考核指标为胸部压缩变形量D，最高限值为23 mm，最低限值为48 mm。在FMVSS208中既规定了胸部压缩变形量不得超过52 mm，也规定了胸部合成加速度累计3 ms（cum.A3ms）不应超过60g（g为重力加速度）。因此，根据当前法规规定，对处于驾驶员位置的5%假人胸部伤害研究从胸部压缩变形量和胸部加速度两个方面进行。

3.1 安全带肩带作用对比

根据图4所示3次试验中安全带肩带力曲线，比较预紧限力式安全带对试验1和试验2中不同类型假人的约束差异、试验2和试验3中预紧限力式与限力式安全带对同类假人的约束差异。

图4中，同为限力式安全带，3次试验中安全带肩带力幅值基本一致；同为预紧限力式安全带，试验1和试验2中，安全带肩带力曲线起步时间与上升过程也基本相同；试验3与试验1和试验2相比，起步阶段晚约20 ms，达到目标值时间晚约10 ms；在安全带肩带作用时间上，因假人质量差异，试验1持续时间长约10 ms左右。

3.2 安全带肩带对胸部压缩变形影响

将3次试验中胸部变形量曲线调入图5中。

无论50%假人还是5%假人，其胸部均为弹性结构，存在刚度，如在低速标定合格条件下，50%假人胸部刚度为90～127 kN/m，5%假人胸部刚度为67～88 kN/m[10-12]，因此，在安全带作用力上升且假人胸部基本保持平动阶段，胸部变形量曲线与安全带肩带力作用力曲线存在同步性[13]。图5中，在前50 ms阶段，3条胸部变形量曲线的关系保持着安全带肩带力间的相对关系，但在50 ms之后，随着安全气囊作用或假人运动姿态改变导致安全带作用下胸部刚度发生改变，3条胸部变形量曲线的反应有所不同，其中，试验2中胸部压缩变形量最小，为22 mm，满足所有法规要求，在C-NCAP评价标准下可得满分。试验1和试验3中胸部压缩变形量均超过30 mm。3次试验胸部变形量比较表明，同为预紧限力式安全带约束作用下，安全带对5%假人的约束更好，即5%假人减速更快，与前方安全气囊的冲击小，不会因撞击安全气囊导致胸部肋骨产生更大变形；与限力式安全带相比，预紧限力式安全带因其对5%假人的保护作用早，保护效果更佳。

3.3 安全带肩带对胸部合成加速度影响

将3次试验中胸部合成加速度曲线调入图6中。

图6中，在两种安全带作用下，5%假人的胸部在75 ms前、后均出现了明显峰尖，峰值达到75g左右，而50%假人在预紧限力式安全带及安全气囊作用下整体表现平稳。分析cum.A3ms值，3次试验中，假人胸部cum.A3ms值分别为42.9g、50.7g、59.0g，整体表现均不理想，但对5%假人而言，依然满足了FM⁃VSS208规定的60g限值，但存在超出风险，因此，从cum.A3ms值角度考虑，当前车辆所配的预紧限力式安全带对5%假人也是最佳选择。

4 颈部伤害分析

将驾驶员侧50%假人改为5%假人，安全气囊对假人头部作用的差异、安全带对假人胸部约束作用的变化，将对假人颈部受力和弯矩产生影响。

对于5%假人，无论C-NCAP还是FMVSS208中，都极其关注5%假人颈部伤害。C-NCAP中通过颈部张力Fz进行评价（满分点1.7 kN，零分点2.62 kN），FMVSS208中通过Nij进行评价，Nij通过颈部张力和颈部弯矩进行计算得到，因此，有必要从颈部张力Fz和颈部伸张弯矩（My负值）两方面进行分析。

3次试验中假人颈部张力Fz调入图7中，将颈部弯矩My调入图8中。

图7中，因为有安全气囊的缓冲作用，试验1和试验2的颈部张力Fz值较小，而试验3中由于假人头部直接撞击到转向盘上，产生冲击，幅值达到3.483kN，按C-NCAP评价为零分。

图8中，试验1中颈部伸张弯矩值较小，即当前针对50%假人开发的约束系统对50%假人颈部保护较好；试验2中的伸张弯矩达到50.62 Nm，参照CNCAP中对50%假人颈部伸张弯矩的规定范围42～57 Nm，且考虑5%假人颈部比50%假人颈部更易损伤，如有同类指标规定，值应更低，而试验2中伸张弯矩则明显偏大，应为零分左右；试验3中伸张弯矩为28.54 Nm，能够确保不失分。

图7和图8的结果表明，对于女性驾驶人员，在未配安全气囊的情况下，碰撞中驾驶员颈部易被拉伤；在针对50%假人所开发的安全气囊作用下，由于驾驶员头部上下和左右方向离安全气囊都较近，驾驶员颈部易被折断。

5 优化分析

3次碰撞试验结果的对比研究表明，基于50%假人开发的约束系统，对5%假人的头部和胸部依然具有较好的保护作用，但由于5%假人头部与安全气囊接触过早，对假人头部作用力方向由向后方变为向后上方，因此5%假人的颈部将存在折断风险，但取消安全气囊作用，安全带改为普通限力式安全带，5%假人颈部伸张弯矩会满足要求，但拉伸力较大，因此，出于对女性驾驶人员的保护，现在的安全系统是必要的，但为降低5%女性假人颈部伸张弯矩，当前的约束系统也需要进一步优化。

5%女性假人颈部伸张弯矩偏高主要是头部与安全气囊接触较早所致，因此可以从调整气囊内拉带长度、将安全气囊改为分级起爆、提前安全气囊起爆时间、减少发生器药量等方面进行优化。

当前的试验结果中，50%假人头部伤害指标较低；假人安全气囊对头部的作用力，x向为2.4 kN，z向为1 kN，持续时间为70 ms（见图3），幅值不是很高，但持续时间较长；安全气囊排气孔为2-φ25 mm，拉带为2-320 mm。

上述情况表明，安全气囊的拉带长度有调短空间，且调整安全气囊排气孔和拉带长度最为简单，因此，确定本研发车型优化方案为安全气囊拉带长度改为250 mm，同时，为了降低后期碰撞气囊刚度，同时将排气孔直径改为30 mm。

优化后，针对试验1和试验2分别进行了台车验证试验1和验证试验2，试验结果分别如表2和图9所示。

表2 2次台车验证试验中假人头部得分情况

表2中，安全气囊拉带长度调整后，安全气囊作用偏晚，假人头部的保护效果降低，但无论50%假人还是5%假人，依然可达到满分。

图9中，台车验证试验2中，假人颈部伸张弯矩得到了明显改善，最大值由50.62 Nm降到了41.4 Nm，按50%假人颈部评价标准进行评价，已得满分，虽然勉强，但已可以接受。

6 结束语

针对碰撞试验中驾驶员侧假人由50%假人更换为5%假人情况，通过试验研究，得出如下结论：

a.在无安全气囊及安全带为普通限力式安全带作用下，正面碰撞试验中5%假人颈部拉伸力较大，头部、颈部、胸部各部位伤害均严重。出于对女性驾驶人员的保护，配置安全约束系统是必要的。

b.基于50%假人开发的约束系统，对5%假人的头部和胸部依然具有较好的保护作用，但存在使5%假人的颈部将产生折断风险，该风险可通过调整气囊内拉带长度、将安全气囊改为分级起爆、提前安全气囊起爆时间、减少发生器药量等方法降低，但同时对50%假人的保护效果变弱。

1 European New Car Assessment Program(E-NCAP).(2013-03-01).http//www.euroncap.com.

2 中国新车评价规程（C-NCAP）官方网站.(2013-03-01).http//www.c-ncap.org.

3 Euro NCAP Rating Review-Report from the Rating Group (January 2012).http//www.euroncap.com:12～13.

4 U.S.Department of Transportation,FMVSS NO.208，Occu⁃pant crash protection.USA Washington:66～73.

5 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1:Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron⁃ic Instrumentation,REV.MAR95.USA SAE,2003.

6 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE,1998.

7 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 5thPercentile Female HybridⅢTest Dum⁃my.Version 1998.USASAE,1998.

8 商恩义,张君媛,杨斌, 等.正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究与应用.汽车技术.2010 (10):18～21.

9 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2052: Test Device Head Contact Duration Analysis.USA SAE，1997

10 商恩义,师玉涛,杨劲松,王洪川.正面碰撞试验用50%假人胸部刚度研究.汽车零部件.2013（5）:59～63.

11 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2779.Low Speed Thorax Impact Test Procedure for the HIII 50th male dummy.USA SAE,2007-01.

12 USA National Highway Traffic Safety Admin(USA NHT⁃SA).49CFR572.Thorax assembly and test procedure.USA NHTSA,2002.

13 商恩义,陈晓东,杨斌,等.正面碰撞试验中假人肩带力、胸部加速度与胸位移间关系的研究.汽车技术,2011（2）:22～25.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年9月1日。

Research on 5%Female Dummy Injury on the Driver Side for Restraint System Based on 50%Dummy

Shang Enyi,Chen Xianling,Yang Jinsong
（Great Wall Motor Technology Center,Hebei Auto Engineering Technology Research Center）

To study the protection effect provided by restraint system for the 50%dummy after model L is developed,three frontal impact tests are conducted,which include proper deployment of airbag and seat belt pretensioner with 50%dummy and 5%dummy on the driver side respectively;undeployment of airbag and seat belt pretensioner with 5%dummy on the driver side.Research results indicate that the restraint system developed based on 50%dummy could provide good protection to the head and thorax of the 5%dummy,however it can cause serious injury to the dummy’s neck,this can be optimized by the airbag deploying by stages or adjusting the design of strip etc.

Front impact,2015 E-NCAP,Driver side,5%female dummy,Injury

正面碰撞 2015版E-NCAP 驾驶员侧 5%女性假人 伤害

U461.91

A

1000-3703（2015）03-0047-05