低速碰撞的安全气囊点火时刻分析方法的研究

郭庆祥，李 新，张 斌，董传林，彭昌坤，郭九大

(北京汽车股份有限公司研究院，北京 101300)



2015194

低速碰撞的安全气囊点火时刻分析方法的研究

郭庆祥，李 新，张 斌，董传林，彭昌坤，郭九大

(北京汽车股份有限公司研究院，北京 101300)

整车安全性能应同时满足NCAP体系的要求和中低速碰撞的乘员保护要求。本文中从车体碰撞强度和乘员伤害的角度出发，利用MADYMO软件优化气囊点火时刻，为气囊标定提供参考；同时总结了低速碰撞的乘员伤害评价限值，使乘员在不同的碰撞工况下都能得到最佳保护。

安全气囊；低速碰撞；仿真；乘员伤害；点火时刻

前言

车辆在进行气囊点火时刻标定时，须要完成大量的低速碰撞试验，耗费大量的人力和财力[1]。目前采用的点火算法大多采用速度变化量法、加速度峰值法或功率变化率法等，这几种方法主要考虑车体的碰撞强度，忽略了低速碰撞时乘员保护的影响，可能造成低速碰撞时气囊早点火、晚点火、误点火等情况，进而导致气囊在点爆状态下比不点爆时对乘员的伤害更大，甚至低速碰撞的伤害值比高速碰撞伤害值更高。

1 点火时刻分析方法

1.1 点火时刻算法

(1) 速度变化量法

通过对加速度信号进行积分运算得到碰撞过程中的速度变化量，当速度变化量大于预先设定的阈值时就发出点火指令。

(2) 加速度峰值法[2]

通过测量汽车上的加速度信号，当加速度达到预定的阈值时就点爆气囊。由于加速度信号变化较快，而且与汽车结构的振动有关，容易受到干扰。

(3) 功率变化率法(文献[2]中称比功率法)

对碰撞中的动能求导得到功率，再求导得到功率变化率。

(4) 127mm—30ms准则

在车体碰撞过程中，当驾驶员气囊完全充满气体时，驾驶员面部正好与气囊接触，同时驾驶员头部前移动127mm时刻的前30ms为气囊的最佳点火时刻。其依据是大多数轿车驾驶员头部到转向盘上轮缘的距离约为17英寸(431.8mm)，气囊充满气的厚度约为12英寸(304.8mm)，气囊从点火到充满的时间约为30ms,因此，确定乘员前移5英寸(127mm)这一时刻的前30ms为最佳点火时刻。

目前大多数主流车型的头部(指驾驶员头部，下同)到转向盘上轮缘的距离在390～480mm范围内，气囊厚度为270～335mm，气囊完全充满时间为30～35ms，基本符合以上准则。

头部相对车体的位移为

ΔD=Dh-Dv=∫(v0-∫a0dt)dt-∫(v0-

∫avdt)dt=∫∫(av-a0)dtdt

(1)

式中：Dh为驾驶员头部相对地面的位移；Dv为车辆相对地面的位移；av为车体碰撞加速度；a0为乘员头部X向加速度；v0为车体碰撞初速度。

碰撞发生时，由于惯性，头部运动滞后于车体的运动，在气囊充满时刻前，可近似认为头部相对车体的位移量为0，故可根据车体碰撞波形计算出最佳点火时刻。

1.2 分析方法

依据内饰造型和乘员舱的布置建立MADYMO仿真模型，根据实车试验的假人伤害曲线对仿真模型进行验证，并对约束系统参数进行优化，在约束系统参数达到最优状态下，根据车体碰撞波形确定最佳点火时刻，以此为基准，调整不同工况下的气囊点火时刻，根据伤害值来综合匹配目标点火时刻，其流程见图1。

1.3 气囊标定试验工况

12～15km/h FRB(100%刚性碰撞)

15～16km/h AZT(刚性偏置碰撞)

23～25km/h FRB(100%刚性碰撞)

32～35km/h FAB(30°角度碰撞)

32～35km/h FPB(中心柱碰撞)

40km/h ODB(可变形壁障偏置碰撞)

40km/h FSB(钻入碰撞)

50km/h FRB(100%刚性碰撞)

56km/h ODB(可变形壁障偏置碰撞)

64km/h ODB(可变形壁障偏置碰撞)

2 基于某车型低速点火时刻分析

2.1 基础仿真模型

根据驾驶舱布置的几何参数，利用MADYMO软件定义A柱、搁脚板、加速踏板、座椅、转向盘、仪表板和转向管柱等多刚体的位置[3]。

ODB工况中提取左、右B柱和后备箱传感器数据进行计算，获取加速度；其余工况提取左B柱X向加速度。

对气囊进行标定试验前，一般会进行高速碰撞结构摸底试验，故可根据50km/h FRB和56km/h ODB实车试验数据对仿真模型进行拟合验证，验证曲线如图2和图3所示。

2.2 基于车体碰撞波形确定最佳点火时刻

某车型50km/h FRB试验结果见图4，因头部运动延迟，在60ms前头部绝对位移可近似为0，故头部相对车体的位移量近似为车体加速度的两次积分；从图中找出头部相对车体运动127mm的时刻，在此时刻上提前30ms即为最佳点火时刻。

对于本车型，通过对气囊标定基础试验中获取B柱下端传感器的X向加速度并进行积分，获得各个工况下的最佳点火时刻如表1所示。

表1 各工况气囊点火时刻分析 ms

2.3 气囊目标点火时刻确定

通过分析气囊点爆速度阈值，以最佳点火时刻为基准，在-10～+10ms的范围内以步长2～3ms对点火时刻进行优化，达到降低不同工况下的胸部伤害值[4]，同时保证气囊不被头部砸穿，最终通过伤害值的大小确定目标点火时刻。

根据大量的碰撞事故统计数据，配置安全带和气囊时，国内外一般规定:车速在20km/h以下发生正面碰撞时，气囊不点爆；车速大于30km/h发生正面碰撞时,气囊必须引爆。20～30km/h属于点火模糊区，因此，须分析23km/h速度时气囊不点爆时的伤害值情况。仿真结果见图5。由图可见，气囊不点爆时，头部撞到转向盘上，风险较大，因此，碰撞速度为23km/h时气囊必须点爆。

根据表1，利用模型计算获得仿真结果，如图6和图7所示。

中低速碰撞中，胸部压缩量随点火时刻的提前而减小，头部没有砸到转向盘的现象；

50km/h FRB工况下，点火时刻提前容易导致头部撞到转向盘上，气囊保护效果降低；点火时刻延迟，气囊冲击作用导致胸部伤害增加；

64km/h ODB工况下气囊点火时刻提前，胸部容易砸透气囊撞到转向盘上导致胸压增大；点火时刻延迟，气囊对胸部的冲击作用增大导致胸部压缩量增大；

若该车型的低速胸部压缩量要求小于22mm，那么考虑到仿真与试验值的差异，则认为仿真中23km/h FRB工况下的胸部压缩量要求为24.8mm，而40km/h ODB工况下胸部压缩量要求为21.7mm；

高速碰撞点火时刻根据假人胸部压缩量和头部与气囊的接触情况来确定。

综上分析，可确定该车目标点火时刻，见表2。

表2 低速碰撞目标点火时刻

2.4 目标点火时刻验证

表3为不同工况下气囊在目标点火时刻起爆获得的仿真结果，因胸部压缩量的仿真结果比试验值大13%，故在目标点火时刻起爆时，低中速碰撞的伤害都低于NCAP高性能值，乘员能得到最佳保护；对高速碰撞，除胸部压缩量外其余伤害都满足NCAP低性能值要求，且胸部压缩量接近低性能值，说明气囊在目标点火时刻起爆对不同工况下的乘员都能起到最佳保护效果。

从表3看出，对于中低速碰撞，点火时刻越早，胸部压缩量越小，点火时刻早于最佳点火时刻时，乘员能得到最佳保护；对高速碰撞，点火时刻提前，容易导致头部或胸部砸穿气囊，撞到转向盘，保护效果降低；而点火时刻延迟，气囊的冲击作用导致胸部伤害增加，为保证乘员受到最佳保护，避免气囊的冲击伤害，要求实际点火时刻为最佳点火时刻或略早于最佳点火时刻，不允许晚于最佳点火时刻。

3 基于点火时刻的伤害评价标准

根据提出的低速目标点火时刻优化方法，对多款车进行点火时刻匹配优化，并对优化后的假人伤害进行统计，总结出低速碰撞的伤害值的限制要求，结果见表4。其统计的车型中包括微型车、SUV、小型车和中型车。

表4 低速碰撞的乘员伤害的限值要求

4 结论

提出了一种低速碰撞点火时刻分析方法，可有效提高仿真分析的效率，同时结合仿真分析结果可以确定目标点火时刻，不仅对气囊标定试验具有重要的参考意义，又可降低气囊标定试验次数，缩短周期，降低研发成本。

统计不同车型的气囊标定假人伤害结果，确定了中低速碰撞中假人伤害限值要求。

[1] 郑祖丹,俞晶鑫.乘用车安全气囊匹配中的误作用试验研究[J].质量与标准化,2011,10:37-41.

[2] 殷文强,王玉龙,徐盼盼,等.汽车安全气囊点火算法综述[J].汽车工程学报,2013,3(2):79-87.

[3] 万薇薇.汽车乘员约束系统仿真分析快速评价程序开发与应用[D].长春:吉林大学,2011.

[4] 中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则(2012)[S].2012.

A Study on the Ignition Timing Analysis Methodof Safety Airbag in Low-speed Impact

Guo Qingxiang, Lin Xin, Zhang Bin, Dong Chuanlin, Peng Changkun & Guo Jiuda

R&DCenter,BAICMotorCorporationLtd.,Beijing101300

The vehicle safety performance should meet both the NCAP system requirements and the occupant protection requirements in medium and low speed impacts. In this paper, starting from the angles of vehicle body crashworthiness and occupant injury, the ignition timing of airbag is optimized by using software MADYMO, providing references for airbag calibration. In addition, the limits of occupant injury evaluation in low-speed impacts are summarized, assuring the best occupant protection in different crash conditions.

safety airbag; low-speed impact; simulation; occupant injury; ignition timing

原稿收到日期为2015年7月2日，修改稿收到日期为2015年8月10日。