正面碰撞安全带约束系统保护效果的研究

洪　亮，葛如海，周海超，刘　玺

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)



正面碰撞安全带约束系统保护效果的研究

洪亮，葛如海，周海超，刘玺

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

摘要：为对比在正面碰撞中，不同安全带预紧器及其组合、不同载荷限力器的各限力等级对驾驶员安全性的影响，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了某型轿车驾驶员约束系统仿真模型，并经试验验证。仿真结果显示：安装卷收器与带扣双预紧器、带扣预紧器以及卷收器、带扣与锚点三预紧器分别能使驾驶员头部伤害指标HIC36、髋部合成加速度a以及左、右大腿力F(left)、F(right)降至最低值360.35、418.03 m/s2、2 018.34 N、1 245.21 N；当未安装预紧器时，HIC36、胸部3 ms合成加速度T3MS、上颈部剪切力(负值)F(x-)、上颈部轴向力(正值)F(z+)、F(left)、F(right)以及a分别到达最大值634.73、401.45 m/s2、739.46 N、1 625.24 N、3 323.43 N、3 102.55 N以及482.76 m/s2；当卷收器载荷限力器的限力等级逐渐减少时，T3MS、F(x-)、F(z+)以及胸部压缩量Thpc都逐渐降低，但F(right)逐渐增大；当锚点载荷限力器的限力等级逐渐减少时，F(left)、F(right)、F(x-)都呈上升的趋势。上述结果进一步扩展了安全带预紧器与载荷限力器的研究范围，为新型安全带约束系统的研制提供了理论依据。

关键词：正面碰撞；预紧器；载荷限力器；驾驶员；保护效果

0前言

在汽车发生碰撞时，安全带是乘员约束系统中最重要的保护装置[1]。从1975年至2007年间，在美国，安全带共挽救了24万多名乘员(4岁以上)的生命[2]。相关研究表明佩戴三点式安全带能够使前排乘员的死亡几率降低45%，中等伤害的几率降低50%[3]。美国交通运输部前部长Rodney Slater坦言：在美国，挽救成人生命最简单有效的措施是使用安全带[4]。交通事故分析表明当乘员未佩戴安全带时，即使是低速碰撞(20 km/h)也可能造成死亡；然而当乘员佩戴三点式安全带时，95 km/h以下的高速碰撞未出现死亡事故[5]。安全带预紧器能够在碰撞发生的一瞬间，拉紧安全带织带，从而消除织带的松弛量，将乘员紧紧地束缚在座椅上，有效保护乘员的安全。载荷限力器在碰撞过程中会适时地释放出一定量的织带，从而使安全带对乘员的约束力维持在限定等级以下，减轻胸部与肋骨受到的压力。

文献[6]研究了在乘用车US-NCAP 56 km/h完全正面碰撞中，卷收器预紧器，带扣预紧器，卷收器、带扣双级预紧器对驾驶员伤害的影响。文献[7]、[8]提出了应用新型离合机构的安全带卷收器预紧器，并研究了在碰撞中其对驾驶员伤害的影响。文献[9]提出了一种利用双摆线齿轮机构实现预紧作用的新型卷收器预紧器。文献[10]研究了卷收器预紧器预紧力的传递过程，以及在力传递过程中的预紧力损失情况。文献[11]调查了在乘用车正面碰撞事故中，是否安装卷收器载荷限力器与驾驶员死亡率的关系。上述针对乘用车碰撞中预紧器与载荷限力器的研究存在以下不足：有的仅考虑卷收器预紧器，带扣预紧器，卷收器、带扣双级预紧器三种预紧器形式对驾驶员伤害的影响；有的仅考虑卷收器载荷限力器一种限力器形式对驾驶员伤害的影响。因此，本文扩展了先前预紧器与载荷限力器对驾驶员保护的研究，在碰撞速度为50 km/h的正面碰撞中，分别分析了8种预紧器形式、不同限力等级的卷收器载荷限力器、以及不同限力等级的锚点载荷限力器对驾驶员伤害的影响。

1仿真分析模型的建立及验证

为实现研究目标，以某型轿车驾驶员区域相关尺寸及性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO 建立50 km/h正面碰撞驾驶员约束系统仿真模型，如图1所示。此仿真模型包括车内环境模型、转向系统模型、安全气囊模型、Hybrid Ⅲ男性第50百分位椭球假人模型、三点式混合安全带模型以及各部件特性、接触的定义等[12]。碰撞载荷为2015版C-NCAP 50 km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞载荷。

三点式混合安全带模型主要由卷收器、带扣、锚点、高度调节器、有限元安全带、多体安全带、载荷限力器以及预紧器组成，并根据实际情况确定安全带的走向与连接关系。相比于多体安全带，有限元安全带能够更加准确地模拟安全带在假人模型表面上不同方向的滑动，因此在与假人有接触的安全带部分使用有限元安全带，其他与假人无接触的部分则采用多体安全带。安全带织带刚度为12%，即织带受到11 200 N的拉力时，织带的相对延伸率为12%[13]。此时，载荷限力器以及预紧器均仅安装于卷收器位置，即为卷收器载荷限力器与卷收器预紧器。本文利用MADYMO中的LOAD_LIMIT_PAIR命令定义卷收器载荷限力器的限力等级为5 000 N，即安全带对驾驶员的约束力达到5 000 N时，限力器起作用，从卷收器中放出一定量的安全带，缓解安全带对驾驶员胸部与肋骨的压力；利用BELT_PRETENSIONER.PAYIN_TIME命令定义卷收器预紧器的特性为在碰撞发生14 ms后，预紧器在5 ms内拉回60 mm的安全带[14]。

(a) 三维图

图1正面碰撞驾驶员约束系统仿真模型

Fig.1The simulation model of frontal collision driver restraint system

所建立的正面碰撞仿真模型计算获得的驾驶员假人头部、胸部、髋部伤害响应曲线与实车试验获得的假人各部位伤害响应曲线的对比图如图2所示。图2显示试验与仿真得到的假人头部、胸部、髋部加速度曲线在起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽方面拟合得较好。仿真获得的假人各部位伤害指标与试验的对比如表1所示。从表1可以看出，虽然仿真计算得到的假人各部位伤害指标与试验结果存在一定误差，但误差均小于10%。因此，可将此仿真模型作为基本模型进行深入研究[15]。

(a) 头部X方向加速度对比

(b) 头部Z方向加速度对比

(c) 胸部X方向加速度对比

2不同预紧器形式对驾驶员保护效果的分析

依据预紧器是否安装及安装位置，预紧器可分为无预紧器(W/o)、安装于卷收器位置的卷收器预紧器(R)、安装于带扣位置的带扣预紧器(B)、安装于锚点位置的锚点预紧器(A)4种形式，带扣预紧器与锚点预紧器的预紧特性与卷收器预紧器相同，即都在碰撞发生14 ms后，在5 ms内拉回60 mm的安全带。将卷收器预紧器(R)、带扣预紧器(B)、锚点预紧器(A)两两组合可组成卷收器与带扣双预紧器(RB)、卷收器与锚点双预紧器(RA)、带扣与锚点双预紧器(BA)；全部组合可组成卷收器、带扣与锚点三预紧器(RBA)。以下利用所建立的仿真模型，分析上述8种预紧器形式对驾驶员的保护效果。不同预紧器形式对驾驶员伤害的影响见表2所示。

表2　不同预紧器形式对驾驶员伤害的影响

2.1头部伤害指标HIC36

由表2可知，驾驶员在卷收器与带扣双预紧器的保护下，HIC36处于最小值360.35；在卷收器、带扣与锚点三预紧器的保护下，HIC36处于次小值393.92；当未安装预紧器时，HIC36处于最大值634.73；当分别安装锚点预紧器、卷收器与锚点双预紧器、带扣预紧器以及带扣与锚点双预紧器时，HIC36分别为506.02、433.04、452.68与465.51。相比于安装卷收器预紧器的原始情况，当安装卷收器与带扣双预紧器时，HIC36降低了21.77%；当安装卷收器、带扣与锚点三预紧器时，HIC36降低了14.23%；当未安装预紧器时，HIC36增大了38.20%；当安装锚点预紧器时，HIC36增大了10.17%；其余情况下，HIC36变化不大。综上，卷收器与带扣双预紧器对驾驶员头部的保护效果最佳，三预紧器次之；当未安装预紧器时，头部受到的伤害最大。

2.2胸部3 ms合成加速度T3MS

由表2可知，当未安装预紧器时，T3MS达到最大值401.45 m/s2，当安装带扣预紧器时，T3MS为次大值363.56 m/s2，两者相比于安装卷收器预紧器的原始情况，T3MS分别上升了18.69%、7.49%；当安装其他形式的预紧器时，T3MS变化不大。上述表明当未安装预紧器时，胸部所受到的伤害最大，带扣预紧器对胸部的保护效果不佳；其他预紧器形式对胸部的保护效果差异不大。

2.3胸部压缩量Thpc

由表2可知，相比于安装卷收器预紧器的原始情况，当分别安装带扣与锚点双预紧器、卷收器与带扣双预紧器以及带扣预紧器时，Thpc分别为32.25 mm、32.89 mm与33.79 mm，Thpc都有了明显的下降，下降幅度分别为15.22%、13.54%、11.17%；当未安装预紧器时，Thpc为38.98 mm，略有上升；其余情况下，Thpc都有一定程度的下降。可见安装带扣与锚点双预紧器、卷收器与带扣双预紧器以及带扣预紧器有利于降低Thpc。

2.4上颈部剪切力(负值)Fx-

由表2可知，当未安装预紧器时，Fx-达到最大值739.46 N，当安装卷收器与锚点双预紧器、卷收器、带扣与锚点三预紧器、锚点预紧器、卷收器与带扣双预紧器时，Fx-各为643.15 N、641.55 N、631.85 N与578.31 N。相比于安装卷收器预紧器的原始情况，当未安装预紧器时，Fx-的上升幅度达42.24%；当分别安装卷收器与锚点双预紧器、卷收器、带扣与锚点三预紧器、锚点预紧器、卷收器与带扣双预紧器时，Fx-的上升幅度各为23.71%、23.41%、21.54%与11.24%；当安装其他形式的预紧器时，Fx-变化不大。由此可见，当未安装预紧器时，Fx-将到达峰值；安装卷收器与锚点双预紧器、卷收器、带扣与锚点三预紧器、锚点预紧器、卷收器与带扣双预紧器不利于降低Fx-；安装带扣预紧器、带扣与锚点双预紧器以及卷收器预紧器有助于降低Fx-。

2.5上颈部轴向力(正值)Fz+

由表2可知，当未安装预紧器时，Fz+达到最大值，此时相比于安装卷收器预紧器的原始情况，Fz+由1 100.65 N增至1 625.24 N，增大了47.66%；当安装其他形式的预紧器时，Fz+间的差异不明显。可见未安装预紧器时，上颈部轴向力(正值)Fz+达最大；安装其他形式的预紧器对Fz+的影响差异不大。

2.6左、右大腿力Fleft、Fright

由表2可知，当安装卷收器、带扣与锚点三预紧器时，Fleft、Fright都为最小值，分别为2 018.34 N、1 245.21 N；当未安装预紧器时，Fleft、Fright都为最大值，分别为3 323.43 N、3 102.55 N；当分别安装带扣与锚点双预紧器、卷收器与锚点双预紧器时，Fleft各为2 193.65 N、2 621.78 N，Fright各为1 995.68 N、2 345.36 N。相比于安装卷收器预紧器的原始情况，当安装卷收器、带扣与锚点三预紧器时，Fleft、Fright分别降低了33.86%、33.88%；当未安装预紧器时，Fleft、Fright分别上升了8.9%、11.18%；当安装带扣与锚点双预紧器、卷收器与锚点双预紧器时，Fleft各降低了28.12%、14.09%，Fright各降低了15.96%、28.49%。综上，卷收器、带扣与锚点三预紧器对驾驶员左、右大腿的保护效果最佳；带扣与锚点双预紧器、卷收器与锚点双预紧器也能够为左、右大腿提供较好的保护；当未安装预紧器时，左、右大腿受到的伤害最大。

2.7髋部合成加速度a

由表2可知，当安装带扣预紧器时，a为最小值418.03 m/s2，当未安装预紧器时，a为最大值482.76 m/s2。相比于安装卷收器预紧器的原始情况，当安装带扣预紧器时，a降低了7.56%，未安装预紧器时，a则上升了6.75%,当安装卷收器与锚点双预紧器、卷收器与带扣双预紧器时，a也都有一定程度的下降。可见安装带扣预紧器对减少髋部合成加速度a最为有利，未安装预紧器会使a到达最大值。

3卷收器载荷限力器对驾驶员保护效果的分析

在原始模型中，载荷限力器位于卷收器位置，其限力等级为5 000 N。以下利用所建立的仿真模型，分析当此限力器限力等级分别为3 500 N、4 000 N、4 500 N、5 000 N、5 500 N、6 000 N以及6 500 N时，驾驶员各部位伤害值的变化情况。卷收器载荷限力器的不同限力等级对驾驶员伤害的影响见表3。

表3　卷收器载荷限力器的不同限力等级对驾驶员伤害的影响

3.1头部伤害指标HIC36

由表3可知，当限力等级变化时，HIC36变化不大，总体上随着限力等级逐渐增加，HIC36呈现上升的趋势。

3.2胸部3ms合成加速度T3MS

由表3可知，随着限力等级逐渐增加，T3MS呈现明显的上升趋势。相比于限力等级为5 000 N的原始情况，当限力等级减少至3 500 N时，T3MS由338.22 m/s2降至276.75 m/s2，降低了18.17%；当限力等级增加至6 500 N时，T3MS由338.22 m/s2增至368.60 m/s2，上升了8.98%。当限力等级由3 500 N增加至6 500 N时，T3MS的上升幅度达33.19%。上述表明卷收器载荷限力器的限力等级下降有助于降低T3MS。

3.3胸部压缩量Thpc

由表3可知，随着载荷限力器的限力等级逐渐减少，Thpc逐渐减小。相比于限力等级为5 000 N的原始情况，当限力等级减少至3 500 N时，Thpc由38.04 mm降至34.01 mm，降低了10.59%；当限力等级增加至6 500 N时，Thpc由38.04 mm增至40.95 mm，上升了7.65%。上述表明此限力等级与Thpc成正比，限力等级减少有利于降低Thpc。

3.4上颈部剪切力(负值)Fx-

由表3可知，随着载荷限力器的限力等级逐渐减少，Fx-呈现明显的下降趋势。相比于限力等级为5 000 N的原始情况，当限力等级分别减少至4 500 N、4 000 N、3 500 N时，Fx-的下降幅度各为7.42%、10.09%、15.53%；当限力等级分别增加至5 500 N、6 000 N、6 500 N时，Fx-的上升幅度各为5.73%、11.27%、14.27%。上述表明此限力等级减少有助于降低Fx-。

3.5上颈部轴向力(正值)Fz+

由表3可知，随着载荷限力器的限力等级逐渐减少，Fz+呈现显著的下降趋势。相比于限力等级为5 000 N的原始情况，当限力等级分别减少至4 500 N、4 000 N、3 500 N时，Fz+的下降幅度各为5.81%、15.05%、22.70%；当限力等级分别增加至5 500 N、6 000 N、6 500 N时，Fz+的上升幅度各为7.05%、13.20%、17.60%。上述表明减少卷收器载荷限力器的限力等级能够有效降低Fz+。

3.6右大腿力Fright

由表3可知，当限力等级逐渐降低时，右大腿力逐渐增加。相比于限力等级为5000 N的原始情况，当限力等级分别减少至4 500 N、4 000 N、3 500 N时，Fright分别上升了3.79%、13.33%、23.94%；当限力等级分别增加至5 500 N、6 000 N、6 500 N时，Fright分别降低了3.58%、5.84%、6.81%。由上可得此限力等级与右大腿力Fright成反比，限力等级增加有利于降低Fright。

此外，仿真表明当卷收器载荷限力器的限力等级变化时，左大腿力Fleft、髋部合成加速度a几乎无变化。

4锚点载荷限力器对驾驶员保护效果的分析

在原始模型的基础上，在锚点位置分别增装限力等级为3 000 N、2 500 N与2 000 N的三种锚点载荷限力器，用以研究增装锚点载荷限力器对驾驶员各部位伤害的影响。

锚点载荷限力器对驾驶员伤害的影响如表4所示。由表4可知，当锚点载荷限力器的限力等级分别为3 000 N、2 500 N与2 000 N时，Fleft各为3 237.07 N、3 548.7 N、3 849.5 N，Fright各为3 017.36 N、3 070.71 N、3 159.97 N，Fx-各为543.27 N、574.23 N、598.12 N，a各为422.49 m/s2、390.45 m/s2、375.29 m/s2。相比于未在锚点位置安装载荷限力器的原始情况，当锚点载荷限力器的限力等级逐渐减少时，Fleft、Fright以及Fx-都逐渐增大，且Fleft的增大幅度大于Fright的增大幅度，然而a呈现逐渐下降的趋势，但下降幅度不明显。综上，增装锚点载荷限力器不能为驾驶员提供有效保护，反而会加剧驾驶员受到的伤害。

表4　锚点载荷限力器对驾驶员伤害的影响

此外，仿真表明是否在锚点位置加装载荷限力器，以及锚点载荷限力器的限力等级变化对HIC36、T3MS、Thpc与Fz+的影响不大。

5讨论

先前关于安全带预紧器与载荷限力器的研究主要集中于卷收器预紧器，带扣预紧器，卷收器、带扣双级预紧器，卷收器载荷限力器对驾驶员的保护效果，本文对其进行了扩展研究：对比了在正面碰撞中，8种预紧器形式，不同限力等级的卷收器载荷限力器，不同限力等级的锚点载荷限力器对驾驶员的保护效果。研究结果表明：当未安装预紧器时，驾驶员各部位伤害到达最大值；安装卷收器与带扣双预紧器，卷收器、带扣与锚点三预紧器，带扣预紧器分别对驾驶员头部、腿部、髋部的保护效果最佳；随着卷收器载荷限力器的限力等级逐渐减少，胸部、颈部伤害逐渐降低；增装锚点载荷限力器会加剧驾驶员受到的伤害。综上，本文进一步扩展了安全带预紧器与载荷限力器的研究范围，为新型安全带约束系统的研制提供了理论依据。

6结论与展望

本文仿真对比了在正面碰撞中，8种预紧器形式对驾驶员的保护效果，结果表明当未安装预紧器时，驾驶员的HIC36、T3MS、Fx-、Fz+、Fleft、Fright以及a都达到最大值，分别为634.73、401.45 m/s2、739.46 N、1 625.24 N、3 323.43 N、3 102.55 N以及482.76 m/s2；当安装卷收器与带扣双预紧器时，HIC36降至最低值360.35；当安装卷收器、带扣与锚点三预紧器时，Fleft、Fright都降至最低值2 018.34 N、1 245.21 N；当安装带扣预紧器时，a降至最低值418.03 m/s2。同时仿真分析了卷收器载荷限力器与锚点载荷限力器对驾驶员的保护效果，结果表明随着卷收器载荷限力器的限力等级逐渐减少，T3MS、Thpc、Fx-、Fz+逐渐降低，但Fright逐渐增加；相比于未在锚点位置安装载荷限力器的情况，当锚点载荷限力器的限力等级逐渐减少时，Fleft、Fright、Fx-逐渐增加。

今后可进一步研究在正面碰撞中，不同预紧器形式与卷收器载荷限力器各限力等级之间的组合对驾驶员各部位伤害的影响，探索出其最佳组合方式，为驾驶员提供最佳保护。

参考文献：

[1]钟志华,张维刚,曹立波,等.汽车碰撞安全技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.

[2]National Highway Traffic Safety Administration.Traffic Safety Facts 2007 Data—Overview[R]. Washington D C, USA: National Highway Traffic Safety Administration, 2007.

[3]National Highway Traffic Safety Administration.Seat Belt Use in 2012—Overall Results[R]. Washington D C, USA: National Highway Traffic Safety Administration, 2012.

[4]尚婷,唐伯明,刘唐志.我国儿童安全座椅使用现状及对策研究[J]. 交通信息与安全, 2010,28(5): 69-72.

[5]葛如海,刘志强,陈晓东.汽车安全工程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[6]张学荣,刘学军,陈晓东,等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J]. 汽车工程,2007,29(12):1055-1058.

[7]邹杰慧,刘秋成.应用新型离合机构的汽车预紧式安全带MADYMO建模与仿真[J]. 中国机械工程, 2009,20(24): 3020-3023.

[8]杜群贵,刘秋成,薛运锋, 等.汽车安全带新型预紧器的结构与性能仿真[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2009, 37(7): 57-61.

[9]SHIN J H, KIM C H, YUN P H.Dual cycloid gear mechanism for automobile safety pretensioners[J]. Journal of Central South University of Technology (English Edition), 2012, 19(2): 365-373.

[10]JUNG S P, PARK T W, SONG T R.Analytical study on the performance of a high power pretensioner[J]. International Journal of Automotive Technology, 2010,11(2): 197-203.

[11]BRUMBELOW M L, BAKER B C, NOLAN J M.Effects of seat belt load limiters on driver fatalitiesin frontal crashes of passenger cars[C]//National Highway Traffic Safety Administration. The 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. Lyon, France: National Highway Traffic Safety Administration, 2007: Paper Number 07-0067.

[12]Netherlands Organisation for Applied Science Research.Reference Manual[M]. Delft, The Netherlands: The Netherlands TNO, 2005.

[13]吴云腾.正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究[D]. 镇江: 江苏大学汽车与交通工程学院, 2011.

[14]Netherlands Organisation for Applied Science Research.Application Manual[M]. Delft, The Netherlands: The Netherlands TNO, 2005.

[15]葛如海,任美娟,赵飞,等.保护后排乘员安全的前排座椅参数研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2015,40(3): 585-594.

(责任编辑梁健)

Research on the protective effect of seat belt restraint system during the frontal collision

HONG Liang, GE Ru-hai, ZHOU Hai-chao, LIU Xi

(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:In order to compare the influence of different seatbelt pretensioners and their combinations, various limited load levels of different load limiters on driver’s safety during the frontal collision, the driver restraint system of one car was simulated by using crash simulation software MADYMO, which was verified by test. The simulation results indicate: the retractor and buckle double pretensioner combination, the buckle pretensioner, the retractor, buckle and anchor triple pretensioner combination could make head injury criterion HIC36, the pelvis resultant acceleration a, the left and right femur force F(left), F(right) of driver fell to the lowest value 360.35, 418.03 m/s2, 2 018.34 N, 1 245.21 N, respectively; without any pretensioner, HIC36, thorax 3 ms resultant acceleration T3MS, the neck shear force (negative value) F(x-), the neck axial force (positive value) F(z+), F(left), F(right) and a reaches the maximum value 634.73, 401.45 m/s2, 739.46 N, 1 625.24 N, 3 323.43 N, 3 102.55 N and 482.76 m/s2 respectively；when the limited load level of the retractor load limiter reduces, T3MS, F(x-), F(z+) and thorax compression displacement Thpc decrease, but F(right) increases; as the limited load level of the anchor load limiter reduces, F(left), F(right), F(x-) show a rising trend. The above results further extend the research scope of seatbelt pretensioner and load limiter, which provides a theoretical basis for the development of new seatbelt restraint system.

Key words:frontal collision; pretensioner; load limiter; driver; protective effect

中图分类号:U461.91

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)02-0363-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0363

通讯作者：洪亮(1986—)，男，江苏镇江人，江苏大学讲师，博士； E-mail: loudly1986@126.com。

基金项目：国家质量监督检验检疫总局项目( 2010IK084)；中国博士后基金项目( 2015M571681)；江苏省自然科学基金项目(BK20150515)

收稿日期：2015-10-12；

修订日期：2015-12-01

引文格式：洪亮，葛如海，周海超,等.正面碰撞安全带约束系统保护效果的研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：363-370.