转向管柱溃缩特性对驾驶员损伤的影响

刘玉云 卢静亓 向翠 杜波涛 岳鹏

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

在汽车被动安全研究中，基于损伤机理的研究，如何提高碰撞中乘员的保护性能，研究人员开发出了安全气囊、安全带、限力式安全带到预紧限力式安全带再到双级预紧式安全带[1-2]。这些产品的量产化显著提高了现代汽车的安全性能[3]。另一方面，为了进一步改善头部及胸部的损伤，开发出了可溃缩式的转向管柱。文献[4]进行了B级车转向管柱的开发研究，文献[5]针对转向管柱的布置优化进行了探索，文献[6]进行了转向管柱对驾驶员损伤的试验研究。但是大部分研究都是针对转向管柱的开发方法及相关法规试验方法的研究，并没有涉及转向管柱溃缩力特性的研究，然而在汽车碰撞中，转向管柱的溃缩特性直接影响驾驶员头部的损伤进而影响驾驶员的胸部损伤[7-9]。因此，在汽车乘员的保护研究中，有必要进行转向管柱的特性研究，分析转向管柱溃缩特性与损伤的关系，从而指导汽车安全的优化设计，进一步提高汽车产品的安全性能[10]。文章主要针对转向管柱溃缩特性与驾驶员损伤的相关性进行分析，探索碰撞中转向管柱溃缩力对驾驶员损伤的影响规律，从而为整车安全性能开发及自适应转向管柱的研究及整车预研阶段的性能监控提供参考。

1 模型介绍

在汽车碰撞安全研究中，约束系统开发的主要手段包括有限元方法和多刚体的方法。有限元方法主要采用LS-DYNA软件进行辅助研究[11]696，多刚体的方法主要采用MADYMO软件进行研究。2种方法各有优缺点，有限元方法的优点在于能够精确地分析约束系统相关参数对乘员损伤的影响，尤其是在一些局部损伤研究中，如C-NCAP碰撞中小腿损伤及座椅的防下潜研究，能够准确分析相关参数与假人损伤的相关性及影响程度，从而可以精确地指导设计[11-12]699。多刚体的分析方法优点在于分析效率高。在约束系统优化分析中，由于涉及较多的参数优化（如安全气囊、安全带、座椅及转向管柱参数等），工作量繁重，采用有限元的分析方法效率低。在一个全新开发的项目中，有限元方法突显其局限性，而采用多刚体手段进行分析，可充分利用其高分析效率的优点。

文章着力于揭示碰撞中转向管柱的特性参数对于驾驶员损伤影响的一般规律，不涉及具体的精确设计参数。采用多刚体手段分析高速碰撞中，转向管柱的特性参数对驾驶员的损伤趋势，为碰撞安全性能的改善提供参考。基于某车型，建立了100%正面碰撞MADYMO仿真分析模型，如图1所示，模型包括了约束系统分析的主要部件。

图1 多刚体仿真分析模型

为保证仿真结果的可靠性，对仿真模型进行了50 km/h100%正面碰撞滑台试验对标，仿真模型头部及胸部的对标结果，如图2和图3所示；转向管柱的溃缩时间历程，如图4所示。

图2 某车型假人头部加速度仿真与试验对比

图3 某车型假人胸部加速度试验与仿真对比

图4 转向管柱溃缩历程试验与仿真对比

采用软件自带的曲线相似性评价功能，将仿真与试验中假人的损伤结果进行对比，仿真曲线的峰值、峰值时刻及DUC（Difference area Under Curve）指标均大于 85%，WIS（Weighted Integrated Score）指标大于 80%。根据评价结果，认为仿真模型的精度满足要求，可以用于下一步的分析。

2 转向管柱参数分析

在汽车碰撞过程中，通过转向管柱的溃缩，不仅能在碰撞事故发生时为驾驶员提供更大的生存空间，而且通过匹配合适溃缩力能够充分缓冲驾驶员与气囊接触的冲击力，从而降低驾驶员的头部伤害。研究中发现不同转向管柱的溃缩历程对驾驶员的保护效能不尽相同，因此有必要分析转向管柱溃缩历程的影响因素。影响转向管柱溃缩时间历程的因素主要有转向管柱的压溃力特性和可溃缩距离，溃缩力特性又可细分为溃缩峰值力及溃缩持续力，转向管柱的这3个特性影响着转向管柱的溃缩历程。在整车开发过程中，变更转向管柱的溃缩距离可行性不高，通常进行溃缩力的调节，因此，主要进行转向管柱溃缩峰值力及持续力的规律分析及优化。

2.1 峰值力对转向管柱溃缩及驾驶员损伤的影响

在相同持续力下，研究不同峰值力对转向管柱溃缩特性及驾驶员头部损伤的影响，选择峰值力在2.5～4.5 kN的分析区间，根据开发经验2.5～4.5 kN适应多数据管柱的特性范围，峰值力过高转向管柱基本不溃缩，峰值力过低，容易影响正常使用。分析案例，如表1所示。转向管柱的溃缩历程及驾驶员的损伤响应，如图5和表2所示。

图5 不同峰值力下转向管柱时间历程（持续力为0.5 kN）

表2 不同峰值力驾驶员损伤响应

从假人响应的情况分析：峰值力从2.5 kN提高到3.5kN时，驾驶员的头部损伤明显改善；峰值力从3.5 kN提高到4.5 kN时，驾驶员的头部损伤改善不明显，说明对于特定系统转向管柱的溃缩峰值力存在一个最低分界区间（分析案例中的优秀区间在3.5 kN左右)。结合仿真动画分析，当峰值力小于该区间时，转向管柱容易出现溃缩过早，引起较高的头部3 ms加速度和HIC（头部损伤指数），当峰值力高于该区间时，头部损伤显著改善，当转向管柱溃缩峰值力进一步增大时，在头部损伤改善的同时胸部损伤也会增加，因此若兼顾头部与胸部的损伤，峰值力略高于最低峰值力区间是一个较优取值。

2.2 持续力对转向管柱溃缩及驾驶员损伤的影响

在相同峰值力下，研究不同持续力对转向管柱溃缩特性及驾驶员头部的损伤影响，选取持续力在0.5～1.5 kN的分析区间，根据开发经验0.5～1.5 kN适应多数据管柱的特性范围，分析案例，如表3所示。

表3 不同持续力对转向管柱溃缩影响的分析案例

转向管柱的溃缩历程及驾驶员的损伤响应，如图6和表4所示。分析图6和表4可知，当峰值力为2.5 kN时，转向管柱的溃缩对持续力敏感；持续力为0.5 kN时，头部损伤超出C-NCAP规定的最高性能限值；持续力为1 kN时头部损伤也有较高的损伤风险；持续力为1.5 kN时头部损伤能保持较低水平；峰值力为4.5 kN时，持续力从0.5 kN增加至1.5 kN时，转向管柱的溃缩时刻对持续力的变化敏感性降低，且均能保持头部损伤在较低水平。

图6 不同持续力下转向管柱时间历程

表4 不同持续力下驾驶员损伤响应

在同一碰撞工况下，同一持续力下，转向管柱的峰值力在2.5～4.5 kN范围内变化，峰值力越大，溃缩的时刻越迟；同一峰值力下，持续力在0.5～1.5 kN内变化，持续力增加溃缩时间延迟。表明峰值力直接影响转向管柱溃缩的时刻，持续力直接影响转向管柱的溃缩过程。反映到驾驶员的损伤，在一定范围内，较高的溃缩峰值力及持续力有利于降低头部损伤，但峰值力较高时对胸部的影响较大，且不能通过调整持续力降低胸部位移。因此，兼顾头部与胸部的损伤，在一定的约束系统下匹配转向管柱时，考虑较低的峰值力，同时选择较高的持续力。

3 试验验证

根据分析结果，在本课题中使用的约束系统匹配转向管柱峰值力的优秀区间在3.5 kN左右（匹配不同约束系统优秀区间会有差异），在匹配新的转向管柱时，较高的溃缩力可确保头部损伤保持在低水平，同时峰值力太高时会影响胸部位移的优化空间，考虑转向管柱溃缩力的行业误差为±1 kN，有可能在峰值力较低时，会因为误差的原因出现极低的峰值力。因此兼顾头部与胸部的损伤，确定转向管柱的压溃特性设计参数峰值力为3.5 kN，持续力为1.5 kN，并通过滑台试验验证转向管柱的表现性能。

滑台试验前，通过静态试验获得优化前同批次样件转向管柱的压溃峰值力为2.8 kN，持续力约0.8 kN，优化后同批次样件转向管柱的压溃峰值力为3.2 kN，持续力约1.3 kN。从转向管柱优化前后的滑台试验结果（表5）可以看出，提高溃缩力后，头部损伤明显降低，HIC值降低显著，同时，胸部位移有上升趋势。滑台试验结果验证了仿真分析的结论。

表5 转向管柱优化前后试验结果对比

4 结论

对转向管柱溃缩力特性的研究表明，转向管柱峰值力和持续力存在一个优秀区间，在不影响溃缩的前提下，高于该溃缩峰值力优秀区间有利于改善驾驶员头部损伤，但过高的溃缩力将增加胸部的损伤，较高的持续力有利于提高转向管柱溃缩的鲁棒性。

通过优化转向管柱的参数，可提高后期约束系统性能的优化空间，为约束系统的匹配提供了新的优化因素，为转向管柱的性能设计及优化提供了参考。下一步将研究转向管柱溃缩力优秀区间与匹配的安全气囊的关系，进一步分析影响溃缩力优秀区间的因素。