某轿车膝部气囊保护区域的定义及其气袋设计

周厚林

（延锋百利得（上海）汽车安全系统有限公司，上海 201315）

某轿车膝部气囊保护区域的定义及其气袋设计

周厚林

（延锋百利得（上海）汽车安全系统有限公司，上海 201315）

分析解读了EuroNCAP和CNCAP试验规范对膝部保护区域定义的影响，探索建立了在3D数模中模拟定义膝部保护区域的方法，研究了保护区域对气袋形状和尺寸设计的影响。

汽车；膝部气囊；保护区域；气袋设计

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-83-03

前言

汽车膝部气囊气袋设计的基础性输入是其目标膝部保护区域。而不同车型因其市场国别、整车性能目标、车身环境参数等不同，其对膝部保护区域的要求也不同。本文基于N车型项目的开发过程，分析解读了欧洲和中国相关测试规范，确定了保护区域的设立准则；探索建立了膝部气囊保护区域的模拟定义方法，并加以实践验证；研究了膝部保护区域对气袋形状和尺寸设计的影响，并给出了设计建议。

1 测试规范对膝部保护区域定义的影响

因为EuroNCAP和CNCAP规范的要求均高于相应的强制性法规，所以本文主要分析解读这两份试验规范。在EuroNCAP规范中，与膝部保护相关的内容有碰撞试验和罚分项检查等两项，而CNCAP规范中只有碰撞试验这一项。

1.1 碰撞试验要求对比

EuroNCAP和CNCAP对于正面碰撞试验中乘员下肢伤害指标的规定一致，差别仅在于试验方法，具体要求对比如表1[1-2]。

表1 EuroNCAP与CNCAP碰撞试验乘员下肢保护要求对比表

1.2 罚分检查要求对比

CNCAP规范中没有罚分检查项的要求。EuroNCAP规范对于膝盖、大腿和骨盆部位的得分有两项罚分规定，具体是

[1-2]：

1）不一致接触：

乘员的身材不同，乘坐位置不同，因此碰撞中乘员膝部与仪表板的接触位置也不同，有时乘员的膝部还有可能侵入仪表板中。因此，潜在膝部接触区域应定义得更大一些。在此区域内，若接触点在其它位置，风险会更大，将被罚分。

在竖直方向上，潜在膝部接触区域应该以膝部接触点的最高点为基准，向上和向下各延伸50mm。如图1a所示，红色区域即为实验中假人膝部与仪表板接触后在仪表板上留下的颜料印迹。以该印迹区域的最高点为基准竖直向上和向下各延伸50mm，即为需评估的潜在膝部接触区域。

在整个潜在膝部接触区域内，需要被考核的深度是试验测得的最大膝部侵入深度再加20mm。每个膝盖对应的深度单独定义。如图1b所示，靠右侧的竖直虚线是试验测得的动态最大膝部侵入深度，以此为基准再加20mm即为需考核的深度范围，即靠左侧的竖直实线。

图1 竖直方向和深度方向潜在膝部接触区域示意图

在上述潜在膝部接触区域和深度范围内，如果大腿力超过3.8kN和/或膝盖位移超过6mm，则相应的腿罚1分。

2）集中受力：

在膝盖碰撞区域内，如果存在某种结构可能导致膝盖的局部受力集中，则相应的腿罚1分。

如果汽车制造商能够提供可信的试验数据证明“不一致接触”和/或“集中受力”情况不存在，则可以不罚分[3]。

从以上分析可以看出，对于以EuroNCAP获高分为目标的车型，在水平方向上，其膝部气囊保护区域需向外延伸至仪表板边缘，向内延伸至中控台凸起的侧壁，即图2中两条竖直蓝色实线之间的区域（L1）；在垂直方向，膝部保护区域需以膝部接触点即图2中红色圆点的上边缘为基准，向上和向下各延伸50mm。图2中左侧两条水平蓝色实线之间的区域为驾驶员左膝的垂直方向保护区域，右侧两条水平蓝色实线之间的区域为驾驶员右膝的垂直方向保护区域。

图2 膝部气囊保护区域示意图

综上所述，如需在EuroNCAP测试中获得高分，其膝部气囊保护区域应较大，而对于目标是CNCAP测试的车型，其膝部保护区域可以相对小一些。

2 膝部气囊保护区域的划定方法

作者在V车型项目的研究初期阶段采用了以下模拟方法来确定初始膝部接触点，并在开发后期用实际试验获得的膝部接触点来修正。

首先，在3D数模中，按CNCAP中正面100%重叠刚性壁障碰撞试验的假人摆放要求，将座椅数模调整至前、后方向的中间位置，高度调至最低；将Hybrid Ⅲ 50%分位假人数模安放在驾驶员侧的座椅上，并保证假人H点处于设计位置；将驾驶员假人左脚放在搁脚板上，右脚放在加速踏板上，双腿前伸并保持与车身X轴平行[4]。

然后，保持假人脚部不动，以脚踝为轴旋转假人小腿，使假人膝部与仪表板相接触，如图3所示。这样可以在假人左、右膝盖处各得到一个接触点，即为驾驶员的初始膝部碰撞接触点。以此为基准，参考第2节所述方法即可划定初始膝部保护区域。

图3 驾驶员膝部碰撞接触点模拟确定方法示意图

在N车型项目中，以模拟方法确定的膝部碰撞接触点，左膝点Z向坐标值514，右膝点Z向坐标值486。该车型以满足EuroNCAP为目标，参考第2节所述方法，以左、右膝的碰撞接触点为基准向上和向下各延伸50mm，即分别得到该车型左膝和右膝的Z向初始保护区域。在水平方向上，该车型的膝部保护区域向车门侧延伸覆盖整个仪表板范围，向车内侧延伸到中控台凸起的侧面，测得保护区域水平方向尺寸为610mm。

在该车型项目开发后期，用工程样件进行台车碰撞试验。试验后用激光仪和标尺测量假人膝部颜料转印在仪表板上的印迹区域的最高点，获得其左膝点Z向坐标值为527，右膝点Z坐标值508。根据试验获得的膝部接触点对膝部保护区域进行修订，即为正式的膝部保护区域。

N车型试验获得的膝部接触点与模拟方法获得的膝部接触点差异不大，证明模拟方法可用于项目初期估算膝部接触点，从而指导初始版气袋的设计。

3 膝部保护区域对气袋形状和尺寸设计的影响分析

从膝部气囊保护功能的角度，气袋真正需要充满气体且有效覆盖的是对应于目标保护区域的部分，其它部分为辅助部分。有效部分需大一些，以充分覆盖保护区域，而辅助部分应尽可能小，以降低所需的气体量。而以行业内现有技术，膝部气囊一般安装在仪表板内偏下的部位，气袋充气时均是从下向上展开的。因此，膝部气囊的气袋一般采用上宽下窄的近似倒梯形设计。气袋的上部对应膝部保护区域，即为有效部分，其具有足够的宽度和高度，以使气袋的左右边缘覆盖膝部保护区域的左右边缘，同时使气袋的顶端覆盖膝部保护区域的上边缘。而气袋的下部边缘与膝部气囊壳体宽度相当，气袋下部左右两侧渐变缩小，只辅助维持气袋的充满形态，如图4所示。

图4 膝部气囊气袋倒梯形形状示意图

综上所述，在膝部气囊的保护区域划定后，气袋的上边缘、左边缘和右边缘均已相应确定，再根据本车型气体发生器的安装位置确定气袋下边缘，则气袋的主体形状和尺寸即已确定。

4 结束语

鉴于EuroNCAP和CNCAP试验规范对于膝部保护要求的差异，整车制造商需根据车型的被动安全系统性能目标来定义膝部气囊的保护区域目标。在此之后，可采用实物样件试验方法或在3D数模中模拟的方法确定膝部接触点，并以此为基准划定膝部保护区域。最后，根据膝部保护区域必须被有效覆盖，而其它区域可以不被覆盖的原则来设计膝部气囊气袋的主体形状和尺寸。

[1] 中国汽车技术研究中心.C-NCAP.C-NCAP 管理规则(2012 年版).中国∶中国汽车技术研究中心,2012.7.

[2] EuroNCAP-ASSESSMENT PROTOCOL-ADULT OCCUPANT PR -OTECTION-Version -6.0-July-2013-www.euroncap.com.

[3] EuroNCAP-FRONTAL IMPACT TESTING PROTOCOL-Version -6.0.2-October-2013-www.euroncap.com.

[4] 唐洪斌,杨海庆,马志良,等.乘员膝部碰撞台车试验与车身结构设计[J]. 汽车技术, 2012(5).

The knee protection area definition and cushion design of Vehicle N

Zhou Houlin
（Yanfeng KSS (Shanghai) Automotive Safety System Co., Ltd., Shanghai 201315）

The influence of test specification on protection area definition is analyzed. The simulation method of protection area definition is introduced. The effect of the protection area on the cushion design is studied.

Vehicle; Knee airbag; Protection area; Cushion design

U463.8

A

1671-7988 (2017)13-83-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.026

周厚林，就职于延锋百利得（上海）汽车安全系统有限公司。