某车型偏置碰撞后排女性假人下潜的判定及改善研究

向保才 黄强 郭刚 甘玲 王恒

摘  要：本文依据C-NCAP评价规则，判定某新开发车型在40%偏置正面碰撞中后排女性假人发生下潜，针对下潜问题，结合试验现象和类似问题的经验总结，总结出本次下潜的关键影响因素，提出快速的改善方案，并经试验验证有效。本次防下潜研究为下潜问题提供了改善思路，同时也为后续新车型开发提供了设计参考。

关键词：C-NCAP;下潜;安全带

中图分类号：U467.1+4      文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2018）06-0035-07

A Research on the Judgment and Improvement of

Submarining of Rear Female Dummy

XIANG Bao-cai， HUANG Qiang， GUO Gang， GAN Ling， WANG Heng

（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， wuhan 430056， China ）

Abstract： Based on the C-NCAP evaluation rule， this paper judges that the Rear female dummy in the front collision of a new development model have the Submarining problem.For this Submarining problem， Combining the experimental phenomenas and the similar problems. Summarizing the key influencing factors， putting forward the rapid improvement plan， and the effect ofimproved test is obvious. The dodge research for the dive problem provides improved ideas， but also for the follow-up to provide a new model design reference.

在模擬现实中汽车碰撞的碰撞试验中，下潜专指座椅上的假人在随车进行减速度前向运动的过程中，假人臀部发生明显的下沉，作用在骨盆位置处的合力（包括座椅、安全带等作用）不均衡，此时安全带的腰带会从作用于臀部较为坚硬的髂骨部位滑脱，直接作用于柔软的腹部，造成腹部软组织受伤，更严重时安全带的肩带也会脱离假人的肩部和胸部，直接作用于颈部，造成假人头颈部的二次伤害。2015版的C-NCAP规则开始对64Km/h的40%偏置正面碰撞和50Km/h的完全正面碰撞的考察中，量化了后排5%分位女性假人下潜的判定细则，加大了C-NCAP五星车型的获取难度，直至2017年下半年，部分C-NCAP评价车型依然存在下潜的问题。

某车型在开发前期进行64Km/h的40%偏置正面碰撞摸底实验中，依据下潜的判定细则判定后排女性假人发生下潜并扣1分，使得初定的五星安全目标的达成存在风险。通过对下潜关键影响因素的分析，并实施相应的改善措施，能够防止下潜的发生，从而规避了下潜扣分的风险。本文据此对其展开分析，为方便称呼此车型为H车型。

1    下潜判定

《C-NCAP管理规则（2015年版）》中开始明确第二排女性假人的下潜通过髂骨受力情况进行判断：在假人骨盆向前，髂骨受力减小阶段，在持续1ms的时间范围内，若髂骨力减小速率大于1000N/ms，判断发生了下潜;在骨盆回弹阶段，若减小速率大于1000N/ms，但此时髂骨力小于2400N的情况除外。另外，髂骨受力不稳定时，以完全卸载阶段的信号进行判断，作为参考，可以通过车载摄像机的视频图像及安全带腰带力曲线进行辅助确认[1]。结合《C-NCAP管理规则（2015年版）中关于后排假人下潜判定方法》，得出下图1所示的下潜判定流程图[2]。

图2为本次试验的后排女性假人的左、右髂骨力曲线，由步骤一、二可得出图3所示的假人左、右髂骨的髂骨力卸载速率V。为方便描述，图中超过1000N/ms的波峰分别标记为波峰a、波峰b、波峰c。可得出相应的ΔTa=0.7ms、ΔTb=1.4ms、ΔTc=1.7ms、ta1=75.4ms、tb1=90.4ms、tc1=75.6ms。

图4、图5分别为本次试验假人骨盆和车身B柱的减速度、速度曲线，由图5可得出图t2=114ms。

由以上分析汇总得出下表1所示的信息，无需再进行第四步即可判断假人下潜的情况，据此可判定本次试验的后排女性假人左、右两侧均发生下潜，即总分中扣除1分。

2    下潜的原因分析

影响下潜的因素众多，涉及到整车、座椅、安全带、带扣等的结构设计，安全带的预紧、限力和锁舌的动态锁止等功能，同时也涵盖被动约束系统的匹配设计。本文主要从以下几个最有可能导致本次下潜发生的重要因素进行展开分析。

2.1   防下潜梁强度

摸底实验后通过拆解车辆结构件发现，后排座椅的防下潜梁疑似因为强度不足发生较大地压塌变形。如下图6 所示的侧视图，此车的防下潜梁基本由3块厚度较厚的面板组成梯形结构，梯形内部局部增加支撑斜板。在假人随车向前做减速度水平运动时，因坐垫一般会做得比较柔软舒适，假人还会有略微的竖直向下的运动趋势，此时防下潜梁的梯形斜面可以起到较好的支撑坐垫并阻碍假人向下运动的作用，从而取得防止假人下潜的作用。如图7所示为碰撞完成后的梯形板梁结构，可明显看出整个梯形支撑面因强度不足已经被压塌变形，在碰撞中无法有效阻碍假人向下的运动趋势，从而导致防下潜的作用大打折扣。依据上述分析可以得出防下潜梁的强度不足是发生下潜的原因之一。

2.2   防下潜梁位置

关于防下潜梁的位置，行业内基于大量的理论、CAE、实践基本形成了一个较为被广泛认同的防下潜硬点设计区域趋势图[3]，如下图8所示。根据假人到H点的X向、Z向距离的远近依次分为绿色、橙色、黄色区域，绿色区域为最佳的硬点设

计区域，橙色为次佳区域，黄色为可接受区域。同样的防下潜结构分别布置在绿色、橙色、黄色三种区域内，相应的防下潜效果会依次递减。但在车型开发时往往因为需要将座椅设计得更加舒适性，从而导致包括防下潜梁在内的各种刚性骨架离人体更加远，防下潜梁硬点的设计位置往往会处于橙色、黄色或者更远更差的位置。从图6中可看出此车的防下潜梁的硬点处于黄色的可接受区域的边界上，基本快要脱离可接受的范围。由此可得出此车的防下潜梁在设计之初做了很大的让步牺牲，防下潜梁的位置设计在一个较差的区域，防下潜梁无法起到更好的防下潜效果。依据上述分析可以得出防下潜梁的设计位置不佳是发生下潜的原因之一。

2.3   安全带下固定点的水平设计角度

在分析水平设计角度前，我们先分析下安全带走向对下潜产生影响的原理。如图9所示的正面碰撞时后排使用的混III 5%分位女性假人的侧视图[4]，其中P为髂骨处的皮肤高度，可近似理解为假人腹部下端到大腿的距离。q表示髂骨传感器的高度。如图10所示髂骨处的安全带佩戴示意图，L表示腰带中心点至大腿上方的距离，即腰带的佩戴高度。当L>P时，表明腰带已经基本脱离骨盆，直接作用于腹部软组织，两者的差值越大，下潜的越明显。当L

如下图11所示的安全带腰带走向示意图，在车辆同一地板水平面上分别选取不同的下固定点A、B、C，分别模拟出安全带的织带走向，每种走向分别对应一个水平设计角度θ，θ即为织带走向与水平线的夹角。同时每种状态的织带对假人的约束力分别为FA、FB、FC。从图中可以看出，随着下固定点的后移，θ在逐渐减小，此时约束力的走向也发生着变化，其中FA对髂骨质心的力矩为逆时针方向的力矩，FB对髂骨质心没有产生旋转的力矩，FC对髂骨质心的力矩为顺时针方向的力矩。从FA往FC过渡会逐渐加大假人下潜的倾向。因此我们得出：安全带下固定点的水平角度越小，越易加剧假人下潜的倾向。

如下图12所示的此车的安全带下固定点水平设计角度示意图，θ1为带扣侧的腰带走向示意图，θ2为非带扣侧的腰带走向示意图，其中θ1为34.3°，θ2为51.9°，满足法规GB14167-2013中对于安全带下固定点的30°-80°的角度范围要求。但θ1的角度明显偏小而接近法规的下限值。如图13 所示的安全带下固定点图，从图A中可看出此车的后地板呈现出后高前低的溜坡造型，红色钣金处于较高位置，黄色面为溜坡面，橙色面处于较低位置。出于某种考虑带扣需要从座椅靠背和坐垫的缝隙中伸出来，带扣的下固定点设计得比较偏后。综合结果就是带扣下固定点设计得偏后且偏上，两种原因都将导致θ1设计得更小。

另外为了使带扣的安装和使用更加方便，座椅靠背上专门设计了图B中所示的弹性拉带。同时坐垫因为美观的考虑，在带扣的织带出口处没有设计导向凹槽，如图A中的红色圆圈处无导向凹槽。两种方案同时实施导致带扣的实际走向呈现出了图12中所示的走向，即织带方向并非沿着设想的黄实线，而是沿着图中的蓝虚色，使织带的约束力走向对髂骨质心的力矩为顺时针方向的倾向更加明显，从而加剧了假人的下潛倾向。

2.4   坐垫的发泡硬度、设计角度和表皮摩擦力

将假人简化成如图14所示的模型，假人分解成以臀部中心为铰链中心的几何体，紫色为上躯干，红色为下躯干，对其进行运动学分析。其中状态A为静态乘坐姿态，上、下躯干都紧贴靠背和坐垫。状态B为下潜姿态，此时铰链中心处于较前较下的位置，下躯干前向位移量较大，上躯干接近直立且前扑现象不明显。状态C为非下潜姿态，此时假人向下运动不是很明显，上躯干向前倾斜且前扑现象明显。

在假人随车进行前向减速度运动时，上躯干仅受安全带的肩带的约束，下躯干同时受安全带的腰带和座椅发泡、防下潜梁等的约束，上、下躯干的前向减速运动会不同步。上、下躯干最开始前向位移量会保持一致，随着铰链中心处的骨盆受到的约束力越来越强，下躯干会随着骨盆一起运动至最前端而停止向前运动，上躯干会一直向前运动直至上织带的受力达到设定的力值。通常情况下上躯干较下躯干前向位移量会更多，形成比较明显的上躯干的前扑现象，即状态C的姿态。但当坐垫发泡硬度较软时，发泡无法阻挡铰链中心处的骨盆因人体重力而产生的向下运动，此时假人坐姿偏低，髂骨质心也会偏低，腰带约束力相对假人偏上，腰带约束力对髂骨质心的力矩为顺时针方向的倾向更加明显，同时因腰带约束力相对假人偏上，假人上躯干有受到腰带约束力的趋势，上躯干的前向位移也会相应减小，从而易于形成状态B的姿态。找到假人在骨盆开始回弹时刻t2=114ms时的图片如图15所示，可明显看出假人上躯干被安全带紧紧地勒住，上躯干没有比下躯干多出明显的位移，上躯干的姿态十分接近图14中状态B的姿态，且几乎没有前扑的趋势。

关于坐垫的设计角度，如下图16所示，记L点为假人大腿及以上部位的最低点，以L点为起点做一条水平线A，F阻碍力为水平线A以上的发泡对假人前向运动的阻碍约束力。当坐垫倾角α=0°时，坐垫表面为水平面，理想状态下水平线A以上没有发泡，即假人的向前运动不受坐垫的阻碍约束，实际上因假人自重对坐垫会产生较小的压塌变形，从而坐垫表皮会对假人产生向后的摩擦阻力，此时F阻碍力≌F摩擦力。当α>0°时，水平线A以上会存在发泡，这部分发泡在假人向前的运动过程中，会被压缩而产生巨大的变形，从而对假人产生向后的弹性阻力，此时F阻碍力=F摩擦力+F弹性阻力，且通常情况下F弹性阻力远大于=F摩擦力。α越大，水平线A以上的发泡越多，F弹性阻力也就越大，而从F阻碍力越大，最终导致假人下躯干向前的水平位移越小，在上躯干水平位移不变的情况下，假人下潜的趋势越小。

关于坐垫表皮摩擦力，随着表皮材质的不同，摩擦力也会不一样，摩擦力越大，假人受到的阻碍力越大，前向位移越小，在上躯干水平位移不变的情况下，假人下潜的趋势越小。

2.5   其它影响因素

除以上分析的重要影响因素，其它很多因素都会对是否下潜产生影响，但都并非导致本次下潜的关键因素，如安全带预紧功能的有无，提前预紧能够消除安全带和假人之间的间隙，降低假人下躯干向前的位移量，在上躯干水平位移不变的情况下，假人下潜的趋势越小;如带扣的锁盒高度，当锁盒高到紧贴假人臀部及以上部位时，因锁盒为刚性件，对假人臀部的包覆性没有织带强，从而达不到最佳的约束效果，而不利于阻碍假人下躯干的前向位移。等等这些都会对假人下潜产生影响，本次不再深入展开。

3    防下潜的对策

如下表2所示，基于以上对于影响本次下潜的重要影响因素的分析，总结出本次碰撞四大结构件带来的9个方面的影响。结合试验现象和相关论文中有关问题的分析总结，得出本次下潜的重要影响因素，因车身钣金数据已固化，无法做较大更改，本次仅实施四项较易达成的改善措施：

措施一：增加防下潜梁的强度，在防下潜梁的腔体内部增加两块梯形加强板。

措施二：坐垫发泡开凹槽，如图18所示坐垫开槽后，通过数模模拟可看出带扣织带的走向基本沿着设计的方向

措施三：取消带扣的弹性拉带，如图18所示拉带取消后，通过数模模拟可看出带扣织带的走向基本沿着设计的方向

措施四：带扣长度剪短20mm，因坐垫发泡、拉带的改善，使带扣走向沿着设计的方向，但锁盒会比原来实际佩戴的高度较高，高度较高不利于腰带对于假人的包覆和约束力，故织带长度剪短。

4    改善效果

表2 后排女性假人防下潜对策表

将改善的方案搭载实车进行64Km/h的40%偏置正面碰撞，按照图1所示的下潜判定流程图，进行第一步后可得出如图19、图20的后排假人的髂骨力、髂骨力卸载速率曲线，从图20可以看出Vmax远远小于1000N/ms，从而判定假人未下潛，从实验结果可看出改善方案效果明显。

5    总结

随着C-NCAP评价规则的深入发展，后排乘客的安全防护性能越来越受到重视。本文针对某五星目标车型开发初期后排假人的下潜问题，结合具体实验现象和行业内类似问题的经验总结，找出下潜的关键影响因素，为车型开发提供了快速有效的改善优化方案。同时本次案例也为后续新项目提供了参考，在新车型开发时，后排与防下潜相关的防下潜梁、座椅、安全带等的结构设计需规范要求，不能一味地追求舒适性、美观性而忽略安全性。

参考文献：

[1]C-NCAP管理规则（2015年版），中国汽车技术研究中心[S].

[2]李永刚，张义，黄强，等.C-NCAP 2015后排女性假人下潜研究[J].汽车科技，2015（5）：56-61.

[3]刘鹏，段小刚，杨兴明.汽车座椅防潜结构设计研究[J].汽车科技，2015（6）：42-45.

[4]First Technology Safety Systems.“208.”Occupant Crash Protection ， CFR 49.571.208[S].2005.

[5]唐亮，刘晋浩，程朋乐，等.乘员下潜倾向判断准则的研究[J].汽车工程，2014（6）：694-699.