基于均衡支撑的小腿保护理念

欧阳俊，卢 静，郑 颢，岳 鹏，王玉超

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434）

随着汽车安全技术的提高，安全带、安全气囊、转向管柱等配置日益丰富，出现了双级预紧安全带、锁止锁舌、刚度自适应安全气囊等先进约束系统配置，使正面碰撞中乘员的头、胸部伤害明显降低，但这些配置并没有明显降低乘员下肢伤害[1]。由于小腿接触环境的不可控，及小腿受伤机理的复杂性，小腿受伤问题日益突出。下肢损伤虽不是致命伤，但后续治疗费用高昂，还会造成伤者永久性残废，给社会经济带来一些影响和负担[2]。因此，近年来，如何避免汽车前碰撞中乘员下肢受到严重损伤成为了行业研究热点。目前在行业内，针对假人小腿伤害的研究，已取得了不少成果，商恩义等[3]研究了A级车正面全宽碰撞试验中假人小腿伤害曲线的表现形式。马立军等[4]结合某车型开发问题对小腿运动状态及受力情况进行了分析研究。李宝玉等[5]研究了脚部下方缓冲材料材质对小腿损伤的影响。崔新康等[6]用Hybrid-Ⅲ50th假人对小腿受冲击位置和角度对腿部的伤害进行了研究。但这些研究多为结合项目开发验证阶段出现的问题予以研究并提出解决方案，未能提供汽车碰撞事故中小腿损伤系统性解决方案，并在项目开发的概念设计阶段指导设计。

本文提出了一种均衡支撑保护小腿的设计理念。刘志新等[7]的研究表明在100%正面碰撞试验中，驾驶员右脚受伤比例最大，约占49%。为了更好地验证本文所提的小腿保护理念，以驾驶员右脚保护作为研究对象，结合某两款车型开发过程中的驾驶员右脚受伤严重问题，基于均衡支撑保护理念提出了油门踏板加宽和脚跟支撑两种设计方案，基于整车有限元的方法模拟对比了两种方案的保护效果，并实现了两种方案的量产设计及整车试验验证。结果表明，基于整车有限元的小腿损伤模拟方法具有较高的精度；基于均衡支撑保护理念提出的小腿保护方案可以较好地解决汽车碰撞事故中的小腿损伤问题。文中所提两种方案均已获得国家专利保护（专利号分别为CN201520704933.9和CN201620514281.7）。

1 小腿损伤评价指标及损伤机理

在C-NCAP（2015版）[8]规定中，100%正面碰撞假人小腿满分为2分，正面40%重叠碰撞假人小腿满分为4分，两者分数之和占总分的9.8%，因此，小腿伤害值得深入研究。小腿部位的评价指标有胫骨指数（TI）和小腿压缩力，其中胫骨指数高性能限值为0.4，低性能限值为1.3；小腿压缩力高性能限值为2 kN，低性能限值为8 kN。胫骨指数的计算公式为：

式中：Mx为绕x轴的弯矩；My为绕y轴的弯矩；MCR为临界弯矩，按225 Nm计；Fz为z向压缩力；FCZ为临界压缩力，按35.9 kN计。

因此，Mx、My和Fz是影响小腿得分的因素。此外，Mx的方向为膝部不动、脚踝向左转时为正；My的方向为脚踝向前、膝部向后时为正；Fz的方向受拉时为正，受压时为负。

小腿常见的受伤形式有三种[9]，形式一：胫骨骨折，表现为Fz比较大，如图1所示；形式二：脚踝背屈，表现为My比较大，如图2所示 ；形式三：脚踝外翻，表现为Mx比较大，如图3所示。

图1 受伤形式一

图2 受伤形式二

图3 受伤形式三

驾驶员右脚接触环境复杂，造成驾驶员右脚直接受伤的原因有三种，第1种是前地板侵入，同时脚跟部没有约束向前运动，前地板的侵入直接挤压小腿，造成形式一的伤害，即Fz大，如图4所示。第2种是油门踏板的侵入，同时脚跟部没有约束向前运动，造成形式二的伤害，即My大，如图4所示。第3种是油门踏板的侧移，脚部从油门踏板滑落形成“崴脚”，造成形式三的伤害，即Mx偏大，如图5所示。前地板和油门踏板的侵入主要是由结构变形造成，适当控制结构变形有利于小腿保护。但结构变形的降低往往会造成加速度水平的升高，不利于乘员头、胸部的保护，所以不能对结构变形进行绝对控制。

图4 前地板侵入及油门踏板侵入

图5 油门踏板侧移造成脚部滑落

本文从避开伤害源并对驾驶员右脚提供平稳支撑的角度提出跟部支撑和油门踏板基座加宽两种解决方案，跟部支撑方案可以约束乘员脚部，避免脚部前移并能起到缓冲作用，还能避免来自前围的侵入造成形式一的伤害。同时，支撑块与油门踏板形成一个平整的支撑面，避免脚跟前移的同时油门踏板侵入造成形式二的伤害，如图6所示。油门踏板基座加宽方案可以避免油门踏板侧移造成形式三的伤害，如图7所示。

图6 跟部支撑块方案

图7 油门踏板基座加宽方案

2 小腿损伤有限元仿真分析

为了更加精准地模拟前端结构变形导致的前围及油门踏板侵入对脚部造成的伤害，采用有限元方法建立整车约束系统仿真模型，仿真模型准确模拟了某车型整车试验中驾驶员右脚受到的形式一和形式二的伤害，文中的分析形式一和形式二伤害同时出现，如图8所示。试验中形式一伤害指标Fz最大值出现在下小腿，为4.76 kN，仿真中形式一伤害指标Fz最大值为5.24 kN，精度为92%，如图9所示。试验中形式二伤害指标My最大值出现在上小腿，为138.2 Nm，仿真中形式一伤害指标My最大值为153.2 Nm，精度为89%，如图10所示。

采用有限元方法建立整车约束系统仿真模型，仿真模型准确模拟了某车型整车试验中驾驶员右脚受到的形式三的伤害，如图11所示。试验中形式三伤害指标Mx最大值出现在上小腿，为165.1 Nm，仿真中形式一伤害指标Mx最大值为160 Nm，精度为97%，如图12所示。

图8 形式一和形式二伤害模拟

图9 仿真与试验中小腿力对比

图10 仿真与试验y方向弯矩对比

图11 形式三伤害模拟

图12 仿真与试验x方向弯矩对比

3 脚跟支撑块方案仿真对比分析

基于建立的整车有限元约束系统模型，对跟部支撑块方案开展了仿真分析研究。由图13可知，没有跟部支撑块方案时，驾驶员右脚具有明显的向前运动特征，脚跟没有受到缓冲约束作用并受到前围的冲击，即形式一的伤害。脚跟在前移的同时，脚掌受到油门踏板的侵入，形成了形式二的伤害。有了跟部支撑方案后，驾驶员右脚被明显约束，跟部支撑与油门踏板形成了一个平稳的支撑面，驾驶员右脚姿态未出现明显扭曲。由图14可知，有了跟部支撑方案后，形式一伤害指标Fz由5.24 kN降低至3.32 kN，降低幅度为36.7%。由图15可知，形式二伤害指标My由153.2 Nm降低至92.5 Nm，降低幅度为39.6%。

图13 脚跟部支撑块方案保护效果对比

图14 形式一伤害改善对比

图15 形式二伤害改善对比

4 油门踏板基座加宽方案仿真对比分析

基于建立的整车有限元约束系统模型，对油门踏板基座加宽方案开展了仿真分析研究。由图16可知，没有油门踏板基座加宽方案时，驾驶员右脚存在明显的外翻风险，即形式三的伤害，有了油门踏板基座加宽方案后，驾驶员右脚外翻特征明显减弱。由图17可知，有了油门踏板基座加宽方案后，形式三伤害指标Mx由160 Nm降至71 Nm，降低幅度为56%。

图16 油门踏板基座加宽方案保护效果对比

图17 形式三伤害改善对比

5 脚跟支撑块方案试验验证

本研究实现了脚跟支撑块方案的量产设计，并获得国家专利保护，如图18所示，同时开展了整车试验验证，试验结果见表1。由表1可知，试验中形式一伤害由4.76 kN降至3.05 kN，改善幅度为36%；形式二伤害由138.2 Nm降至84.6 Nm，改善幅度为39%。整车试验结果与仿真预测结果一致，说明基于整车有限元约束系统，可以实现对小腿形式一和形式二伤害的准确模拟。

图18 脚跟支撑块方案试验验证

表1 脚跟支撑块方案试验验证结果

续表1：

6 油门踏板基座加宽方案试验验证

本研究实现了油门踏板基座加宽方案的量产设计，并获得国家专利保护，如图19所示，同时开展了整车试验验证，试验结果见表2。由表2可知，试验中形式三伤害由165.1 Nm降至63.5 Nm，改善幅度为62%；整车试验结果与仿真预测结果一致，说明基于整车有限元约束系统，可以实现对小腿形式三伤害的准确模拟。

图19 基座加宽方案试验验证

表2 基座加宽方案试验验证结果

7 基于小腿保护的油门踏板及地毯设计要求

本文统计了2015版C-NCAP实施以来正式参与评价车型的小腿得分情况，如图20所示，100%正面碰撞（FRB）工况中，15%的车型小腿的得分率在90%以上，50%车型得分率低于75%。如图21所示，在正面40%重叠碰撞（ODB）工况中，24%车型小腿得分率在90%以上，30%车型得分率低于75%，小腿损伤改善空间大。

图20 2015版C-NCAP参评车型FRB工况小腿得分率

图21 2015版C-NCAP参评车型ODB工况小腿得分率

第5节和第6节中的两款车型在2015版C-NCAP 100%正面碰撞和正面40%重叠碰撞评价中，小腿得分率在90%以上。试验验证结果表明，基于均衡支撑理念提出的设计方案可以很好地解决碰撞事故中小腿受伤严重的问题，验证了这种理念的正确性。为了更好地指导小腿保护方案设计，本研究对驾驶员右脚环境件提出了相关设计要求。地毯设计要求如图22所示，在右脚脚跟处设计支撑块，支撑块与踩下的油门踏板在同一个水平面内。油门踏板设计要求如图23所示，油门踏板臂为直臂设计，踏板基座在y方向有一定的宽度。

图22 地毯设计要求

图23 油门踏板设计要求

8 结论

（1）基于均衡支撑设计理念提出的小腿保护方案可以很好地解决汽车碰撞中常见的三种形式的小腿伤害。

（2）经整车试验验证，驾驶员右脚跟部支撑方案对形式一伤害改善幅度可达36%，对形式二伤害改善幅度可达39%。

（3）经整车试验验证，油门踏板基座加宽方案对形式三伤害改善幅度可达69%。

（4）基于有限元的方法搭建整车有限元模型，可以较好地模拟试验中的小腿损伤，对形式一伤害的模拟精度为92%，对形式二伤害的模拟精度为89%，对形式三伤害的模拟精度为97%。

（5）2015版C-NCAP实施以来，100%正面碰撞工况中15%车型的小腿得分率高于90%，正面40%重叠碰撞工况中，25%车型的小腿得分率高于90%。本文中某两款车型基于均衡支撑设计理念的小腿保护设计方案在2015版C-NCAP评价中小腿得分率达到90%，处于现阶段车型中的优秀水平。

（6）基于均衡设计理念提出的地毯与油门踏板设计要求可以较好地解决汽车碰撞事故中小腿受伤的问题，为行业中同样问题的解决提供参考。