汽车正碰后排假人胸压伤害原因分析和优化

邓世宽 李盼东 王洪川 闫成

（1.北京长城华冠汽车技术开发有限公司；2.太航常青汽车安全系统（苏州）股份有限公司）

C-NCAP 经过多年的发展，测试项目不断完善，评价标准越来越严格。目前乘员保护中的50 km/h100%全正碰和64 km/h 40%偏置碰试验中，对后排女性假人伤害的评价越来越重视。后排女性假人伤害受多方面影响，包括车体加速度、座椅性能、安全带性能以及假人的总布置尺寸。某车型在试验阶段发现后排女性假人的伤害值不满足目标要求，文章采取仿真分析和滑台试验手段，寻找造成假人伤害的主要原因和降低假人伤害的手段，优化后最终实现性能达标，该过程的经验可用于车型开发指导工作。

1 目标和现状

1.1 目标设定

某车型在设计初期设定目标为2018 版C-NCAP[1]五星，此车型基于同平台基础车型（2015 版C-NCAP五星），通过更改内外造型、增加轴距、重新开发侧围并优化部分车身结构进行开发设计。通过研究基础车性能表现，制定符合2018 版C-NCAP 五星的车辆性能目标，如表1 所示。从表1 可知，优化重点在于提升正面碰撞及侧面碰撞后排假人伤害、行人保护以及主动安全自动制动系统（AEB）的性能得分。

表1 某车型碰撞性能目标分解

1.2 数据提取结果

试验车的气囊控制器配置为8 回路，包括主副驾单级气囊、主副驾预紧限力式安全带、前排左右侧气囊、左右侧气帘、后排左右两侧三点式限力安全带、中间普通三点式安全带。通过第1 轮数据提取获得的后排数据结果显示，正面碰撞中后排假人伤害低于目标值，主要由于颈部和胸压伤害大引起。后排女性假人伤害的目标值和初步得分，如表2 所示。

表2 汽车碰撞试验中后排假人伤害数据提取结果

图1 示出后排假人在正碰过程中的运动姿态。分析试验数据和高速摄像可知，碰撞开始后，汽车减速，假人在惯性作用下开始移动，骨盆向前滑动，躯干以骨盆为轴向前弯曲，限力安全带全程在起作用，未发生失效。假人在运动的整个过程中，头部未与前排座椅以及其它车内零部件发生二次碰撞，但假人在碰撞初期骨盆前移量较大，安全带未能有效束缚骨盆，造成安全带织带的所有压力均作用于假人躯干，假人肩部未起到力的分解作用，胸部压力增大造成胸部位移较大。同时最后阶段假人甩头严重，造成颈部Z 向力较大。

图1 后排假人在正碰过程中运动姿态示意图

试验后检查机舱内部和车体结构，无明显异常，车身变形量符合预期。分析车体响应可知，B 柱加速度峰值和脉宽的试验和仿真结果差异不大，两者对比情况，如图2 所示。

图2 50 km/h 100%正面碰汽车左B 柱加速度试验与仿真曲线对比图

后排假人胸压曲线，如图3 所示。检查假人伤害值曲线，胸部压缩量超出性能目标范围，胸部总压缩量在50 ms 时开始上升，一直到90 ms 达到第1 个峰值，峰值在120 ms 达到最大，通过时间段对比判断并结合高速摄像，胸压峰值受加速度峰值出现时刻以及安全带力的影响不大，100 ms 左右的波谷主要是由于假人腿部被前排座椅限制前移导致。

图3 50 km/h 100%正面碰汽车后排假人胸压曲线

假人胸压增大过程中只有安全带力在起作用，假人骨盆前移量大造成安全带所有压力作用于胸部，肩带未有效分解压力。所以造成后排假人伤害值大的原因主要是由于碰撞过程中假人前移量大。

2 原因分析

假人胸部伤害增大主要是由于安全带直接作用于胸部的力增大，持续时间长。通过搭建仿真分析模型和滑台试验查找问题真因。仿真模型主要体现后排座椅总成、后排左侧安全带及插锁、地毯和前排座椅靠背后面。滑台主要由白车身、后排座椅总成、后排左侧安全带及插锁、地毯和前排座椅总成组成。某车型优化用后排仿真模型和滑台模型，如图4 所示。仿真模型和滑台输入的加速度曲线均为车辆气囊数据提取阶段的B 柱加速度曲线。

图4 某车型优化用后排仿真模型和滑台模型示意图

后排假人伤害和运动趋势主要受后排座椅和安全带影响，因此从这两方面进行分析。

2.1 后排座椅坐垫

后排座椅带有防下潜泡沫结构，座椅主要结构为金属骨架，座椅坐垫和靠背为分体式，坐垫前部卡接，后部采用螺栓与车身连接。在试验过程中，后排座椅坐垫后部安装结构和坐盆支架发生变形并前移，安装点不能有效阻止坐垫向前移动，假人随之前移，同时座椅防下潜结构会因为座椅坐垫的前移失去原有的效果，造成假人骨盆前移。坐垫试验后状态，如图5 所示，安装结构和固定装置明显已经弯曲。

图5 汽车碰撞试验后坐垫前移失效状态图

座椅设计工程师和供应商针对座椅进行优化，确定整改方案为加强坐垫支架的刚度，改变支架结构并加强失效焊点的控制[2]。重新制作样件，经滑台试验验证，座椅坐垫前移量明显减少，骨盆得到有效束缚后，假人运动姿态相比提取试验改变，假人骨盆前移量减少，胸部压缩量和颈部伤害明显降低，如表3 所示。

表3 某车型后排座椅加固前后后排假人伤害数据提取结果

2.2 后排左侧安全带插锁

由于安全带插锁与车身连接方式为织带式，在碰撞前为非拉紧状态，织带本身也有延伸率，所以插锁在碰撞中有向前移动的倾向，导致腰部的束缚没有达到最好的效果，织带式连接的插锁效果不如钢板或钢丝绳连接的插锁。利用仿真手段增加锁止锁舌，用来束缚假人骨盆的前移量，可以有效地减少胸部压缩量[3]，但是骨盆加速度提升会造成颈部伤害，尤其颈部弯矩伤害增大，使用锁止锁舌前后假人伤害的对比情况，如表4 所示。

表4 安全带插锁使用锁止锁舌前后后排假人伤害

2.3 后排安全带出带口

后排安全带卷收器布置在C 柱下侧围上，卷收器和支架采用螺栓连接，水平布置，出带口在X 方向，安全带出带口和后排座椅靠背上无导向装置，安全带下固定点布置在车身C 柱下部。

由于卷收器在出带口处无导向装置，假人前移后，织带受力，出口附近织带产生向下的压力，织带会压缩座椅靠背泡棉，也有可能会掉落进座椅靠背和C 柱装饰板之间。安全带在起始阶段起不到应有的作用，织带无法约束假人的运动。同时织带出口位置距离假人颈部较远，织带产生的压力被肩部分解得较少。安全带出带口位置，如图6 所示。

图6 某车型安全带出带口位置示意图

通过仿真模型，在靠背上增加导向装置，防止织带陷入坐垫发泡中。改变出带口的方向，其模型如图7 所示。在原出带口前140 mm 处增加导向装置，或在此基础上导向环位置Y 向向内移动40 mm。

图7 优化导向环出带口位置示意图

再分别调整安全带出带口导向环X 向和Z 向位置，开展仿真分析，输出后排女性假人伤害，如表5 所示，胸压有所降低，同样颈部弯矩伤害值增加。

表5 导向环位置变更后假人伤害

2.4 后排安全带卷收器

后排卷收器使用预紧限力安全带在滑台上开展试验，其余所有零部件不变。使用预紧限力安全带相比限力安全带的假人伤害值更低[4]，匹配的安全带限力等级也会起到很好的保护作用。预紧作用可以有效地避免假人在初始阶段向前移动，假人躯干在绕骨盆弯曲的过程中，安全带力可以被肩部分担一部分。表6 示出使用预紧限力安全带开展滑台试验后的假人伤害数据。限力等级越大，假人的胸压会越大，但是颈部扭矩会降低。选取合适的限力等级，能够确保假人整体的伤害满足要求，最终需要结合仿真和试验的数据确定。

表6 使用预紧限力安全带开展滑台试验后的假人伤害

3 结论

文章通过开展仿真分析结合滑台试验，查找后排假人受伤害的影响因素，用以指导将有利的设计体现到前期开发的车型中。以上多种方案在数据冻结后实施的局限性比较大，安全带布置位置、结构以及更改配置和点火回路需更改大量设计并进行试验验证。

1）经分析确定假人前移量大的原因主要有3 个方面：座椅防下潜失效、织带式插锁效果差、导向环布置位置以及安全带卷收器类型不合适。需要在设计初期充分考虑后排防下潜的可靠性，插锁布置尽量减少织带的延伸率，导向环布置靠近肩部，使用预紧限力安全带从而使后排女性假人伤害降低。

2）后排女性假人由于没有气囊约束，只受安全带和座椅约束，头部不能产生二次接触，所以胸部伤害会和头颈的伤害矛盾，在优化过程中需要权衡考虑，在保证头部不发生二次碰撞的前提下，使胸压和颈部扭矩伤害都降到合理的范围内。

3）预紧限力式安全带、安全带式气囊、后排假人头部用气囊等会约束假人运动，对降低假人伤害起到作用，这是碰撞安全未来的主要研究方向。