正碰中驾驶员侧膝部气囊对乘员损伤影响研究

刘灿灿，刘伟东，何成

正碰中驾驶员侧膝部气囊对乘员损伤影响研究

刘灿灿，刘伟东，何成

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

为了研究正面碰撞中驾驶员侧膝部气囊对乘员伤害的影响，结合26次碰撞试验数据，针对配置膝部气囊以及没有配置膝部气囊的10款车的13次对比试验，对假人损伤进行了研究。分析了数据库的车型分布，分别分析了假人的头部、胸部以及大腿、小腿各部位的损伤情况，采用加权损伤准则（WIC）研究方法，对配置膝部气囊以及没有配置膝部气囊的假人损伤进行深入分析。研究结果表明，由于膝部配置的气囊，使假人头部和胸部的损伤减小；大腿压缩力以及膝位移有所增加；小腿力有所增加，但是胫骨系数有所下降；假人整体的WIC值降低了3.54%。对正面碰撞中驾驶员侧膝部气囊对假人损伤的影响研究，为膝部气囊的开发以及现有膝部气囊的改进优化提供了技术基础。

膝部气囊；碰撞试验；安全带；乘员损伤

随着汽车安全技术的提高，安全带、安全气囊等被动安全约束系统产品日益丰富，出现了可变限力安全带、多级气体发生器、可变刚度安全气囊等半智能化约束系统配置，使得正面碰撞中乘员的头部和胸部伤害明显降低，但这些配置并没有明显地降低乘员下肢的伤害[1]。虽然下肢的伤害并不会对驾驶员和乘员的生命造成威胁，但是却容易造成长期的伤害甚至终身残疾，后续治疗费用高昂，影响生活的幸福指数，给事故的受害者带来生理和心理双重伤害[2]。

据统计，70%以上的大腿部位的伤害发生在正碰事故中，而其中1/2的伤害指数超过AIS2级[3]。各国的正面碰撞法规都对大腿、小腿部位的伤害做出了相应的规定，比如C-NCAP中的4个指标：大腿力、膝部位移、小腿压缩力以及胫骨系数，这些指标对大腿以及小腿部位进行了评价。

为了改善碰撞中大腿、小腿部位的得分，各大厂商主要从两方面改进他们的车型：①采用带有填充材料的护膝板，在一个更大的区域内分散接触力，减少正面碰撞时对下肢的伤害；②安装膝部气囊（KAB），在正碰中展开的膝部气囊（KAB）有助于控制伤害的严重程度以及控制下肢的运动 过程。

膝部气囊虽然起步较晚，但其与常见的安全气囊组成类似，由碰撞传感器、电子控制系统、触发装置、气体发生器和气袋组成[4]。膝部气囊的作用是在发生碰撞时保护乘客膝部的安全，避免了膝部与面板的直接碰撞，缓冲膝部因冲击产生的位移惯性。其工作原理为，当传感器检测到车辆发生碰撞时，气体发生器就会点火发生爆炸反应，产生气体并充满气袋，乘客与气袋接触时，通过缓冲吸收碰撞能量，从而保护乘客[5]。

膝部气囊成本较高、技术难度大，尚未在国内普及，相关的研究方法也比较少[6]。为了研究正面碰撞中膝部气囊对乘员损伤的影响，本文分析了10款车的26个正面碰撞试验，其中13个没有配置膝部气囊，另外13个为对应的同款车型而且配置了膝部气囊，以此分析膝部气囊对假人损伤的影响。

1 车辆配置参数分析

本文采用碰撞试验数据库，分析正面碰撞中配置膝部气囊以及没有配置膝部气囊的同一款车型的碰撞试验，分析膝部气囊对假人损伤的影响。为了避免单次试验的偶然性，分析时本文采用的是近几年的10款车的26次试验。

通过分析发现，配置有膝部气囊的车辆中SUV占了很大的比例，在本文采用的试验中，SUV以及轿车的占比如图1所示。

图1 车型占比图

从图1可以看出，SUV的占比达到了80%以上，轿车的占比只有15%左右。由于试验数据是随机选取，从中可以看出近年来SUV车辆在市场中的占比在不断增加。

分析试验中，都配置有驾驶员前部气囊，其在试验中都进行了正常点爆，由于分析的是正面试验，其余侧气囊等在正面碰撞试验中没有起作用，对车内乘员的损伤影响忽略不计，因此本文不进行考虑，只分析驾驶员侧膝部气囊对车内乘员的损伤影响。

2 车内乘员损伤情况分析

为了分析膝部气囊对车内乘员的损伤影响效果，本节通过对比分析来研究没有配置膝部气囊以及配置膝部气囊的车内乘员的损伤情况。研究表明，正面碰撞中驾驶员的头部、胸部和下肢是主要伤害部位[7]。C-NCAP作为国内新车安全评价标准，其影响力以及权威性都是巨大的[8]。本文主要对C-NCAP中对假人的考核部位进行了分析，分别对头部、颈部、胸部、大腿、小腿五个部分进行了对比分析，由于C-NCAP对每一部位都有多个考核项，接下来对各个部位进行详细分析。

2.1 头部损伤分析

正面碰撞时，车辆由于壁障的阻碍会停止运动，假人由于惯性会继续向前运动，撞到气囊上，虽然气囊对头部起到了一定的保护作用，但是在正面碰撞中还是会对头部造成一定的损伤。

C-NCAP中对于头部的评价，主要参考其值以及 3 ms合成加速度值。

为头部伤害指标（Head Injury Criterion），有时也称头部性能标准（Head Performance Criterion）。这个指标是与头部加速度的时间历程相关的，其计算方式如下，取所有结果中的最大值[9]：

式（1）中：2－1为如果能够确定头部起始接触时刻，则1和2为2个时刻，单位为s，表示头部接触起点与记录结束2个时刻之间的某一段时间间隔，在该时间间隔内值应为最大；为合成加速度。如果不能确定头部起始接触时刻，则1和2为2个时刻，单位为s，表示记录开始与记录结束2个时刻之间的某一段时间间隔，在该时间间隔内值应为最大，2－1≤36 ms。

驾驶员头部以及3 ms合成加速度值如图2所示。

从图2可以看出，配置膝部气囊和没有配置膝部气囊的车辆，驾驶员的头部损伤相差不大，但是配置膝部气囊的驾驶员的以及3 ms合成加速度值要稍小于没有膝部气囊的乘员。头部值降低1.61%，3 ms合成加速度降低0.65%，可见，膝部气囊对头部起到了一定的保护作用，但是保护效果有限。

2.2 颈部损伤分析

C-NCAP中对于驾驶员颈部的评价，主要参考其颈部伸张力、剪切力以及颈部弯矩，驾驶员的颈部损伤如图3所示。

图3 驾驶员颈部损伤值图

从图3可以看出，配置膝部气囊的车辆，其驾驶员的正向伸张力增加，负向伸张力、剪切力以及对轴的弯矩减小。

2.3 胸部损伤分析

C-NCAP中对于驾驶员胸部的评价主要参考其胸部 3 ms合成加速度、胸部位移以及值。

其中，为黏性指标，是由胸骨的即时压缩量和变形率的乘积算出，这2个值都从测量的胸部变形量得出。其中：

（）=（）/0.229

式（2）中：（t）为对时间的变形量，m；t为测量变形量的时间间隔，s，最大值为1.25×104。

（·）（t）=1.3[（t）·（t）]，（·）max=max[（·）（t）]

驾驶员的胸部损伤值如图4所示。

图4 驾驶员胸部损伤值图

从图4可以看出，配置有膝部气囊的车辆，其胸部损伤值相比没有膝部气囊的来说，损伤值下降，3 ms合成加速度下降5.78%，胸部位移由27.57 mm降低到24.7 mm，下降了10.41%。可见膝部气囊对胸部起到了一定的保护作用，减小了胸部的损伤。

从以上分析可以得出，由于车辆配置了膝部气囊，驾驶员头部以及胸部的损伤值减小，其原因可能为膝部气囊展开，阻止了驾驶员向前运动，使驾驶员胸部与车内饰之间的接触时间延迟，驾驶员侧安全气囊有更充足的时间展开，更好地保护头胸部，导致损伤值减小[10]。

2.4 大腿损伤分析

C-NCAP中对于驾驶员大腿的评价主要考核其大腿力以及膝位移，其损伤值如图5所示。从图5可以看出，配置膝部气囊的车辆，其驾驶员大腿压缩力以及膝位移相比没有配置膝部气囊的车，其损伤值增大。左大腿力增加了4.44%，左膝位移增加了42.2%；右大腿力增加了5.33%，右膝位移增加20.61%。可见，膝部气囊的配置导致大腿力以及膝位移增加。

图5 驾驶员大腿损伤值图

配置膝部气囊以及没有配置膝部气囊的左、右大腿力曲线趋势如图6和图7所示。

图6 左大腿力受力情况

图7 右大腿力受力情况

从图6、图7可以看出，配置膝部气囊的车由于碰撞时刻膝部气囊打开，使得大腿更早地接触到气囊，其受力达到最大值的时刻要比没有膝部气囊的早；而且由于其更早接触膝部气囊，导致其损伤值也较大。

2.5 小腿损伤分析

C-NCAP中对于驾驶员小腿的评价主要分析其小腿压缩力以及胫骨系数，其中胫骨系数分为上胫骨系数和下胫骨系数，其损伤值如图8所示。

图8 驾驶员小腿损伤值图

从图8可以看出，有膝部气囊的车，小腿压缩力增加，左小腿压缩力上升了38.76%，右小腿压缩力上升了33%；上下胫骨系数减小，左小腿上胫骨系数降低6.25%，下胫骨系数下降9.38%，右小腿上胫骨系数降低10.2%，下胫骨系数降低8.82%。

3 加权损伤准则

为了更好地分析各伤害值对假人的影响，此处利用加权损伤准则（Weighted Injury Criterion，WIC）来评估假人的损伤，公式为：

式（3）中：为乘员头部损伤指标；3 ms为头部累计3 ms合成加速度峰值；3 ms为胸部累计3 ms合成加速度峰值；为乘员胸部压缩位移量；FL和FR为乘员大腿轴向压缩力。

13次对比试验的值如图9所示。

图9 13次对比试验的WIC值

13次对比试验中膝部气囊对整体值有改善的试验为8次。从图9还可以看到，第6次试验中，有膝部气囊以及没有膝部气囊的值相差比较大，膝部气囊对假人整体值降低起了很大的作用。而从第11次试验中可以看出膝部气囊使得假人整体值有所增加，气囊对改善值起了反作用，其膝部气囊需要进一步优化来改善假人整体值。经计算，有膝部气囊的值平均为0.436，而没有膝部气囊的值平均为0.452，值降低了3.54%，可见膝部气囊对整体值有一定的提升。

4 总结

由于碰撞时膝部气囊展开，阻止了驾驶员向前运动，导致其头部以及胸部接触车内饰的时间延迟，从而保证安全气囊有更充足的时间展开，对头部和胸部起到了很好的缓冲作用，更好地保护头部、胸部，导致其损伤值减小；由于膝部气囊的存在，使得驾驶员的腿部更早地接触到气囊，受到气囊给腿部的一个力，其大腿力和膝位移的损伤值增加；膝部气囊给大腿的接触力通过膝盖沿着胫骨/腓骨向下传递，而脚部受到踏板等的阻碍，传递受阻，导致小腿压缩力增加，但是小腿胫骨系数由于膝部气囊的安装而有所下降。小腿压缩力最多上升了38.76%，胫骨系数最多降低了10.2%。

用加权损伤准则对假人整体损伤情况进行评价后发现，由于安装了膝部气囊，假人整体WIC值降低了3.54%。

［1］卢静，郑颢，岳鹏，等.碰撞中驾驶员小腿受伤典型特征及保护策略研究［J］.北京汽车，2018（6）：27-30，42.

［2］孙振东，朱海涛，刘玉光.正面碰撞试验中乘员小腿伤害特性研究［C］//湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室会议，2007.

［3］MIYAHARA R，MIYAJIMA Y，OGAWA S.The application of optimization techniques to design a foam pad to reduce lower-extremity injuries［J］.SAE Technical Paper，2008，2014（1）：10-30.

［4］程海东.驾驶员侧膝部安全气囊的仿真研究［D］.锦州：辽宁工业大学，2018.

［5］周厚林.汽车膝部安全气囊［J］.科技创新导报，2014（1）：68.

［6］王挺.整车安全及膝部安全气囊仿真方法的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［7］胡陈晨.轿车正面碰撞驾驶员头、胸和下肢损伤研究［D］.长沙：湖南大学，2011.

［8］黄江寅，杜亮，刘光健，等.膝部气囊在正面碰撞中的研究与应用［J］.汽车与配件，2017（6）：42-43.

［9］中国汽车技术研究中心，哈飞汽车股份有限公司，北汽福田汽车股份有限公司.GB 11551—2014汽车正面碰撞的乘员保护［S］.北京：中国标准出版社，2014.

［10］李丽，朱西产，王晶晶，等.汽车膝部气囊设计及对乘员伤害影响研究［C］//第十六届中国汽车安全技术国际研讨会，2013.

2095－6835（2020）06－0046－03

U491.61

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.015

刘灿灿（1991—），女，研究生，工程师，研究方向为汽车被动安全。

〔编辑：张思楠〕