基于后排乘员胸压的安全带固定点位置分析

李君杰，臧 晨，张亚军

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

0 引言

自从2012版C-NCAP增加对第二排女性假人伤害考察后，降低第二排乘员伤害成为整车碰撞安全开发中重要的一部分；2015版C-NCAP增加对第二排女性假人发生下潜情况的罚分；2018版C-NCAP更是增加了第二排女性假人的得分占比。从C-NCAP的发展趋势可以看出，我国汽车安全领域正在逐渐增加对后排乘员保护的重视。根据公安部交管局数据显示：截至2019年上半年，我国汽车保有量2.5亿辆，私家车1.98亿辆，城市拥堵不断，同时全社会交通安全问题日益突出。据国家统计局数据显示，2017年全国发生交通事故总数203 049起，直接造成财产损失121 311万元，导致209 654人受伤，63 772人死亡［1］。2017年日本警视厅曾经出具过一份调查，指出汽车交通事故中的死亡率分布情况［2］，驾驶座为0.32%，副驾驶座为0.27%，后座则高达0.36%。这则消息的公布，不禁让驾乘人员更加重视后排乘员安全保护情况，但是，后排乘员保护配置情况远远不如前排完善，每年在交通事故中死亡的后排乘员人数约1万人［3］，因此，现有后排约束系统配置的保护效率是否能够充分发挥显得尤为重要。

在整车试验过程中，存在一个比较常见的现象，即后排安全带上固定点布置不合理，最终导致后排假人胸压异常增大。究其原因，就是在前期设计中，安全设计工程师对于安全带上固定点的布置位置缺乏参考依据，通常仅满足 “机动车乘员用安全带、约束系统、儿童约束系统和ISOFIX儿童约束系统”这个法规［4］要求而已，进而其布置位置设计不合理。为此，合理布置安全带上固定点位置成为必然。

本文作者根据对10款车型后排安全带上固定点位置的布置情况进行统计分析，加上CAE仿真验证，得出安全带上固定点布置建议，以减小由于安全带上固定点设计不合理对后排假人胸部伤害的不良影响。

1 安全带固定点位置不佳产生的影响

根据C-NCAP 2018版评分体系［5］，某车型整车试验数据显示，后排女性假人胸部伤害较大，得分较低，最后导致女性假人的总体评价成绩较低。

通过检查试验后高速录像发现：在试验过程中，后排假人左侧肩部区域出现受力集中的现象，其运动姿态明显异常。后经详细分析及仿真再现碰撞过程中假人的运动情况，发现安全带肩带存在滑落假人肩部的现象，进而带动安全带包络向下接触假人下胸部位置，胸压伤害加重。

很明显，试验中的车辆，其后排安全带上固定点位置偏低，直接造成碰撞过程中安全带作用的不稳定性，安全带未能充分发挥对假人胸部的保护性能，如图1所示。

图1 安全带上固定点位置偏低的影响示意

2 安全带上固定点布置位置统计分析

2.1 实车安全带上固定点位置布置统计

本文作者对10款不同型号的车型安全带上固定点位置进行统计，因涉及不同车型，为方便对比分析，目标值采用安全带上固定点坐标与后排女性假人理论H点坐标的差值进行对比分析，如表1所示。

表1 安全带上固定点与后排假人理论H点的差值 mm

2.2 安全带上固定点不同坐标下伤害值变化

根据安全带上固定点3个不同方向的坐标值，对比实车碰撞结果中后排女性假人胸部伤害及得分情况。

首先，根据Z方向的坐标情况，进行对比分析，如表2所示。

表2 安全带上固定点Z方向差值对应后排假人胸部伤害情况

根据安全带上固定点与后排女性假人H点Z方向的差值，对车型1～车型8进行排序 （固定点位于C柱上，Z向位移差由小到大），得出伤害值的变化规律。不难发现：随着安全带上固定点位置的提高，后排女性假人胸部压缩量有明显减小的变化趋势，相应得分提高，呈线性变化关系。

车型9和车型10第二排安全带上固定点位于座椅靠背上，所以Z向差值较小，但二者的变化，依然遵循上述规律。

文献 ［6］中指出：安全带D环偏下、偏后导致安全带对假人胸部的约束偏强，对假人腰部的约束偏弱，假人胸部刚度偏低。这与表2中车型1～车型8的变化规律相对应。但随后文中又提出，D环位置布置在C柱上要好于布置在座椅靠背上［6］。通过观察试验车型9和车型10不难发现，“D环位置布置在C柱上要好于布置在座椅靠背上”的结论存在一定的可推敲性，安全带固定点Y向距离是否影响后排女性假人胸部伤害，值得进一步分析。

根据安全带上固定点与后排女性假人H点Y方向的差值，对车型1～车型10实车碰撞结果中后排女性假人胸部伤害及得分情况进行对比分析，如表3所示：随着安全带上固定点与后排女性假人H点Y方向的差值变化，假人胸部伤害不是明显的线性变化关系，但随Δy的增大，整个伤害趋势走向呈现逐渐上升的趋势，如图2所示。

表3 安全带上固定点Y方向差值对应后排假人胸部伤害情况

图2 安全带上固定点Y方向变化对应胸部伤害变化

车型9和车型10第二排安全带上固定点位于座椅靠背上；车型4后排安全带固定点位于C柱与后风窗横梁交点位置，介于C柱和座椅靠背的中间位置，车型4安全带固定点位置如图3所示。所以，无论第二排安全带固定点是布置在C柱上，还是布置在座椅靠背附近，均需要充分考虑安全带上固定点Y向距离，以减小因安全带布置因素对假人胸部伤害的不良影响。

由于安全带上固定点位于座椅靠背附近时，其X向受到座椅靠背上边缘的限制，研究意义不大，所以对于Δx，文中只分析第二排安全带上固定点位于C柱的情况，如表4所示。

图3 车型4安全带上固定点位置

表4 安全带上固定点X方向差值对应后排假人胸部伤害情况

由表4可知：随着安全带上固定点与后排女性假人H点X方向差值的增大，假人胸部伤害无规律性变化，但胸压伤害值较小区域集中在Δx较小的区域内，这表明，当D环安装位置在C柱上时，第二排安全带固定点的位置偏向前方略好，但对于此无明显规律的情况，后续还需仿真手段辅助获取进一步的变化规律。

3 后排安全带上固定点布置位置仿真验证分析

为验证上述实车试验显示的规律，同时寻求第二排安全带固定点布置范围，故进行仿真验证，观察假人胸部伤害变化规律。仿真验证采用简化二阶梯形波加载整车模型进行验证。简化二阶梯形波如图4所示。Δx、Δy、Δz的调节范围参考女性假人H点距离肩部的尺寸，如图5所示。

图4 简化二阶梯形波

图5 H点距离肩部边缘的尺寸

仿真验证矩阵见表5。

表5 仿真验证矩阵 mm

由表5可知：

（1）随着第二排安全带固定点距假人H点Z方向距离的增大，第二排女性假人胸部压缩量呈现减小趋势，所以Δz越大越有利，但是需要考虑实车安装的可行性。结合实车安全带固定点布置情况，得出第二排安全带上固定点Z方向布置的参考范围为600～700 mm。此范围适用于安全带上固定点位于C柱上的情况，不包含安全带上固定点位于座椅靠背上的情况；

（2）随着第二排安全带固定点距假人H点Y方向距离的增大，第二排女性假人胸部压缩量呈现增大趋势，所以Δy越小越有利。结合实车安全带固定点布置情况，得出第二排安全带上固定点Y方向布置的参考范围为150～300 mm；

（3）随着第二排安全带固定点距假人H点X方向距离的增大，第二排女性假人胸部压缩量呈现先减小后增大趋势，其变化规律近似U形，存在最佳可选范围，非线性变化。即在一定范围内，呈现出安全带上固定点越靠前、越有利，比如430～580 mm这个区域；但是超过一定范围，随着安全带上固定点继续前移，胸压反而增大，这是因为，安全带固定点过度向前，肩带更容易滑落肩部，加大安全带对假人胸部的载荷，进而加重胸部伤害，比如230～400 mm这个区域。综合考虑两段变化规律，得出第二排安全带上固定点X方向布置的参考范围为 300～480 mm。

胸部压缩量曲线变化如图6—图9所示。

图6 胸部压缩量响应Δz变化

图7 胸部压缩量响应Δy变化

图8 胸部压缩量响应Δx变化——情况1

图9 胸部压缩量响应Δx变化——情况2

4 结论

通过对实车第二排安全带上固定点的布置情况进行统计，以降低第二排女性假人胸部伤害为目的，分别对安全带上固定点X、Y、Z三个方向与第二排女性假人H点之间的距离差进行研究，同时结合CAE仿真验证其统计的变化规律，从中得到以下结论：

（1）第二排安全带上固定点布置在C柱上时，其布置在较高位置好于较低位置。结合实车安全带固定点布置情况，得出第二排安全带上固定点Z方向布置的参考范围为600～700 mm。

（2）第二排安全带上固定点Y方向接近假人的位置好于远离假人的位置。结合实车安全带固定点布置情况，得出第二排安全带上固定点Y方向布置的参考范围为150～300 mm。

（3）第二排安全带上固定点X方向距离Δx线性变化，在一定范围内，安全带上固定点在C柱上靠前位置好于靠后位置，但在另一范围内，其情况相反，所以存在最优范围。综合考虑不同的变化规律，得出第二排安全带上固定点X方向布置的参考范围为300～480 mm。