正面碰撞胸部性能提升及DAB支撑性影响因素研究

多情剑客无情剑

基于此车型的优化-NCAP2015版本，该评价法规中将50km/h100%正面刚性壁碰撞试验和64km/h 40%可变形偏置碰撞试验中的假人胸部伤害指标由原本的“胸部压缩变形量”和“3ms胸部合成加速度”更改为“胸部压缩变形量”和“胸部粘性指数VC”。其中VC的计算如下所示[2]现状，结合新版C-NCAP2015做出如下分析：根据新发行的C，在VC的考核中，压缩量的变化率和峰值影响较大，胸部加速度的影响较小。在原版本中，因考虑胸部加速度，通常将气囊设计偏软，这样，为防止气囊被头部击穿，往往不能将限力轴等级调整至更低参数，基于此更改得出推论：正面碰撞中在综合考虑头部伤害值的情况下，可选择更低规格限力轴，而限力轴规格的降低将导致乘员上肢在碰撞中的运动距离增大，此时为防止头部击穿的情况，需选择较强支撑性参数的驾驶员安全气囊用于优化。
计算胸部的VC值：
在t时刻的肋骨变形速率由滤波后的变形量计算求得
式中：D（t）为t时刻的变形量（m）：
δt为变形量测量的时间间隔（s）
3 驾驶员安全气囊支撑性核查
如图1所示：为真实模拟实车碰撞中的气囊对人体头胸的支撑状态，采用下述垂直跌落试验台架进行单品试验，试验台架可根据设定进行一定速度以内的垂直冲击试验，冲击块的根据正面碰撞用的假人头颈胸的质量来设定为36kg[3]。
根据开发经验及结合以往项目中的仿真计算，设定跌落时跌落块与气囊接触的的速度值为6m/s，即满足6m/s的跌落不击穿即判定合格，是否击穿可以根据加速度曲线评估，若气囊支撑性良好，则跌落块上传感器所采集的曲线为平稳上升至一定峰值之后再随着时间平稳下降，曲线中仅会存在一个峰值[2]。
下图3所示为该车型A在ET前进行的跌落试验核查，试验采集曲线如下，曲线中出现两个峰值，第二个峰值为冲击块击穿气囊后接触方向盘产生，该气囊不满足定义的支撑性要求。
为避免试验偏差和排除气囊气体发生器的影响，选择另一款已量产车型B进行对标试验，该车型与车型A使用同一气体发生器，且囊袋大小、排气孔参数均相同，试验采集曲线如下图4所示：由曲线形态分析结论：该气囊支撑性表现良好。
4 驾驶员安全气囊影响因素核查及原因分析
结合高速录像和采集的加速度曲线分析气囊支撑性不足有下述几个原因产生：
一、充满时刻长；从高速录像可以看出气囊展开较慢，所需充满时刻较长，在跌落块与之接触时气袋尚未充满，影响支撑性能。
二、内压低、平稳压力值持续时间短；气囊泄气速率较快，气密性较差，导致囊袋内的实际压力低于正常值，同时由于泄气过快，导致内压曲线无法稳定在设计定义范围内。
三、展开后的袋形；推测气囊展开后的袋形会由于内部束缚件和罩盖的形态不同而不同，该形态对支撑性会产生影响。
根据上述分析的三个主要原因，需要根据驾驶员安全气囊的零件进行细分拆解，从细分零件中提取出相关的性能参数进行试验验证分析是否准确[4]。
拆解后零件如图5所示：驾驶员安全气囊一般包括饰盖、气袋总成、撑圈总成、压板、气体发生器总成、托板总成、固定件。
基于拆解后的细分零件分析结果如下图6所示：列表所示参数会对驾驶员安全气囊的支撑性产生影响，其中发生器压力曲线和气袋排气孔是直接影响因素[5]，但发生器压力值在初期选定后通常不做变更，排气孔初期均设定为2×30或者2×35，排气孔的参数会留待后续优化中再做调整，基于排除上述两点影响因素的情况下，我们选择一款已经确认满足支撑性能的驾驶员安全气囊零件B做为对标分析零件，用于分析影响因素。B零件的发生器规格和排气孔大小、数量、位置均与所需提升零件一致。
5 影响因素对比，验证分析结论，并改善
5.1 設定对标试验矩阵
对需提升支撑性车型的驾驶员安全气囊A和对标零件B进行对比并细分试验矩阵如表1。
上述试验矩阵所进行的跌落试验数据对比如下图所示：
5.2 试验结果分析
根据上图方案1 与方案3、方案1与方案7、方案3与方案7的对比，可以确认折叠方式和囊袋材料均对气袋的表现产生影响。根据方案1与方案6、方案4与方案6对比，可以确认撑圈结构和罩盖结构对气囊的支撑性产生影响。根据方案1与方案8的对比，可以确认拉带长度对气囊支撑性无改善。
根据试验结果分析结论如下：折叠方式方面B气囊使用星型折叠，该折叠方式的气袋在充气时，较易打开；囊袋材料方面A气囊与B气囊的线密度均为470dtex，但在涂层材料重量、幅宽上存在微小差异，推测该差异是导致气密性差异的主要原因。撑圈结构方面B气囊根据DAB结构设计使用方形撑圈，可以增加气囊的底部面积，有利于束缚袋形。罩盖结构方面因素包括撕裂线结构和罩盖尺寸，根据多次高速录像判断两者撕裂时刻差异仅为0.5ms，就对标分析而言基本排除撕裂线的影响，将罩盖尺寸列为罩盖结构的影响因素。
由于A车型已进入ET状态，即将进行首轮碰撞试验，基于时间和成本的角度需要尽量选择更改影响小的方案进行优化。其中更改气袋供应商将影响试验进度，同时，从曲线上查看，两者囊袋在部分参数上的差异并未对支撑性产生敏感性的影响。另外，气囊罩盖轮廓在造型阶段已经定义完成，且为沿用造型，已无法更改，因而优化方案中并不首选调整这两个因素。
综上，综合考虑成本以及开发时间周期的情况下，我们选择下述三个优化方案进行再次验证，确认优化是否有效。方案一：A气囊本体结构+B零件撑圈+星型折叠+B气囊气袋；方案二：A气囊+仅更改排气孔到2×30；方案三：A气囊本体结构+B零件撑圈+星型折叠+更改排气孔到2×30。
为验证优化方案的有效性，再次进行跌落试验验证：
根据试验结果，仅通过方案一和方案二均无法完全解决支撑性不足的情况，方案三可明显改善支撑性，并达到设计要求，在成本周期均可接受的情况下，优先选择方案三做为更改方案。
5.3 优化方案后的气囊进行验证
采用更改后的方案首先搭载整车仿真进行验证，验证方案采用优化后的DAB参数、2.6KN的限力等级（原状态3.2KN），仿真分析得分结果如下表：从仿真结果上验证改善方案有效
将已进行仿真验证的方案，搭载进行实车碰撞试验，在50km/h100%正面刚性壁碰撞试验和64km/h 40%可变形偏置碰撞试验中，A车型的驾驶员胸部伤害值曲线如下，得分分别为4.78分（满分5分）、3.65分（满分4分）。从试验结果上可以判断优化方案有效。
6 总结
在新版C-NCAP法规的达成中，由于胸部考核指标的调整，针对正面碰撞中的假人胸部伤害值优化思路也需进行针对性调整，本文根据实际开发中的优化分析，为后续项目的优化提供了参考；基于此优化思路，在新版C-NCAP2015中，驾驶员安全气囊的支撑性相比以往具有更大的意义，需要在设计初期就针对驾驶员安全气囊的影响因素进行核查，包括折叠方式，撕裂线形态，气囊底部形态束缚的撑圈结构，合理选择相应的设计方案，同时，应尽早进行跌落试验检验，评估支撑性是否满足要求，为后续约束系统匹配优化留下空间。