黄 杰，费 敬，赵清江，郭怡晖，史爱民

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室， 重庆 401122； 2.中国汽车工程研究院， 重庆 401122)

随着安全技术的不断发展，汽车被动安全性能越来越被消费者所重视，目前我国安全技术水平取得了很大的进步和发展[1]，特别是安全气囊、安全带等安全配置的应用，在正面碰撞中对车内乘员的头部和胸部有着很好的保护效果[2-3]。相比之下，如何减少小腿伤害就显得尤为突出。小腿伤害虽然很少直接危及生命，但在实际事故中乘员下肢损伤普遍存在，其中小腿伤害是交通事故中导致乘员下肢残废的主要原因之一[4-5]，给受伤者生活带来极大的不便。

据有关统计数据表明，在C-NCAP的100%正面碰撞试验中，小腿得分为满分的不足1%，而低于1.4分的则接近50%[6]。因此，进行小腿伤害研究十分必要。目前已有不少学者对试验过程中小腿的伤害特性和影响因素进行了相关分析和研究[7-8]。本文基于某车型，采用madymo软件建立驾驶员侧正面碰撞仿真模型进行小腿伤害研究，从安全带限力等级、歇脚板倾角大小、预紧器的不同类型3个方面的影响对小腿伤害进行分析研究。

1 腿部损伤机理与评价指标

小腿损伤是人体在冲击环境下常见的损伤，易形成骨折、扭伤、韧带受损、撕裂等机械性损伤，严重时可导致终身残疾。由于垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上下部位的扭矩作用是分别导致小腿骨骨折和脚踝以及膝关节受伤的重要原因，因此，在试验中采用轴向载荷力、扭矩作为评价参数。

在C-NCAP中，小腿损伤评价指标包括小腿压缩力和小腿性能指标，且都有其高低性能指标[9]，具体见表1。

表1 小腿伤害评价指标

评价指标高性能值低性能值小腿压缩力Fz/kN 28小腿性能指标TI0.41.3

小腿轴向力可由试验过程中沿各自腿部轴向传递的压缩力直接测得，而性能指标则需要根据公式(1)计算得出：

TI=MRMCR+FZFCZ

(1)

式中：FC为Z向临界压缩力；MR为合成弯矩；MC为临界弯矩。在正面碰撞实验中， (FC)Z和(MC)R的取值分别为35.9 kN和225 N·m。合成弯矩(MR)的计算公式如下：

(2)

式中：MX和MY分别为小腿绕X轴和Y轴的转矩(N·m)，可由假人身上的传感器直接测得。

2 仿真建模与验证

基于某车型试验数据及对标后的整车有限元碰撞模型，利用madymo软件建立约束系统模型以具体研究小腿伤害影响因素。通过该车型有限元数模确定约束系统模块相对位置，如图1所示；安全带配置参数及气囊模型均由供应商提供；考虑到前围板与地板对小腿伤害起着至关重要的作用[10]，为精确模拟小腿的运动，采用PSM方法提取前围板和地板的节点运动信息作为约束系统模型输入；根据试验时测量的H点和试验照片等信息确定试验前假人的位置和姿势；试验中测得的B柱下端加速度作为假模型输入脉冲并添加重力加速度[11]，设置输出以完成建模，如图2所示。

图1 有限元数模

图2 madymo乘员约束系统模型

通过对大量试验结果的分析发现，多数情况下假人小腿弯矩MX相对较小(如未发生崴脚现象)[12]，而小腿X向转矩与小腿摆放位置、前围侵入和变形形式等不定因素有关，同时假人上体对下肢体动态响应影响很小，因此主要从安全带力、骨盆加速度、大腿和小腿轴向力、小腿Y向弯矩等评价指标进行仿真与试验数据的对比验证，对标结果见图3。

图3 仿真与试验对标曲线

根据图3可知，仿真曲线的走势、峰值及其出现的时刻与试验结果吻合度较好，因此，该仿真模型可作为基础模型进行后期分析。

3 小腿伤害分析

本文从安全带限力等级、歇脚板倾角、预紧器3个方向进行小腿伤害分析。该车型的驾驶员左侧小腿压缩力为双波峰曲线，第一个波峰是由于小腿惯性向前运动而受到歇脚板的阻碍所导致，第二个波峰是由于膝盖与护膝板或转向管柱护套接触而造成的。因此，对于左侧小腿，其压缩力曲线的第一、二峰值主要影响因素分别为歇脚板倾角和安全带限力等级。

3.1 安全带限力对小腿伤害的影响

汽车碰撞过程中，乘员因惯性向前移动，安全带就相当于一个弹簧-阻尼单元直接作用于乘员胸部和骨盆部位，一方面约束乘员限制其向前运动，另一方面缓冲并吸收乘员的能量，从而有效避免乘员与内饰发生碰撞。如图4所示，在乘员向前运动过程中，安全带将会对骨盆产生约束力，大腿则受到骨盆向后的拉力，从而减小大腿向前运动量，降低膝盖与仪表内饰的冲击程度；同时大腿的运动受到约束，也将在一定程度上影响小腿的动态响应，从而影响小腿伤害。

图4 安全带对腿部约束示意图

采用不同限力等级分析安全带对小腿伤害的影响见表2，试验中安全带配置为预紧式安全带，其肩带力为4 kN。

根据表2分析可以发现：增大安全带限力等级，左右小腿伤害均有所降低(右侧效果更加明显)，这是由于安全带通过大腿间接约束小腿，增大限力等级则提高了安全带对小腿的约束，降低小腿与护膝板的冲击，从而降低小腿伤害。但随着限力等级的增大，安全带对大腿约束作用更好，小腿由于一端处于自由状态在惯性力作用将与大腿相对转动而产生“甩脚现象”，安全带限力等级越大，甩脚现象越明显，反而不利于小腿保护，故表2中5 kN和6 kN限力条件下小腿伤害有增大趋势。

表2 不同安全带限力等级下小腿伤害对比

3.2 歇脚板倾角对腿部伤害的影响

在假人动态响应过程中，小腿相对歇脚板有向前的加速度a，根据牛顿第二定律可知小腿将产生水平向前的惯性力F，该力可分解为垂直歇脚板向下的力FN′和水平于歇脚板的力Fc′，如图5所示，相应地，歇脚板对脚底产生支撑力FN和摩擦力Fc，则有：

F=ma

(4)

Fc′=Fcosα

(5)

FN=FN′=Fsinα

(6)

当Fc′大于歇脚板最大静摩擦力时，则：

Fc=μFN

(7)

此时脚部会相对歇脚板向前运动，但随着歇脚板角度的增大，FN、FN′、Fc都随之增大，而Fc′则会减小。

当Fc′小于歇脚板最大静摩擦力时，则：

Fc=Fc′

(8)

此时歇脚板将阻碍脚底向前运动，影响小腿向前运动量，从而影响碰撞过程中腿部动态响应。

本文在满足人机工程的条件下研究了不同歇脚板倾角对小腿损伤的影响，仿真结果见图6。从图6可知，随着歇脚板倾角的增大，驾驶员左侧小腿力呈递减趋势，而Y向转矩在一定范围内也呈递减趋势。因此，总体来说增大歇脚板倾角可在一定程度上降低驾驶员左侧小腿的轴向力和Y向转矩，从而降低小腿伤害。

图5 歇脚板受力示意图

图6 歇脚板倾角对小腿力的影响

图7 歇脚板倾角对小腿Y向弯矩的影响

3.3 预紧器对小腿伤害影响

预紧器的作用是在碰撞发生初期消除安全带松弛量，在仿真中的表现就是在碰撞初期安全带织带有个收紧的过程。预紧器装置能够被安装在安全带的任何一端(卷收器、带扣、锚点)，目前市场上常用的有卷收器预紧器、带扣预紧器、卷收器与带扣预紧结合的双级预紧器这3种产品[13]，其中卷收器预紧器是最常用的预紧安全带类型。

预紧器作用时间较短，且在假人相对车体运动初期起作用，但会影响假人整个碰撞过程的运动姿态，故从整个碰撞过程来分析预紧器对假人小腿的影响效果。不同预紧配置下小腿伤害仿真结果见表3。

表3 不同预紧配置下小腿伤害对比

根据表3分析可知，在预紧器的作用下，左右两侧小腿压缩量和Y向弯矩都明显降低。3种预紧器中，双预紧对小腿的保护效果最好，其次是锁扣预紧，最后是卷收器预紧。这是由于锁扣预紧一端直接作用于腰带，故相对于卷收器预紧能更好地约束腿部的运动，从而对小腿有更好的保护作用；而双预紧是卷收器预紧和锁扣预紧的结合体，可以更好地消除安全带间隙，从而对假人有很好的约束和保护作用。

4 结论

通过madymo仿真软件建立某车型约束系统仿真模型，并对仿真模型进行可靠性验证，然后从安全带限力等级、歇脚板倾角、预紧器的不同类型3方面对小腿伤害进行研究，得出以下结论：

1) 在一定程度上增大限力等级可以降低小腿伤害，但限力等级过大，甩腿现象越明显，反而不利于小腿保护；

2) 随着歇脚板倾角的增大，驾驶员左侧小腿压缩力呈递减趋势，而Y向转矩在一定范围内也呈递减趋势；

3) 预紧器对小腿有不同程度的保护效果，双预紧对其保护效果最理想，锁扣预紧次之，卷收器预紧稍差。