钮嘉颖，丁玲，王星磊，王恒，詹阳普，万焱（东风汽车公司技术中心车身部，武汉，430058）



不同安全带配置和参数对正碰假人伤害值的影响研究

钮嘉颖，丁玲，王星磊，王恒，詹阳普，万焱
（东风汽车公司技术中心车身部，武汉，430058）

摘 要：安全带的配置和参数是影响安全带性能的主要因素。本文利用MADYMO 仿真分析工具，得出了某车型在正面100%重叠刚性壁障碰撞中预紧器的点火时刻、限力器的限力值对约束系统性能、前排假人运动响应和伤害值的影响。同时利用正交试验设计法和极差分析法，优化了某车型的安全带配置和参数。通过整车碰撞试验验证优化后的配置和参数，试验结果表明，优化后前排假人各部位的伤害值不同程度地降低，主驾假人的WIC减小了5.42%，乘客假人的WIC减小了39.07%，约束系统的整体性能得到了有效的提升。

关键词：安全带；前排假人伤害值；优化设计

钮嘉颖毕业于武汉理工大学，硕士研究生学历，东风汽车公司技术中心，责任工程师，主要研究方向为乘员保护系统和儿童安全防护、安全标准与规范，曾发表EI期刊1篇，EI会议1篇。

1　前言

目前汽车安全带约束系统是最有效的乘员保护系统之一[1]，当车辆发生强烈的碰撞时，车身剧烈减速，而由于惯性，驾驶员和乘员的身体仍以原速度向前移动，此时安全带作用在于约束住驾乘者的身体，同时吸收部分冲击能量，防止二次伤害。安全带约束系统对乘员的保护效果受到很多因素的影响，其中包括车身的结构和性能、座椅的结构和刚度、安全带的布置位置、安全带系统的性能参数等。为了改善乘员的伤害值，在安全带系统的设计过程中，结合目标车型选择最优的设计方案至关重要。

2　安全带的配置选择和优化

2.1 配置选择

按照对标竞品车型，某车型安全带配置初定为主驾侧预紧限力式安全带，乘客侧单限力式安全带。经过仿真发现，如表1所示，在正面100%重叠刚性壁障碰撞中，主驾假人和乘客假人的胸部变 形量 分 别 为 26.93 mm和 31.51 mm，根 据CNCAP评价体系，均已超出高性能限值，需要优化。所以，拟通过仿真研究不同安全带配置和参数对假人各部位伤害值的影响，并选择最优的配置参数方案。

2.2 配置优化

2.2.1 车体模型建立

根据C-NCAP要求，运用MADYMO建立某车型正面100%重叠刚性壁障碰撞仿真模型，主驾和乘客采用HybridⅢ型第50百分位男性假人，如图1.1和1.2所示。将实车碰撞试验测得的加速度波形作为模型的加速度场，如图2.1和2.2所示，通过MOTION.JOINT_ACC将左下B柱加速度波形加载到主驾的车体模型上，将右下B柱加速度波形加载到乘客的车体模型上，车体和假人定义50 km/h的初速度。

图1.1　主驾正碰仿真模型

图1.2　乘客正碰仿真模型

图2.1　实车碰撞左下B柱加速度波形

表1　正碰中主驾和乘客假人伤害指标

图2.2　实车碰撞右下B柱加速度波形

2.2.2 仿真分析

图3.1-3.7为3种不同安全带配置下，主驾假人头部、胸部、颈部、大腿各个部位的响应曲线。主驾安全带的3种配置分别为：1.双预紧（端片预紧+卷收器预紧）限力式；2.单预紧（卷收器预紧）限力式；3.单限力式。

图3.1　不同配置主驾假人头部合成加速度曲线

图3.2　不同配置主驾假人胸部合成加速度曲线

图3.3　不同配置主驾假人胸部压缩量曲线

图3.4　不同配置主驾假人颈部剪切力曲线

图3.5　不同配置主驾假人颈部伸张力矩曲线

图3.6　不同配置主驾假人左大腿压缩力曲线

图3.7　不同配置主驾假人右大腿压缩力曲线

图3中，从假人身体各部位的伤害值曲线可以看出，配置双预紧限力式安全带的第一个峰值最早出现，其次是单预紧限力式安全带，单限力式的第一个峰值最晚出现，而且配备预紧限力式安全带的第一个波峰明显大于单限力式安全带的第一个波峰。这是因为安全带预紧器可以有效地提高约束系统的初始刚度，能够在碰撞过程中提早对乘员的约束，在碰撞前给乘员一个向后的拉力，消除了织带与乘员身体之间以及身体与座椅之间的间隙，从而使织带约束乘员的时间提前。而对于假人的腿部，仅配置双预紧限力式安全带的假人左腿力曲线出现了一个小的正值波峰，这是因为位于假人左部的端片预紧器能在碰撞之前给假人骨盆处一个向后的拉力，所以假人的大腿受到拉伸，而卷收器预紧主要对假人的上部躯干产生一个向后的约束力。

同时，配置双预紧限力式安全带的最大峰值最晚出现，其次是单预紧限力式安全带，单限力式的最大峰值最早出现，这是因为预紧器使乘员对碰撞的响应时间提前，增大乘员的有效移动空间，使得乘员与车身、内饰和安全气囊的接触时间推迟，伤害值更晚地达到峰值，而且头部合成加速度、胸部合成加速度、胸部压缩量、左大腿力、右大腿力都有明显地降低。

从右部大腿力的曲线可以看出，预紧限力式安全带有效地避免乘员与车内内饰，如转向盘、仪表板等发生碰撞[2]，单限力式安全带的限力器使用虽然能减小安全带对乘员胸部的载荷，但同时也造成乘员上躯干的较大前移量，使乘员右部大腿撞击仪表板，导致腿部压缩力达到7.46 KN，从而扣分严重。

但是颈部的剪切力和力矩，配置预紧限力式安全带的假人伤害值，略微大于配置单限力式安全带的假人伤害值。这是因为预紧器有效地提高了约束系统的初始刚度，而安全带主要对假人的躯干产生约束，所有配置下初始假人头部向前的运动状态一致，接着由于预紧式安全带相较于单限力式而言，对假人躯干的约束在相同前向位移下前者约束刚度更大，而假人颈部依旧保持原有运动速度，所以颈部受到了更大的剪切力，达到限力域值后在限力器作用下，限制了头颈部的旋向运动速度，故假人的躯干和头部的伤害值减小了，而假人颈部的伤害值增大了。

综上所述，主驾侧安全带配置选择双预紧限力式安全带，可以得到最优的性能。

图4.1-4.7为3种不同安全带配置下，乘客假人头部、胸部、颈部、大腿各个部位的响应曲线。乘客安全带的3种配置分别为：1.预紧（卷收器预紧）限力式；2.单限力式；3.普通三点紧急锁止式。

图4.1　不同配置乘客假人头部合成加速度曲线

图4.2　不同配置乘客假人胸部合成加速度曲线

图4.3　不同配置乘客假人胸部压缩量曲线

图4.4　不同配置乘客假人颈部剪切力曲线

图4.5　不同配置乘客假人颈部伸张力矩曲线

图4.6　不同配置乘客假人左大腿压缩力曲线

图4.7　不同配置乘客假人右大腿压缩力曲线

图4中，从假人身体各部位的伤害值曲线可以看出，对于乘员而言，相比于普通安全带，预紧限力式安全带使假人各部位的伤害值均显著降低，总体来说，在整个碰撞过程中，配置预紧限力式安全带的假人受力更加恒定，运动更加平稳，所受的运动加速度趋于恒值，与车身和内饰没有严重的撞击[3]。

而且预紧器明显增加了约束系统的初始刚度[4]，出现了较为明显的第一波峰，或者第一波峰出现的较早，使乘员对碰撞的响应时间提前。

而单限力式安全带相比于普通三点紧急锁止式安全带，乘员的头部、胸部、颈部的伤害值均有一定程度的减小，但乘员腿部的伤害值几乎没有优化，这是因为限力器主要作用于乘员的胸部，使织带对胸部施加恒力，不会产生过高的载荷。所以对乘员上半身的约束状态有所优化，而对腿部没有明显的作用。

综上所述，乘客侧安全带配置选择预紧限力式安全带，可以得到最优的性能。

3　安全带系统参数的优化设计

影响安全带系统对乘员约束效果的因素很多，其中包括卷收器、织带、预张紧器、载荷限力器、安全带固定点位置等，还与所装车辆的刚度、结构以及尺寸等因素有关。安全带系统设计应配合具体所装车型，优化各影响因素的参数，才能得到最优的系统设计。

3.1 参数及范围确定

加权伤害准则WIC(Weighted Injury Criterion)是美国通用公司为了评价约束系统的整体性能，提出的一种伤害评价方法[5]。具体方法为引入加权因子，将各项伤害指标（HIC36、胸部3ms合成加速度、胸部压缩量以及大腿压缩力）用加权的方法综合起来计算，得到伤害评估值WIC。

WIC值越低，约束系统的保护性能越好。为此，选择WIC 值作为优化目标，采用正交试验设计法对安全带影响较大的设计参数进行优化。

式（1）中每项指标前的加权系数表明了该种伤害类型的重要程度，重要程度来自于对大量事故的统计分析。

影响安全带性能的设计参数包括安全带预紧点火时间、织带延伸率、限力值、恒力作用下织带的拉出长度、初始松弛量等[6]。根据安全带的特点和实际情况，选择安全带预紧点火时间、限力值2个参数对安全带设计进行优化。

根据车体的空间和经验值确定2个参数的变化范围如下表2所列：

表2　安全带设计参数变化范围

3.2 正交试验法

根据选定的安全带的设计参数及其变化范围，选用正交表L9（34），见表3和表4。正交试验的因素为主驾端片预紧点火时刻、主驾卷收器预紧点火时刻、主驾限力值、副驾预紧点火时刻、副驾限力值，分别用A、B、C、D、E表示，在变化范围内每个因素有3个水平，分别为最小值、初始值和最大值，用1、2、3 表示。

表3　主驾假人伤害值正交试验结果

表4　乘客假人伤害值正交试验结果

按照正交表，用MADYMO进行仿真正交试验，根据每次仿真试验结果计算出每次试验的WIC值。每次仿真试验的HIC36、C3MS、CCOMP、FFL、FFR和WIC 值如表3和表4所示。

3.3 结果分析

正交试验完成后，为确定各试验因素在试验中的最优组合，需要对安全带系统正交试验结果进行极差分析，如表5和表6所列。

注：Kjm为 第j列因素第m水平所对应的试验指标和；Kjm为Kjm的平均值，由Kjm的大小可判断第j列因素的优水平，即最优组合；Rj为第j列因素的极差，即第j列因素各水平下平均指标值的最大值与最小值之差。Rj反映了第j列因素水平波动时试验指标的变动幅度。依据Rj可 判断试验因素对试验指标影响的主次顺序，Rj越 大说明该因素对试验指标的影响越大。

表5　主驾假人伤害值正交试验结果极差分析

表6　乘客假人伤害值正交试验结果极差分析

由表5可知，RC>RB>RA，所以这3个因素对试验指标影响的主次顺序为C>B>A，即主驾安全带3个因素对约束系统整体性能影响的主次顺序分别为主驾卷收器限力值、主驾卷收器预紧点火时刻、主驾端片预紧点火时刻。选取 Kjm值最小的水平作为第j列因素的优水平，判断主驾3个试验因素的最优组合为A1B3C1。

由表6可知，RE>RD，所以这2个因素对试验指标影响的主次顺序为E>D，即副驾安全带2个因素对约束系统整体性能影响的主次顺序分别为副驾卷收器限力值、副驾卷收器预紧点火时刻。选取 Kjm值最小的水平作为第j列因素的优水平，判断副驾2个试验因素的最优组合为D2E1。

4　试验验证

综合配置和参数优化，主驾使用双预紧限力式安全带，参数为A1B3C1；副驾使用单预紧限力式安全带，参数为D2E1。图5和图6为主驾和乘客假人头部、胸部、颈部、大腿各部位的响应曲线与实车试验曲线对比；针对C-NCAP 的评分规则，主驾和乘客假人伤害指标的对比结果见表7和表8。

图5.1　主驾假人头部合成加速度曲线

图5.2　主驾假人胸部合成加速度曲线

图5.3　主驾假人胸部压缩量曲线

图5.4　主驾假人颈部剪切力曲线

图5.5　主驾假人颈部伸张力矩曲线

图5.6　主驾假人左大腿压缩力曲线

图5.7　主驾假人右大腿压缩力曲线

图6.1　乘客假人头部合成加速度曲线

图6.2　乘客假人胸部合成加速度曲线

图6.3　乘客假人胸部压缩量曲线

图6.4　乘客假人颈部剪切力曲线

图6.5　乘客假人颈部伸张力矩曲线

图6.6　乘客假人左大腿压缩力曲线

图6.7　乘客假人右大腿压缩力曲线

表7　试验与仿真主驾假人伤害指标对比结果

表8　试验与仿真乘客假人伤害指标对比结果

表9　优化前、后假人伤害指标对比结果

从图5和图6，表7和表8中可以得出，试验曲线与仿真曲线的趋势基本一致，实车试验中假人伤害值的峰值出现时刻与仿真计算结果大致相同，而且伤害指标的误差均在10%以内，试验验证了仿真模型的有效性，以及所得结论的正确性。

从表9中可以看出，经过配置和参数的优化，假人各部位的伤害指标不同程度地降低，主驾假人的WIC减小了5.42%，乘客假人的WIC减小了39.07%，约束系统的整体性能得到了有效的提升。

5 结束语

根据某车型C-NCAP 的正面100 %刚性重叠壁障碰撞试验结果，通过MADYMO仿真分析工具，研究在不同安全带配置和参数下前排假人的运动响应曲线与伤害值，得出了预紧器的点火时刻、限力器的限力值对约束系统性能、假人运动响应和伤害值的影响。同时根据仿真结果，利用极差分析法，选择了最优的配置和参数值。优化后，假人各部位的伤害指标不同程度地降低，主驾假人的WIC减小了5.42%，乘客假人的WIC减小了39.07%，约束系统的整体性能得到了有效的提升。

参考文献：

[1]赵中兴, 汤珮. 车辆安全带设计开发经验浅谈[J].农业机械, 2011, 12: 038.

[2]袁健, 孙振东, 史永万. 轿车安全带优化设计及模拟计算[J]. 汽车工程, 2002, 24(2): 160-163.

[3]徐俊. 汽车安全带产品开发过程中的质量控制[D]. 上海交通大学, 2011.

[4]孔若平. 汽车安全带的锁定系统中的动力学原理[J]. 物理教学探讨: 中学教学教研专辑, 2011 (4): 61-62.

[5]李丽, 朱西产, 王晶晶, 等. 汽车膝部气囊设计与优化[J]. 汽车技术, 2014, 1: 001.

[6]钟柳华, 陈春柳. 汽车安全带总成强度设计探讨[J]. 企业科技与发展: 下半月, 2008 (10): 85-88.

中图分类号：U467.1+4

文献标识码：A

文章编号：1005-2550（2016）02-0050-09

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.008

收稿日期：2015-09-23

The effects of different configuration and parameters of a safety belt on dummy injury value in the frontal impact

NIU Jia-ying, DING Ling, WANG Xing-lei, WANG Heng, ZHAN Yang-pu, WAN Yan
( DongFeng Motor Corporation Technical Center, wuhan, 430058, China )

Abstract:The configuration and parameters of a safety belt are the main factors affecting product performance. Using MADYMO simulation analysis, we have obtained the influence of the pretensioner fire time, the limit value of load limiter on safety belt protecting performance and the kinematic response and injury value of frontal-row dummy in the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping. In this paper, orthogonal experimental design method and range analysis method have been applied to optimize the configuration and parameters of the safety belt and the optimization results have been tested by a crash test. The results showed that the injury value of frontal-row dummy reduced in different degrees, the WIC of driver dummy declined by 5.42% and the WIC of passenger dummy declined by 39.07%, the overall performance of the restraint system has been effectively improved.

Key Words:safety belt; frontal-row dummy injury value; optimal design