汽车前碰撞中仪表板对乘员的保护性研究

亓 楠，代亚君

(一汽丰田汽车有限公司技术研发分公司 天津 300462)

0 引 言

汽车的驾驶安全性能是很多用户购车时首要考虑的问题，如何降低汽车碰撞过程中对乘员的伤害程度一直是汽车被动安全领域研究的重点。自 1952年汽车安全气囊系统逐步建立之后，1980年预紧式安全带与安全气囊构成的汽车约束系统得到了进一步的完善，并开始逐步普及安装到各个国家的主流汽车上。随着汽车安全技术水平的提高，目前被动安全约束系统更是朝智能化方向发展，能够根据碰撞强度、乘员坐姿、安全带约束情况等参数实时控制气囊的点火时间和排气卸载能力，切实减少乘员二次碰撞带来的损伤[1]。

但是乘员的下肢在汽车行驶过程中是处于自由运动状态的，安全带的约束保护作用不明显，在发生碰撞时，即使仪表板装配了膝部气囊也不能避免乘员下肢与内饰件碰撞带来的损伤。《车辆事故深度调查概论》中相关统计数据表明，在汽车各类碰撞事故中，下肢是仅次于头面部、胸部，最容易受到损伤的部位[2]。乘员下肢包含骨盆、大腿、膝盖、小腿和脚踝5个部分，尽管在事故中受伤很少会危及生命，但是会造成瘫痪或行走不利，会给伤员的身体和心理带来双重打击，并且 70%的下肢损伤发生在正面碰撞中[2]。所以本文把研究重点放在非位离状态下发生前碰撞时汽车仪表板及相关部件的吸能结构对乘员下肢的保护性。

1 乘员下肢损伤评价标准

1.1 C-NCAP腿部指标

在 C-NCAP实车碰撞试验中，目前主要采用HybridⅢ型假人，通过在腿部安装传感器采集的数据进行评价，主要有膝盖滑移位移、大腿骨轴向压缩力、胫骨压缩力、胫骨指数 4项指标，设置上限值和下限值，并根据滑尺比例法确定具体分值。

1.1.1 膝盖滑移位移

在汽车前碰撞事故中，膝盖与仪表板撞击会造成挤压变形，当撞击力传导至膝盖下方时，膝盖受到剪切力作用会导致十字韧带损伤，甚至断裂。所以把膝盖滑移位移作为表达膝盖受到撞击力冲击程度的参数，用 mm 表示，上限值 15mm，下限值 6mm，小于6mm得满分。

1.1.2 大腿骨轴向压缩力

在前碰撞中，大腿骨骨折主要是由于受到从膝部传导来的轴向压缩力，当轴向压缩力过大时甚至能引起盆骨骨折，用kN表示，上限值为9.07kN和下限值3.8kN，小于3.8kN得满分。

1.1.3 胫骨压缩力

胫骨压缩力F是指沿小腿轴向传导来的压力，可以直接由胫骨处载荷传感器采集的数据获得，压力过大能引起小腿胫骨骨折、脚踝脱臼等损伤，用 kN表示，上限值为 8kN，下限值 1.3kN，小于 1.3kN得满分。

1.1.4 胫骨指数

胫骨指数TI是综合小腿胫骨轴向压力和弯曲力矩计算得出式(1)，分为胫骨上部和下部 2个部分，上限值为2，下限值0.4。

其中，F为胫骨轴向压力，用 kN 表示；FC为临界压缩力，取 35.9kN；MC为临界合成转矩；Mx为x方向的转矩。

在 C-NCAP的已测试且公布成绩的 52款车型中，正面 100%碰撞试验中大腿和小腿部位的平均得分为 1.69分和 1.20分[3]。大部分车型的前碰撞腿部指标都有失分情况，并且由于小腿处于自由运动状态更容易失分，目前还没有获得满分的车型。

除此之外，踏板的滑动位移也被列为评价的参考指标。当踏板的向后滑动量小于 100mm时不扣分，大于 200mm时扣 1分；当踏板的向上滑动量小于72mm 时不扣分，大于 88mm 时扣 1分。对于中间值，则采用线性插值法计算得分。

1.2 影响下肢损伤的主要因素

由于腿部在驾驶过程中一直处于自由状态，安全带对腿部的保护作用不明显，汽车车身的结构安全设计、仪表板的缓冲吸能设计、腿部空间设计、踏板的可溃缩结构设计对腿部的保护作用更为重要。从汽车部件受到撞击后的变形情况来看，小腿骨折主要是由于踏板未溃缩导致对胫骨传导的轴向力过大或在撞击过程中脚部滑脱踏板夹在踏板下面扭转所致[4]，目前一部分车型采用可溃缩式制动踏板，当受到外部撞击力后支架变形，使制动杆和踏板分离脱落，从而保护脚部和小腿。为了避免脚部从踏板滑脱，制动踏板的外形尺寸也不能设计得太小，并尽可能降低脚部背曲，从而保护脚踝不会扭伤。一部分高档轿车和电动汽车采用电子传感器控制汽车加速、减速和刹车，这样的设计拆除了油门踏板和制动踏板及相关支架和构件，更好地优化了腿部空间，也提升了对乘员腿部的保护作用。但是受限于较高的生产成本和传统驾驶习惯，以及电子传感器的安全稳定性、智能化发展等因素的影响，目前还没有被广泛的应用到经济车型中。

膝部、大腿、骨盆骨折或挫伤主要是由于与仪表板、手套箱的二次碰撞引起的，所以仪表板的安全设计、内饰组件的吸能结构、膝部安全气囊的智能匹配也是至关重要的。通过在仪表板和膝部接触的部位进行材料刚度的仿真实验可以了解到接触部位采用略微偏软的弹性材料能够有效降低碰撞时膝部和大腿的接触力，起到良好的保护效果。另外，车身前部结构及缓冲吸能性能、乘员室的碰撞变形量以及车轮、发动机等刚性零件的侵入量也是影响乘员下肢损伤的主要因素。

2 汽车仪表板的安全设计

2.1 膝部气囊的保护作用和不足

膝部气囊位于方向盘下方仪表板内部，受到碰撞时，气体发生器收到点爆信号进行充气。充气后气带撕开盒体沿仪表板表面进行延伸，向上覆盖小腿和膝盖，向下覆盖到脚踝位置，在 30s内迅速填充满腿部与仪表板之间的空隙。

由于腿部与仪表板之间的空隙比较狭窄，膝部气囊的气袋大多做成扁平长方形或梯形气垫状，容积为12～16L，气体发生器的输出压强控制在 205～250kPa。其主要的构成部件如图1所示，包含气囊盒面板、气袋、气体发生器、压力传感器、气囊盒支架及垫片。气体发生器是气囊的核心部件，一般采用迭氮化钠为燃料，其化学性能稳定，且燃烧后产生氮气，在-40～105℃的温度区间都可以正常工作。通过调整助燃剂比例可以比较容易地控制燃烧速度和充气量。气袋要求包装体积小、面料不易燃烧且耐热、耐微生物腐蚀；在收到压力传感器的信号激励后完成充气，并能快速展开且在整个碰撞过程中保持一定的刚度，有较好的弹性与较低的空气渗透性；即使被压扁也能避免腿部与仪表板直接接触，尺寸稳定。气袋一般设计成多气室结构，用以限制气室内部气体的流动，从而保证在整个碰撞过程中都保持一定的刚度，如图2所示。

图1 膝部气囊构成图Fig.1 Composition diagram of knee airbag

虽然气囊能够有效的保护乘员腿部，但是由于其制造成本高，目前市场上主流的经济适用型轿车基本都没有配备，而且不可重复利用，气体发生器在点爆后或超过使用安全期限后需要整体更换气囊，维修费用较高。

2.2 座椅坐垫气囊的保护作用和不足

市场上的一部分高级轿车会在驾驶员及副驾驶员的座椅坐垫中配备安全气囊，发生事故时该气囊并不会弹出来，而是通过充气改变坐垫的高度，影响乘员的坐姿，以起到保护作用。在佩戴好安全带的前提下，充气后可以让成员躯干后仰一定的角度来减少与仪表板的接触伤害，同时大腿和小腿整体被抬高，避免制动杆和踏板对韧带的损伤。

但是气囊充气后不能重复利用，更换时要和座椅总成一起更换，维修费用较高。

2.3 安全带气囊的保护作用和不足

另外，一些轿车也会另辟蹊径，将安全带与气囊结合，发生事故时安全带内部进行充气，会膨胀到原来 5倍的体积，将乘员与座椅固定在一起，以避免二次碰撞带来的伤害，如图3所示。

这种安全带气囊对乘员的头部和颈部保护作用良好，但是对于腿部的保护作用比较微弱，而且成本较高，不适宜推广。

2.4 仪表板吸能设计方案

在保证仪表板造型面不变的前提下，如果不装配膝部气囊，仪表板横梁和仪表板下板是吸收碰撞能量保护乘员腿部的主要部件，是优化改进的重点。

对仪表板和膝部接触部位的结构刚度进行调节，用略微偏软的弹性材料作为吸能块添加到碰撞变形部位来吸收一部分碰撞能量，具体方案如下：

①在保证仪表板横梁强度要求和周边零部件搭载要求的前提下，去掉冗余的粉色支架，见图4；

②为了避免仪表板受到碰撞力后直接与横梁接触，增加了茶色吸能块，并且为了固定吸能块，增加了树脂支架，见图5；

图5 增加茶色吸能块Fig.5 Add brown energy absorbing box

③把仪表板驾驶席下板与气囊盒面板合成为一个部件，为了满足汽车内饰造型不变的要求，部件基材采用和原部件相同的树脂材料，仅对新部件的结构进行优化，通过调整零件背面加强筋的形状和厚度来改善零件的强度和变形能力；

④为了提升合成部件的吸能效果，在其两侧与周边部件卡接位置处增加了吸能块；

⑤建立吸能块的仿真模型，对吸能块的位置、形状和材料刚度等参数进行调整，模拟碰撞时仪表板的受力情况，以选出吸能块各参数的最优组合；

⑥制作吸能块样品，进行实物组装，检查生产装配性能。

作为后续的研究方案，如果造型可以进行少量调整，在前述方案的基础上还可以替换新部件表面的基材，采用硬度可调且回弹性好的TPE材料做表面，采用 PP/PE树脂做加强结构，通过双色注塑工艺将两种材料的结构整体加工出来。

这种新型的吸能零件既不影响美观，也能在最大程度上避免二次碰撞带来的损伤，且有成本优势，适于推广。

2.5 实车前碰撞试验结果对比

目前耐撞性测试有 3种类型，即零部件试验、台车试验和实车碰撞试验。其中实车碰撞试验是模拟事故程度最高的，其得到的碰撞数据对零部件试验、台车试验同样有效，实车碰撞的结果除了对约束系统有指导意义外，对于仪表板的安全结构设计也同样具有指导意义，所以本次采用该方法进行校核。下面具体介绍其试验步骤：

①调整实车碰撞角度；

②连接气囊引爆器，设定引爆时间；

③安放假人，调整假人姿势，系好安全带，在假人头部加涂颜料；

④固定各种引线，避免固定不良物品影响实验结果；

⑤将实车调整到发射位置，调整高速摄像机位置，进行摄像准备；

⑥开启照明设备，实车加速设备进行加速准备；

⑦发射实车(速度 48.6km/h，参照 GB11551—2014)，采集相关数据；

⑧停止后对碰撞后状态进行拍照、检查。

对仪表板装配膝部气囊和装配吸能结构 2种方案都进行实车前碰撞测试，下面对碰撞结果进行对比，如表 1所示。对比项目列出了头、颈、胸部、大腿、小腿在前碰撞测试中的伤害值，有膝部气囊指优化前配置了 D席膝部气囊的实车，无膝部气囊指优化后没有D席膝部气囊的实车。

表1 两种状态的实车前碰撞结果进行对比Tab.1 Comparison of real vehicle frontal impactresults in two states

3 结 论

从实车碰撞结果来看，安装膝部气囊对乘员腿部有更好的保护作用，同时也能在一定程度上降低驾驶员的头部伤害值。优化吸能结构的仪表板也在很大程度上保护了乘员腿部，大腿得分为 2分，小腿得分为 1.762，对比其他 52款车型大腿和小腿部位的1.69分和1.20分平均成绩，高于市场平均水平。结合制造成本和维修成本综合考虑，用吸能结构代替膝部气囊也是不错的选择。

目前采用柔性材料制作转向柱盖板、仪表台、膝部盖板等零件也在研讨当中，比较常见的是在零件外表面包覆发泡及表皮，以缓解碰撞时和人体接触的作用力。但是受到造型及成本限制，并不是所有与人体的接触的表面都能采用该方法。所以未来的研究方向是采用 TPE等硬度可调材料制作零件的外表面，配合零件内部合理的溃缩吸能结构，来缓解碰撞时和人体接触的作用力。