FLEX PLI腿型膝部韧带弹簧调节优化方法

赖政剑

（阿维塔科技有限公司，重庆 401120）

随着人们生活水平的提高，轿车作为代步工具，普及率逐年提升。近年，中国轿车市场增长率达到了 6%～9%。汽车成为人们生活必需品的同时，道路交通事故量也在逐年增长，汽车安全性能已经受到消费者的重视[1-2]。为了准确评估新车安全性能，国内外的欧洲新车评价流程（Europe New Car Assessment Program, E-NCAP），中国新车评价流程（China-New Car Assessment Program,C-NCAP），联合国欧洲经济委员会汽车法规（Economic Commission of Europe, ECE），全球统一汽车技术法规等新车安全性能法规，逐渐趋于完善[3-6]。在所有安全性能评估法规中，行人保护腿型试验均占有一定比重。为了公平准确地评估新车对行人腿型造成的伤害程度，采用统一标准的腿型冲击模块[7-8]。目前，较为成熟的模块是FLEX PLI腿型，其膝部测量值有内侧副韧带（Medial Collateral Ligament, MCL）、前十字韧带（Anterior Cruciate Ligament, ACL）、后交叉韧带（Posterior Cruciate Ligament, PCL），均会作为行人保护安全性能的重要指标。FLEX PLI腿型使用一年或者出现异常时，必须进行静态标定校准。这是保证 FLEX PLI腿型试验结果准确的重要方法。然而，在FLEX PLI腿型静态标定过程中，普遍采用试错法调整腿型状态，这种方法对 FLEX PLI腿型膝部标定结果的影响很不稳定，大概率出现如图1所示不通过的标定结果。对于FLEX PLI腿型膝部标定不通过状态，无法判断是腿型没调整到位，还是腿型膝盖中的韧带弹簧性能下降到极限。为此需要一种将FLEX PLI腿型膝部调整到最佳状态的方法。

图1 FLEX PLI腿型膝部MCL标定结果

1 膝部标定判定值

使用FLEX PLI腿型进行行人保护试验时，膝部韧带指标在整车评价中占有很大比重。所以，每年定期或试验数据出现异常，需要对内置传感器——位移传感器、加速度传感器进行校准。在位移传感器、加速度传感器拆卸校准或者更换其他部件后，FLEX PLI腿型膝部模块，均需要重新组装，组装后按照C-NCAP管理规则进行标定。在组装膝部模块过程中，调整图 2中标号螺母 1记为nut1、螺母2记为nut2、螺母3记为nut3、螺母4记为nut4的韧带弹簧压紧螺母，以调节韧带弹簧压缩量，使MCL在如图3所示的容差上下限内，使ACL、PCL在如图4所示的容差上下限内。所以，调节韧带弹簧压紧螺母，控制韧带弹簧压缩量，对膝部模块标定结果至关重要。

图2 FLEX PLI腿型膝部侧面

图3 FLEX PLI腿型膝部标定MCL判断值

图4 FLEX PLI腿型膝部标定ACL和PCL判断值

测量结果越靠近容差中间值，腿型膝部调教的越好，故容差中间值为腿型膝部性能最佳指标。为方便定量分析试验测试曲线与腿型标定结果容差的关系，引入参数MV作为测量的MCL曲线中，距离容差中间值最远的测量值，表示其性能偏差。引入参数AV作为测量的ACL曲线中，距离容差中间值最远的测量值，表示其性能偏差。引入参数PV作为测量的PCL曲线中，距离容差中间值最远的测量值，表示其性能偏差。计算方法为

式中，MU为上限值；ML为下限值；Mmcl为MCL的测试值。

式中，AU为上限值；AL为下限值；Aacl为ACL的测试值。

式中，PU为上限值；PL为下限值；Ppcl为PCL的测试值。

通过上述公式，计算出标定试验测量的MCL、ACL、PCL曲线的性能偏差MV、AV、PV（最靠近容差中间值的最大距离）。该值趋近于0时，弹簧压缩量调整为最佳状态。

2 影响因子确定

由FLEX PLI腿型静态标定过程，不难得知韧带弹簧压缩量直接影响膝部标定结果。然而，韧带弹簧压缩量是由如图 2所示的四排压紧螺母松紧程度所决定。故四排螺母nut1、nut2、nut3、nut4的松紧程度成为膝部标定的可控影响因子。螺母拧入螺栓，测量螺纹露出长度，可直接表示四排压紧螺母的松紧程度。当螺纹露出长度为 0 mm时，作为低水平，当螺母没入膝部模块孔内，不能再拧入时，作为高水平，测量螺纹露出长度为3.4 mm。采用Minitab，进行部分因子试验设计。

3 Minitab部分因子试验设计及优化

使用Minitab工具产生试验计划，如图5所示，按照试验计划矩阵进行8次标定试验，分别得到相应的Mmcl、Aacl、PPCL，使用式（1）、式（2）、式（3），计算出MV、AV、PV。

图5 Minitab产生的试验矩阵

采用Minitab中的因子分析，得到如图6所示的标准效应图。从MV、PV、AV标准效应图中可以得到，第四排弹簧的松紧程度对柔性腿膝部标定所有指标的影响最大，第二排弹簧松紧对 PCL的标定结果影响较大，第三排弹簧松紧对ACL的标定结果影响较大，第一、二、三排弹簧松紧对MCL的标定结果均有一定影响。

图6 标准效应图

根据前面分析可知，韧带弹簧压缩量调整为最佳状态时，MV、AV、PV均需要趋近于0。使用Minitab中的优化响应器进行优化处理，结果如图7所示，得到nut1、nut2、nut3、nut4螺纹露出长度分别为2.7 mm、3.1 mm、3.2 mm、0.9 mm时，静态标定输出结果最接近中间值，柔性腿调整为最佳状态。

图7 优化结果图

4 试验验证优化结果

将nut1、nut2、nut3、nut4螺纹露出长度分别调整至优化结果2.7 mm、3.1 mm、3.2 mm、0.9 mm，进行标定试验。标定结果如图8、图9所示。MCL与中间值的最大距离为6.11 Nm，在±17 Nm判断范围内，ACL与中间值的最大距离为-0.11 mm，在±1 mm判断范围内，PCL与中间值的最大距离为0.09 mm，在±1 mm判断范围内。

图8 试验验证结果MCL

图9 试验验证结果ACL和PCL

5 总结

试验所用的优化后腿型测试结果与理论测试优化值存在一定误差，与螺纹调节精度和膝部模块的复合刚度有一定关系。但不影响使用Minitab对柔性腿膝部韧带调节的优化。根据Minitab优化过程，得出结论如下：

（1）膝部韧带螺母松紧程度，对MCL、PCL、ACL均有较大影响。

（2）通过Minitab优化螺母松紧程度，可以使韧带性能达到最优状态。由于韧带弹簧自身性能影响，不能确定测试结果在要求范围内。