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側(cè)面碰撞臺(tái)車系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2020-07-14 21:01:07·  來(lái)源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
側(cè)面碰撞是除正面碰撞以外車輛的又一最常見(jiàn)的碰撞模式，已被多個(gè)國(guó)家和地區(qū)納入了法規(guī)與NCAP考核體系[1][2]。多年來(lái)，汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)對(duì)人體不同部位在側(cè)面
側(cè)面碰撞是除正面碰撞以外車輛的又一最常見(jiàn)的碰撞模式，已被多個(gè)國(guó)家和地區(qū)納入了法規(guī)與NCAP考核體系[1][2]。多年來(lái)，汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)對(duì)人體不同部位在側(cè)面碰撞中的損傷進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[3]。在眾多試驗(yàn)方法中，側(cè)碰臺(tái)車與整車側(cè)碰相比具有成本低和周期短的優(yōu)勢(shì)，正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注[4][5]。乘員在側(cè)面碰撞時(shí)的傷害響應(yīng)是一個(gè)多參數(shù)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，受到車門(mén)侵入速度和加速度[6]，B柱侵入速度和加速度，座椅加速度，車門(mén)與乘員的相對(duì)距離等很多因素的影響。本文介紹一種帶有二次臺(tái)車的側(cè)碰臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)，并介紹其應(yīng)用。
 
1.     側(cè)碰臺(tái)架介紹
傳統(tǒng)的側(cè)面碰撞臺(tái)架試驗(yàn)是使用半個(gè)車身以及整車側(cè)面碰撞用的蜂窩鋁來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。將蜂窩鋁加速到指定的速度去撞擊車身，從而模擬側(cè)碰的過(guò)程。此類試驗(yàn)每進(jìn)行一次，要消耗半個(gè)車身和一個(gè)蜂窩鋁，成本太高。在此基礎(chǔ)上，人們又開(kāi)發(fā)出利用吸能壓潰管撞擊車身來(lái)模擬側(cè)面碰撞。然而，進(jìn)行一次試驗(yàn)依然需要消耗半個(gè)車身，并且前期的對(duì)標(biāo)工作也需要消耗大量的零部件。本文介紹的側(cè)碰臺(tái)車系統(tǒng)是在加速臺(tái)車系統(tǒng)上增加一個(gè)二次臺(tái)車，用于控制座椅和假人的運(yùn)動(dòng)，車門(mén)的運(yùn)動(dòng)由主臺(tái)車控制，從而實(shí)現(xiàn)車門(mén)與假人相對(duì)運(yùn)動(dòng)的模擬。其基本原理如圖1所示：
 
圖1 側(cè)碰臺(tái)車系統(tǒng)原理圖
該側(cè)碰臺(tái)車系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是車門(mén)和B柱安裝支架，支架上有多個(gè)螺栓孔，方便裝卸，同時(shí)也可以自由調(diào)節(jié)車門(mén)和B柱的位置，確保其與整車的相對(duì)位置一致；二是座椅安裝模塊。該模塊用于安裝座椅，整個(gè)模塊通過(guò)摩擦片與一片剎車刀相連。摩擦片與剎車刀之間的正壓力可通過(guò)調(diào)節(jié)與摩擦片相連的氣缸中的氣體壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)變化，充氣壓力越高，正壓力越大，摩擦力也就越大，反之亦然。通過(guò)調(diào)節(jié)摩擦力可實(shí)現(xiàn)對(duì)座椅與車門(mén)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，從而可精確的模擬整車側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)的座椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：車門(mén)和B柱經(jīng)過(guò)加固后可重復(fù)利用，僅需更換門(mén)內(nèi)飾和座椅，成本低；通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓的方式來(lái)調(diào)整座椅運(yùn)動(dòng)，方便靈活，試驗(yàn)效率高。
2．試驗(yàn)方法
車輛在側(cè)面碰撞時(shí)，車門(mén)和B柱的變形是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，不同區(qū)域的加速度信號(hào)有著很大的差異。通常，如果需要研究假人某一部位的傷害值，則選取對(duì)應(yīng)部位高度的車門(mén)的加速度信號(hào)作為主臺(tái)車的輸入波形。例如，要分析假人肋骨的傷害，則選取假人對(duì)應(yīng)高度的車門(mén)的加速度信號(hào)作為臺(tái)車的輸入波形。本例中需要分析假人上肋骨的壓縮變形量，因此選取了上肋骨對(duì)應(yīng)高度的車門(mén)位置的加速度傳感器采集的信號(hào)作為主臺(tái)車的輸入波形。將該加速度信號(hào)積分后，可得到如圖2所示的速度-時(shí)間曲線。該曲線具有明顯的雙峰特征，第一個(gè)峰值是車門(mén)在遭受側(cè)碰壁障沖擊以及受外力擠壓產(chǎn)生變形雙重因素作用下達(dá)到的速度峰值；經(jīng)過(guò)第一個(gè)峰值后車門(mén)開(kāi)始減速，通常在此階段車門(mén)與假人開(kāi)始接觸，直至達(dá)到波谷，此時(shí)假人與車門(mén)的移動(dòng)速度相同；經(jīng)過(guò)波谷后，由于側(cè)碰壁障的速度依然快于車門(mén)，繼續(xù)推動(dòng)車門(mén)向前運(yùn)動(dòng)并達(dá)到第二個(gè)峰值速度。此階段，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的速度趨于相同并逐漸減速至速度為0。將加速度波形導(dǎo)入臺(tái)車系統(tǒng)后，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡屯V波，進(jìn)行波形擬合。最后完成的狀態(tài)如圖3所示。
 
圖2 側(cè)面碰撞中車門(mén)的速度-時(shí)間曲線
 
圖3 側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)
3．整車對(duì)標(biāo)
通過(guò)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)節(jié)后給出了側(cè)碰臺(tái)車與整車碰撞的對(duì)標(biāo)結(jié)果。圖4顯示了整車側(cè)碰和側(cè)碰臺(tái)車試驗(yàn)中的車門(mén)以及座椅的速度-時(shí)間對(duì)比曲線。從圖4(a)中可以看到，整車和臺(tái)車的車門(mén)侵入速度一致性較高，意味著對(duì)側(cè)面碰撞起決定性作用的車門(mén)侵入速度在側(cè)碰臺(tái)車上得到了很好的模擬。從圖4(b)座椅速度曲線可以看到，在33ms前，臺(tái)車座椅速度低于整車；此后，臺(tái)車座椅速度都高于整車直至84ms后又趨于相反。
 
 (a) 車門(mén)
 
(b) 座椅
圖4 整車和臺(tái)車試驗(yàn)中的車門(mén)以及座椅的
速度-時(shí)間對(duì)比曲線
圖5為假人在整車側(cè)碰和側(cè)碰臺(tái)車試驗(yàn)中的上、中、下肋骨的壓縮量-時(shí)間曲線。從曲線對(duì)比可以看到，側(cè)碰臺(tái)車試驗(yàn)的結(jié)果較好的再現(xiàn)了整車側(cè)碰中假人的肋骨壓縮量，尤其是中肋骨和下肋骨，曲線的形狀和峰值都和整車非常接近。當(dāng)然，在時(shí)間上側(cè)碰臺(tái)車比整車側(cè)碰有10ms的延遲。在車門(mén)和座椅的速度與整車基本吻合的情況下，肋骨壓縮量的相位差可能是由于整車試驗(yàn)中車門(mén)在侵入的同時(shí)有變形，而臺(tái)車試驗(yàn)中車門(mén)作為剛體變形非常小導(dǎo)致的。
 
(a) 上肋骨
 
(b) 中肋骨
 
(c) 下肋骨
圖5 整車和臺(tái)車的肋骨壓縮量-時(shí)間曲線
圖6-8為整車和臺(tái)車試驗(yàn)中假人的腹部力，恥骨結(jié)合力和臀部加速度的對(duì)比曲線。腹部力（前中后）臺(tái)車與整車相比，形狀和峰值非常接近，開(kāi)始時(shí)間與峰值時(shí)間一致，只是波形比整車更寬一些。從恥骨結(jié)合力來(lái)看，整車與臺(tái)車的曲線基本一致，對(duì)標(biāo)結(jié)果很好。臺(tái)車的臀部加速度（Y方向）的峰值則比整車的臀部加速度峰值小8g。如前文所述，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)車輸入波形來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)假人傷害值，使之與整車的對(duì)標(biāo)達(dá)到更好的效果。
 
(a) 前腹部力
 
(b) 中腹部力
 
(c) 后腹部力
圖6 整車和臺(tái)車腹部力的對(duì)比曲線 
 
圖7 整車和臺(tái)車恥骨結(jié)合力的對(duì)比曲線
 
圖8 整車和臺(tái)車臀部加速度的對(duì)比曲線
 
4 結(jié)論
本文所介紹的側(cè)碰臺(tái)車系統(tǒng)通過(guò)座椅，車門(mén)和B柱搭建了一個(gè)與整車側(cè)碰相似的碰撞環(huán)境，用主臺(tái)車模擬車門(mén)加速度，二次臺(tái)車控制控制座椅的加速度，來(lái)模擬整車側(cè)碰的假人運(yùn)動(dòng)和傷害值。由于使用零部件少，并且車門(mén)和B柱在適當(dāng)加固后可以反復(fù)使用，因此試驗(yàn)成本低；車門(mén)加速度可通過(guò)主臺(tái)車精確模擬，而座椅加速度可通過(guò)充氣壓力的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可精確的模擬車門(mén)和假人之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該方法簡(jiǎn)單易行，效率高。通過(guò)與整車對(duì)標(biāo)的實(shí)例，證明了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。綜上所述，側(cè)碰臺(tái)車作為一種低成本，高效率的試驗(yàn)手段，可較為精確的模擬整車中的假人行為，作為仿真與整車試驗(yàn)之間的一種開(kāi)發(fā)工具，可滿足車輛安全開(kāi)發(fā)的需要，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)將獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。
 
參考文獻(xiàn)：
[1] 張維剛，范體強(qiáng)，汽車側(cè)面碰撞安全性研究探討，客車技術(shù)與研究，2007年第1期；
[2] 韓玉環(huán)，于紅秀，孫振動(dòng)，解析中國(guó)側(cè)面碰撞乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，上海汽車，2007.10；
[3] 曹立波，王鵬，杜文建，胡敏鋒，基于乘員損傷分析的轎車側(cè)面碰撞安全性研究，北京汽車，2007.No.3；
[4] 張孟周，樊平，張桂明，一種新型的側(cè)面碰撞臺(tái)車系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法，上海汽車，2013.05；
[5] 劉志新，張曉龍，婁磊，楊運(yùn)生，側(cè)面碰撞模擬臺(tái)車試驗(yàn)研究，2010中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，SAE-C2010E135；
[6] 馬志雄，朱西產(chǎn)，陶穎，李霖，側(cè)碰試驗(yàn)中車門(mén)運(yùn)動(dòng)與假人傷害響應(yīng)的相關(guān)性，汽車技術(shù)，2010年第1期；
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