乘员约束系统部件与子系统外特性试验

除了整车碰撞和系统滑车试验外，碰撞安全的第三类试验是部件和子系统的力学外特性试验。“外特性”是指总成的静刚度、动刚度、强度等性能，这些性能直接影响着约束系统整体的耦合匹配效果，是系统性能计算机仿真必不可少的边界输入条件。在概念设计阶段，对系统性能的解析和预估也是以部件和子系统外特性参数为计算依据的。这些参数一旦确定，就应当成为部件与子系统开发的重要依据，在整个部件产品开发过程中都应当受到严格控制，否则，装配到一起的子系统将无法协同发挥约束系统的整体性能。

约束系统的子系统包括安全带、座椅、气囊、转向柱、仪表板，部件包括安全带织带、头枕、方向盘和安全带固定点。这些部件级别的安全功能要求与性能衰退限制在工业法规里都有详细规定，具体内容可参考公开发行的出版物。法规设定的内容只保证相关安全部件的最低性能表现，并避免潜在的关联伤害，不对系统匹配和如何优化系统负责。系统外特性试验是从系统匹配的角度来看的，必须测定部件的关联特性。例如，座椅和安全带织带的刚度会影响到乘员的坐姿，不同的坐姿要有不同的安全气囊设计策略，等等。这些外特性的大部分（并非全部）在法规里是不做要求的。

无论是部件、系统还是整车，产品的试验均有三种性质：

（1）法规符合性试验：证明产品符合法规要求。

（2）产品开发试验：探索达到法规要求和客户要求的最优化工程解决方案，这种试验要在SOP（正式产品下线）之前全部完成。

（3）产品一致性检验：也叫作质保检验，保证产品质量的稳定性，保证大批量生产的产品都能像开发试验室表现得一样，都能符合法规要求。

导致产品性能不一致的因素有：供货厂家更改、生产地更改、原材料替代、工艺更改、工装性能衰退，等等。

法规试验规定了事关公共利益的性能（安全、节能、环保）内容，不对舒适便利等涉及客户价值和市场竞争力的项目负责。产品一致性检验着重检验总成的功能和在恶劣环境下抗功能衰退的能力，例如在高低温、电磁干扰、粉尘、机械振动、高湿度等环境下操作与服务寿命相当的循环以后，仍然应当具备基本功能。产品开发试验的性能检测往往都不能由终端用户直接体验到，但却是客户体验的直接保障，如车身的抗弯/抗扭刚度、钢板的强度、阻尼材料的隔声性能。以下涉及的子系统外特性试验都属于产品开发验证类的试验，法规规定的总成功能与性能测试从略。

1）气囊动刚度落锤试验

气囊展开以后，不是一个像气球一样的稳定气袋，而是具有动态的刚度特性，在展开后不同的时间对乘员的约束效果是不一样的。在气袋支撑乘员向前方冲击的过程中，气袋的刚度受多个因素影响。首先，气体发生器的产气量和压力输出不是均衡的。以单级驾驶员气囊为例，气囊控制器点火后，气体发生器的火药燃烧气体在大约50ms后达到最大喷出量，产生最大气袋压力，然后产气量开始逐渐下降。燃烧气体是提供气袋刚度的主要来源。其次，气体的泄漏是刚度控制的另一个影响因素。泄漏的途径有两种，一种是气袋的泄气孔排气泄漏，另一种是通过气袋织物的空隙发生的泄漏。泄漏和腔内压力、气袋材料都有关系，不同质量、不同速度的乘员上肢体冲向气袋以后会引起不同的气袋内压力变化，因此会导致产生不同的气袋刚度效果。

气囊动态冲击刚度是影响约束系统整体效果的重要因素之一，也是验证气囊仿真模型的必要试验，因此应当在开展仿真分析工作之前进行测试。常用设备有落锤冲击试验塔（见图6.26）和躯干模块自由冲击试验台，二者的目的都是考察点爆气囊以后，在规定的冲击质量和冲击速度下，气袋内部压力随时间变化的规律。

图6.26　落锤冲击试验塔

（由一汽技术中心安全研究室提供）

2）座椅刚度

座椅对约束系统是否能发挥正常功能起到至关重要的作用。座椅在约束乘员的过程中主要起到使乘员保持正确姿态的作用，如果乘员的姿态不正确，约束系统就无法承接住乘员的冲击运动。典型的姿态异常有身体过度前冲和下潜。可以说，坚固的座椅是一切约束系统发挥功能的根基。

图6.27　坐垫密度对坐姿的影响

理想的约束系统与乘员身体之间没有间隙，即不允许乘员有自由前移的空间。因为安全带有一定的松弛量和卷收机构间隙，所以在碰撞发生的那一瞬间安全带并不能马上发挥作用，等安全带锁止住织带拉出并开始承受乘员的冲击载荷时，乘员已经向前移动了约50mm的距离。为此目前的中、高端安全带加装了安全带预紧器，即在发生碰撞事故时，安全带不但要锁止，而且要强力往回收卷，以便尽早约束住乘员的前冲运动。除了安全带预紧器外，座椅坐垫面料与乘员之间的摩擦力、高密度发泡坐垫前缘（见图6.27）都能阻挡乘员的前移运动。可用如图6.28所示的方法测量前缘硬块对乘员的阻挡效应。用垂直重块模拟人体重量，用加载器水平向座椅前方推动臀部模块，坐垫对臀部模块向右面的阻抗力越大越好。如果为了提高抗力，前缘设计得太硬或者太高都会影响乘坐舒适性，影响体压正常分布，因此前缘挡块的截面几何尺寸和硬度参数需要在安全与舒适之间寻求最佳点。

图6.28　坐垫前向刚度试验

座椅的垂直刚度也非常重要。由于整车中心高度一般在碰撞合力作用线之上，因此碰撞时车体一般会发生绕z轴往前翻转的俯仰运动。在翻转运动中，乘员体重产生的惯性力压向座椅，会使座椅结构件向下坍塌，甚至压溃导轨滑架。座椅向下的压溃变形会使前缘挡块的作用失效，对保持乘员坐姿是非常不利的。如果压缩过度，乘员臀部还会滑向地板，即发生所谓的“下潜”现象［20］。发生下潜时，安全带的肩带会离开对肩部的约束区域，向上方移动到颈部，如果和颈部发生冲击就有可能发生危险。图6.29所示为座椅垂直刚度的静态试验方法，要求在规定载荷作用下，座椅骨盆下降量不得超过规定数值。

发挥上述垂直刚度和水平刚度性能的前提是座椅导轨和导轨固定点必须有足够的强度，在乘员的载荷冲击作用下不至于发生移位和变形，因此白车身上的座椅固定点和座椅导轨强度试验也非常重要。

地板与前墙挡板的刚度特性对维持乘员姿态很重要，其试验方法见图6.30。

图6.29　坐椅垂直刚度静态试验

仪表板下方的挡膝板是十分重要的约束部件，当座椅坐垫和安全带都没能阻止下肢前移时，挡膝板可以阻挡骨盆和大腿的前移，尽量维持乘员的正确姿态。挡膝板由骨架和软化表皮组成，其必须具备一定的刚度，否则不能起到约束和止动的作用；同时刚度不能过高，否则与乘员膝部相磕碰的时候容易导致膝盖等部位产生骨折伤害。如果在此处安装膝部气囊，则要求气囊支架必须具备足够的刚度，以便为气囊提供支撑反力。测试方法见图6.31。

图6.30　前地板刚度试验

图6.31　前地板刚度试验测试方法

方向盘和转向柱是气囊的基座，必须为气囊提供稳定的基础，在气囊承受撞击时方向盘骨架不得发生偏斜，否则会使乘员偏向气囊的一侧而滑落出气袋保护范围，与硬性内饰件发生磕碰。另外，在受到一定的轴向载荷压力时，转向柱应当具备收缩功能，以免给胸部造成过大压力。转向柱在受到高于临界值的轴向载荷时向前方缩回，给气囊提供一个近似恒定力的支撑，其作用与安全带限力装置类似。转向柱的轴向刚度特性、方向盘的横向稳定都是气囊匹配需要参考的重要参数，其测量方法见图6.32和图6.33。

图6.32　转向柱轴向刚度试验

图6.33　方向盘横向稳定刚度试验

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