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北斗星车碰撞安全性研究 |
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作者：江西昌河铃木汽车有限责任公司 徐剑峰 |
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摘要：安全、环保和节能是现阶段国家对于汽车行业各类产品的要求。随着CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》于2002 年7 月1 日正式实施，未通过正面碰撞试验的汽车将不能进行生产和销售。为使碰撞时产生的能量有效地得到吸收，在合理地进行车身结构设计的基础上，提高北斗星汽车碰撞安全性的有效途径有两条。其一，在转向盘和仪表板上配置安全气囊，以减轻碰撞发生时对前排乘员的伤害；其二，合理匹配乘员约束系统，包括座椅、安全带等，使乘员在发生碰撞时身体的各个部位参与均衡受力，防止个别部位伤害值超标，这样无须配置安全气囊，也可以达到满足国家法规规定的要求。本文着重介绍了第二条途径。
关键词：碰撞安全 乘员约束系统 吸能
1 概述
北斗星车，在日本被称为WAGON 车。铃木公司进行开发时，为达到标准规定的安全性要求，在转向盘和仪表板上配置了安全气囊。在中国天津汽车检测中心进行的正面碰撞试验表明，在安全带和安全气囊的协调作用下，北斗星汽车具有良好的安全性能。
北斗星车自从投放市场以来，由于其外形小巧、内部空间大、乘座舒适性好、驾驶性能好等特点，受到用户的普遍欢迎。但是，与北斗星车同时面市和此后陆续上市的新车型多达五、六十种，因此，北斗星车今年将面临激烈的竞争。为处在竞争中的优势地位，降低汽车的价格势在必行。开展北斗星简单配置车开发工作，在节省两个安全气囊的前提下，保证改进后汽车达到CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》的强制要求。
2 汽车碰撞领域试验技术和设计技术发展的趋势
2.1 国内外开展正面碰撞试验的情况
国外实施正面碰撞乘员保护措施的情况大致如下：在日本，驾驶员侧安全气囊在M1 类车型上装车率非常高，99%的车型上都可装备驾驶员侧安全气囊，其中约90%为标准装备；而副驾驶侧装备安全气囊的车型占到所有车型的93.5%,其中76.7%为标准装备。日本在对汽车产品进行认证时，对于安全气囊作为选装装备的车型，提交型式认证的车辆应该是不安装安全气囊的最低配置车辆；对于匹配合理的气囊产品，原则上，气囊将改善正面碰撞保护性能，所以对于装备气囊的车型只需由厂家提供气囊匹配时的碰撞试验报告，证明气囊匹配的合理性即可。欧洲大致也是这种情况。也就是说，将安全气囊作为辅助约束系统（SRS）的法规体系（如欧洲、日本）中，安全气囊并不是强制（或必须）安装的装备，如果安全带系统经过合理匹配，能够满足正面碰撞乘员保护要求的话，完全可以不安装安全气囊。
我国的CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》法规是参照欧洲ECE R94 法规制订的，法规中并没有强制安装安全气囊的要求。作为约束系统，安全带是强制安装的，而安全气囊属于辅助约束系统。从这一点可以看出，北斗星车去掉安全气囊与国家法规并不抵触。
天津汽车检测中心通过总结、分析2000 年到2001 年度近百次试验结果，得出结论：我国CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》法规中规定的100%重叠率的刚性固定壁障正面碰撞条件下，车身刚度最大，车内乘员承受的惯性力较大，乘员生物伤害指标超标的风险较高，这种碰撞试验方式对乘员约束系统的考核最严格。我国现有M1 类车型的车身大多能够满足法规要求，超标的主要原因在驾驶员侧假人头部HIC 值超过1000。为了满足CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》法规要求，很多车型通过匹配驾驶员侧安全气囊获得了理想的结果。只是目前国内10 万元以下的M1 类客车的安全气囊大多属于客户选装方式，市场上销售的大部分车辆并为装备安全气囊，如果汽车产品型式认证工作中对汽车正面碰撞乘员保护检验项目实施生产一致性检验的话，必须使最低配置的车型能够满足强制性检验标准要求才行。
2.2 低配置车型提高安全性能的技术措施
为使低配置车型通过碰撞试验，国内一些厂家做过尝试，并且取得了较好的效果。哈尔滨飞机工业公司的中意车，柳州微型汽车厂的微型车等车型通过改进车架结构，重新匹配乘员约束系统等技术手段，有效地提高了汽车的安全性，通过了汽车正面碰撞试验。
2.3 北斗星车安全性的现状
2000 年7 月7 日，配置安全气囊北斗星车进行了一次汽车正面碰撞乘员保护试验，结果如下表所示：
从上表数据可以看出，北斗星车配置安全气囊时，试验中各项指标均远离限值，如果减少安全气囊没有过分恶化整车安全性，完全有可能达到指标要求。
综上所述，北斗星车减少安全气囊，但仍然满足我国法规要求在技术和法规上是可行的，但是必须解决好乘员约束系统的匹配，优化吸能方式。
3 研究目标
（1）取消安全气囊并使用普通安全带，正面碰撞时各项指标应能满足CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》要求。
（2）整车重量基本不增加。
（3）整车其他型能不低于北斗星原型车。
（4）整车外形尺寸和外覆盖件保持不变，尽可能地减少新制零部件的品种和数量，减少开发费用，缩短开发周期。
（5）尽量借用现有的工装、夹具，避免新制大型工装、夹具，减少生产线改造的投入，实现新、老车型的平稳过渡。
（6）部件及整车的工艺性，尽早实现批量生产。
4 开发方式和基本方案
（1）与清华大学汽车工程系进行合作开发。
（2）改进工作分三阶段进行。
第一阶段：
1) 已经做过碰撞实验的车辆进行详细的结构变形及变形方式等测定，深入分析存在的问题，为下一步的改进工作作好前期准备。
2) 验样车运送到清华。
3) 样车进行宏观分析，包括吸能部分情况，乘员保护系统等状况。
4) 根据上述分析情况在清华对样车进行必要的改进。
5) 通过正面碰撞法规试验，出具报告。
第二阶段：
如果实验车出现问题，未能达标，则进行本阶段工作。
1) 提供的CAD 数模进行CAE 建模工作。
2) 将初步实验结果与模拟计算结果进行对比分析，修正模型。
3) 提出改进方案并进行模拟计算预测。改进设计应满足以下条件：①使产品符合中国碰撞法规要求（不装安全气袋，并使用非预紧式安全带）；②尽可能少地改动原设计，外形尺寸不变（特别是外形钣金件尽量少做改动）。
4) 结合改进方案进行车身台车碰撞试验。
5) 确定最终的改进方案，进行改进后的整车碰撞试验，最后应达标（除非乘员保护系统方面有问题），出具报告。
6) 开发工作中同时对昌铃公司技术人员进行计算机仿真计算及结构耐撞性等方面的培训，以提高昌铃公司在有限元分析及结构改进方面的技术水平。
如果实验车达标，则项目结束。
第三阶段：
如果第二阶段未能达标，问题出在乘员保护系统方面，则双方经协商一致后进行本阶段工作。
1) 乘员保护系统试验台车。
2) 研究分析乘员保护系统的改进（与附件厂共同进行）。
3) 进行台车碰撞实验，进一步考核乘员保护系统。
4) 第二次改进后的整车碰撞试验，最后应达标。
5 工作内容和技术措施
（1）为并行工作，缩短开发周期，作好在第一阶段未完成开发目标的准备，进行建立北斗星白车身电子模型工作。通过周密安排组织，在一个月内完成了所需的全部数模。
（2）对安全带约束性能进行改进：
1) 采用了低延伸率织带，提高了约束效果。更改了安全带卷收器构架材料，提高了零件强度，
严格控制了卷收器芯轴铸造材料元素配比，加大了铸造压力，提高了零件强度。
2) 更改了安全带带头、吊环、带扣、肩高调节器等零件材料及热处理工艺，提高了零部件强度与刚度。
3) 改进了卷收器带感、车感敏感元件，提高了带感、车感的灵敏度，提高了卷簧卷收力矩，采用了大力矩卷簧，调整卷收器棘爪和惯性盘间隙，减少了锁止滞后时间。
4) 格控制了安全带小批量生产一致性。改进后零部件性能见表2。表2 改进后安全带性能
 （3）对于座椅，我们按铃木公司图纸核查更改了座椅骨架滑轨材料，严格按铃木公司SIS P 检查标准检查座椅骨架滑轨焊点分布、焊接强度，确保了实车碰撞不失效。
（4）同时，我们选用了4 幅软发泡方向盘，仪表板严格按图纸规定的材料。
（5）样品试制试验：为落实上述措施，组织各配套厂商进行了艰苦的样品试制工作。增加了质量控制点，加强了对关键零部件的抽检力度。
（6）碰撞车的准备。严格按技术状态规定进行碰撞试验的样车的试制。精心组织，精益生产，确保样车状态完好。
6 整车碰撞试验
一切准备工作就绪之后， 2003 年1 月21 日在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室进行了一次碰撞试验。试验取得了圆满成功。各项指标均符合CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》中的限值要求。主要性能指标如下表所示。
在试验速度达到49.6km/h 接近最高速度50km/h 的情况下，我们的汽车仍然一次试验成功，说明汽车的安全性处在较高的水平。但是通过试验及分析，北斗星车仍存在一些问题有待改进以提高汽车正面碰撞的安全性。
(1) 试验后，副驾驶侧座椅没被有效束缚，发生旋转。主要原因在于内侧的防碰撞拉板从滑轨中过早脱落，导致座椅在惯性的作用下绕外侧防碰撞拉板在滑轨上的固定点发生旋转，使假人膝盖侵入仪表板上手套箱处，致使该侧假人膝盖处受力明显偏大。
(2) 试验录像显示，前排两侧的安全带仍存在延伸率偏大的现象，使两侧假人向前的位移加大。
7 结论
通过前期大量的分析工作，北斗星车通过乘员约束系统的合理匹配，取消了气囊，整车满足碰撞法规要求。但是鉴于试验仍暴露出一些问题，因此诸如座椅防碰撞拉板、座椅滑轨、安全带等零部件则必须进行整改，以保证生产一致性。通过本项目提前圆满完成，公司可以立即恢复不装备安全气囊车型的生产和销售。取消安全气囊、气囊控制器等高关税、高附加值的部件，取消气囊线束、气囊螺旋线束等价格高的部件，用普通紧急锁止安全带代替电子预紧式安全带，用国产转向盘代替进口方向盘等方式，将使整车制造成本在原车型基础上降低大约4000 元/台，如果今年生产8 万辆北斗星汽车，其中一半为简配置车的话，该车型将为公司创造产值20 亿人民币，节约成本1.6 亿币。
参考文献
1 朱西产. 汽车正面碰撞试验法规及其发展趋势的分析. 汽车工程，2002，（1）
2 史广奎等. 汽车模拟碰撞吸能装置的研究. 汽车技术，2003，（1）
3 王登峰等. 汽车吸能转向机构与驾驶员碰撞的仿真与试验.汽车工程，2003，（1）(end)
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(6/18/2005) |
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