10.16638/jki.1671-7988.2021.09.034
正面碰撞时安全气囊对乘员的保护作用分析
庞璐
（长安大学汽车学院，陕西西安710064）
摘要：安全气囊在乘用车的安全性方面有着重要的地位。文章按照标准GB11551-2014进行两次乘用车正面碰撞试验，对比分析了安全气囊对乘员头部、颈部、胸部的保护效果。结果表明：发生正面碰撞时，安全气囊对乘员头部有保护作用，对颈部和胸部会造成一定程度损伤。
关键词：正面碰撞；安全气囊；乘员损伤
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)09-120-03
Analysis of the Protective Effect of Airbags on Occupants in a Frontal Collision
Pang Lu
（School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）
Abstract: Airbags play an important role in the safety of passenger cars. In this paper, two passenger car frontal crash tests were conducted in accordance with the standard GB11551-2014, and the protective effects of airbags on the head, neck, and chest of the occupants were compared and analyzed. The results show that in a frontal collision, the airbag has a protective effect on the head of the occupant, and will cause a certain degree of damage to the neck and chest.
Keywords: Frontal collision; Airbags; Occupant injury
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)09-120-03
前言
随着汽车保有量的急剧增长，汽车的安全性越来越重要[1]。在汽车发生正面碰撞时，乘员约束系统是最重要的被动安全系统，而安全气囊是乘员约束系统的一个关键组成部分[2-3]。
本文将某国产车按照标准要求进行两次正面碰撞试验，对采集到的数据用EV Alution软件进行对比分析，研究安全气囊对乘员的保护效果。
1 汽车正面碰撞试验
1.1 试验条件
本试验依托于某实车碰撞试验平台，该平台有全长400米的室内试验路面，主要试验设备有固定壁障、牵引系统、照明装置、假人、数据采集系统和高速摄像机等。
1.2 试验方法
本文按照标准GB11551-2014《乘用车正面碰撞的乘员保护》进行试验，标准中规定的正面碰撞形式是刚性固定壁障碰撞，在这种条件下，车身的碰撞能量很大，车内乘员易受到较大程度的损伤[4]。因此，本试验为分析安全气囊对乘员的保护效果提供了优良条件。
汽车正面碰撞试验方法为：
（1）车辆准备：车辆在进行试验前，所有装备都进行正常安装，保证其能够正常工作，并保证提交试验的车辆质量为整备质量。
（2）放置车辆：在试验车辆上焊接挂钩，与牵引系统挂钩连接。
（3）安放假人：在前排座椅上按照标准规定放置50%
作者简介：庞璐，长安大学汽车学院硕士研究生在读，研究方向：汽车被动安全。
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庞璐：正面碰撞时安全气囊对乘员的保护作用分析
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Hybrid Ⅲ假人，将假人头部、身体躯干、手臂、腿、脚及H 点安放在固定位置，并使用安全带进行约束。
（4）驱动车辆：利用电力牵引装置驱动车辆，当车辆达到固定速度时，与牵引系统分离，以规定速度撞击到固定壁障上。
（5）数据采集：在假人重要部位安装不同类型的传感器，如在头部安装3轴加速度传感器，在颈部安装6轴载荷传感器。本试验采用DTS 数据采集系统，记录整个试验过程的相关数据[5]。 1.3 乘员损伤
性能指标
在发生正面碰撞事故时，乘员会受到一定程度的伤害，GB11551-2014《汽车正面碰撞乘员保护》中规定了发生碰撞后乘员受到损伤时重要部位的性能指标及要求，见表1。
表1  身体各部位的性能指标
2 数据分析
本文使某乘用车以40 km/h 的速度进行两次正面碰撞试验，一次为安全气囊未打开，另一次为安全气囊打开，将数据采集系统采集到的两组数据导入EV Alution 软件，对假人的头部、胸部和颈部性能指标进行对比分析。 2.1 头部性能指标分析
头部加速度—时间曲线如图1所示，图a ）为安全气囊未打开，b ）为安全气囊打开。图a ）中头部合成加速度Max （0.1004s ）=1117 m/s 2，在峰值附近急剧上升；图b ）中头部合成加速度Max （0.0751s ）=481.5 m/s 2，峰值附近曲线变化较为平缓，并且最大加速度发生时间也提前了，这是因为安全气囊在发生碰撞的瞬间弹出，在乘员与车内饰组件之间形成气垫，减轻了碰撞对乘员造成的巨大冲击。
a ）安全气囊未打开
b ）安全气囊打开
图1  头部3向及合成加速度—时间曲线图
对碰撞过程中的加速度值进行积分，得到气囊未打开时的头部性能指标HPC 值为636，气囊打开时的HPC 值为286，降低了55.03%。由此可见，气囊对乘员头部有明显的保护效
果。
2.2 胸部性能指标分析
胸部位移—时间曲线如图2所示，图a ）中胸部位移Min=31.96 mm ；图b ）中胸部位移Min=56.44 mm 。
a ）安全气囊未打开
b ）安全气囊打开
图2  胸部位移—时间曲线图
当安全气囊打开时，胸部压缩量增加了43.37%，这是因为发生碰撞时，安全气囊瞬间弹出，作用于乘
员胸部的压力较大，超过了安全气囊未打开时安全带对乘员的束紧力，导致胸部压缩量变大。当乘员体形较小或较脆弱时，安全气囊的相对压力尤其大，极有可能使乘员受到伤害[6]。 2.3 颈部性能指标分析
颈部X 轴向剪切力力F x —时间曲线如图3所示，图a ）中颈部X 轴向力Max=1224 N ，图b ）中颈部X 轴向力Max=574.6 N 。颈部对Y 轴弯矩—时间曲线如图4所示，图a ）中颈部对Y 轴弯矩Max=22.62 N ·m ，Min=-23.39 N ·m ；图b ）中颈部对Y 轴弯矩Max=34.62 N ·m ，Min=-30.28 N ·m 。
a ）安全气囊未打开
b ）安全气囊打开
图3  颈部X 轴向剪切力F x —时间曲线图
汽车气囊
a ）安全气囊未打开
b ）安全气囊打开
图4  颈部对Y 轴弯矩—时间曲线图
在图3中，上方折线为标准中规定的颈部前后向剪切力的极限值，下方曲线为试验中测得的数据。对比图a ）与图b ）可知，安全气囊被触发时，乘员颈部受到的剪切力减小了
53.06%。
在图4中，对比图a ）与图b ）可以明显看出，当安全气
汽车实用技术
122 囊打开时，颈部Y 轴弯矩比安全气囊未打开时变化剧烈，并且最大值和最小值的绝对值均较大。
在碰撞过程中，安全气囊打开虽然会使颈部前后向剪切力减小，但是会使颈部对Y 轴的弯矩变大，所以，安全气囊有可能对颈部造成一定程度的伤害，需进行深入研究分析。
3 结论
本文通过两次正面碰撞对比试验，分析了安全气囊对乘员头部、颈部、胸部的影响，得出结论：在正面碰撞的过程中，安全气囊打开可以使乘员头部伤害降低55.03%，使颈部受到的剪切力降低53.06%，同时也使胸部压缩量增大43.37%，颈部对Y 轴的弯矩增大20%以上。
由此表明，安全气囊对乘员身体重要部位有着至关重要的保护作用，但是当碰撞强度较大或者弹出安全气囊的能量等级较高时，安全气囊有可能对乘员的胸部造成一定程度的
损伤。
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大致实现预期优化目标，克服了实践阶段许多问题，在改善系统性能方面现实价值十分显著，值得更深入研究与重视。
1）按照错误情况界定故障模式；2）通过错误树搜索故障组件，同时完成有效定位；3）对刹车声而言，可按照其频率与种类判断其位置；4）优化系统总体参数与部件结构，使可靠性得到大幅改善；5）下一步重点是对各种故障模式进行定量分析，顺应时代发展趋势与要求，引入更多新的技术与方法，围绕现阶段种种故障、问题出发，通过科学有效定量分析，提出更合理、更完善解决方案，尽量规避或降低各类故障发生可能性，为人们出行安全提供更大保障，也为社会长治久安奠定良好基础。
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