第44卷  第8期 包 装 工 程
2023年4月 PACKAGING ENGINEERING
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收稿日期：2022–12–02
作者简介：左恒峰（1965—），男，博士，副研究员，主要研究方向为交通工具内外饰造型设计，彩、材料、表面处理（CMF ），产品设计等。
面向乘员安全保护的汽车内室设计新概念
左恒峰1，钟志华1,2
（1.清华大学，北京 100083；2.中国工程院，北京 100088）
摘要：目的 在汽车内室中，作为传统乘员约束系统的安全带与安全气囊已经存在相当长的时间，虽然对乘员的碰撞安全起到了积极的保护作用，但存在若干弊端，尤其在某些特殊工况下缺乏有效保护，会产生潜在损伤。在不能充分满足未来自动驾驶汽车需求的情境下，因乘员的各种姿态和多种活动，以及对
乘员保护的全面性和有效性的要求，有必要在内室设计中对乘员保护方式进行完善和创新。方法 在对传统内室壁面和乘员约束系统进行文献综述和全面审视的基础上，从内室结构原型创新的角度，提出基于充气式壁面结构的内室设计新概念，并对这一新概念进行了创新点的梳理，以及初步的可行性分析论证，并进一步进行了意向性的内室概念呈现及后续的研究规划。结果 初步仿真分析表明，碰撞过程中充气式壁面结构对应的头部损伤指标满足国际通用标准，对乘员安全保护的机制来说是可行的。基于充气式壁面结构的汽车内室还将从材料层面实现汽车内室绿环保、助推汽车轻量化、营造汽车内室新的视觉景观。结论 基于充气式壁面结构的汽车内室新概念是对传统汽车内室壁面结构的变革性创新，在部分保留传统约束系统的基础上，形成开拓性的乘员安全保护机制，是汽车内室工业设计在形态学上的突破性尝试。基于工程科学与设计艺术的结合，这一探索将为未来汽车内室设计提供新的思路和参考。 关键词：汽车内室；乘员保护；充气式结构；设计创新
中图分类号：TB472  文献标识码：A    文章编号：1001-3563(2023)08-0095-12 DOI ：10.19554/jki.1001-3563.2023.08.009
New Concept of Vehicle Interior Design for Occupant Collision Protection
ZUO Heng-feng 1, ZHONG Zhi-hua 1,2
(1. Tsinghua University, Beijing 100083, China; 2. Chinese Academy of Engineering, Beijing 100088,
China) ABSTRACT: As a traditional occupant restraint system within a vehicle, safety belts and airbags have been adopted for a long time. Although they have played a positive role in protecting the occupant's safety in crash accidents, there are some disadvantages, especially the lack of effective protection under some special working conditions, which will lead to po-tential damage. In case of that the demand for autonomous vehicles cannot be fully met in the future, it is necessary to improve and innovate in the occupant protection mode in the interior design because of the various postures and activities of the occupants and the requirements for the comprehensiveness and effectiveness of occupant protection. Based on a re-view of the traditional vehicle interior wall and the occupant restraint system, a new concept of vehicle interior design based on inflatable wall structure was proposed from the perspective of prototype innovation in interior structure. Then, the innovation of this new concept was sorted out, the preliminary feasibility analysis and demonstration were carried out, the intentional concept of interior was further presented and the follow-up research plan was made. The preliminary simulation analysis indicated that the Head Impact Criteria corresponding to the inflatable wall structure met the interna-tional common standards during the collision, which was feasible for the protection mechanism of occupant safety. The vehicle interior based on the inflatable wall structure also realized the environmental protection of vehicle interior from the material level, promoted the lightweight of the vehicle and created a new visual landscape of the vehicle interior. The
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new concept of vehicle interior based on inflatable wall structure is a revolutionary innovation of traditional vehicle inte-rior wall structure. On the basis of partially retaining the traditional restraint system, a pioneering occupant safety protec-tion mechanism is formed, which is a morphological breakthrough attempt of industrial design of vehicle interior. Com-bining engineering science and design arts, this exploration will hopefully provide valuable ideas and references for future vehicle interior design.
KEY WORDS: vehicle interior; occupant protection; inflatable structure; design innovation
长期以来汽车内室的被动安全措施常采用安全带和安全气囊的方式，虽然对乘员碰撞安全保护起到很大的作用，其本身也历经不断的渐进式改进，但仍然不能覆盖所有碰撞工况下对乘员在各个方向的保护，也存在若干力学和热学损伤，尤其不足以适应未来自动驾驶汽车乘员的多种活动形式和多种乘坐姿态的复杂要求。传统的安全措施与工业设计是分离的。有必要通过内室工业造型设计和结构工程设计的深度融合进行整合安全保护与功能形式的全面创新。
1 基于安全保护的汽车内室设计综述
随着智能化和自动驾驶技术的深入发展，汽车功能属性发生了重大变化。汽车不再仅仅是输运和迁移的交通工具，更是满足人们生活、工作、娱乐、休闲等多种需求的延伸平台。汽车造型设计正在进入一个全面升级和突破性创新的阶段，但同时也面临一系列更复杂的挑战和更高的要求。这在汽车内室设计方面尤为明显。以往作为设计重心的车身外饰设计，正逐渐向更多关注内室设计的方向转变（郝瑞敏[1]）。以自动驾驶汽车为例，车内乘员将比以往享有更大的自由度，乘员将以各种状态和各种姿势从事多种不同于传统内室中的活动（Sibashis等[2]），因而针对汽车内室需要进行前瞻性的研究和设计创新。
汽车内室设计是一项复杂的系统工程，对应着不同的知识体系和技术支撑。传统的汽车内室具有不同的系统，包括照明系统、座椅系统、约束系统、门饰板系统等（邱国华等[3]），而自动驾驶汽车又置入了更多的内容，包括先进的信息系统和人车交互系统等。传统内室相关的知识体系和认知模式将发生改变，有必要对汽车内室的功能模块（包括安全）、信息模块、结构模块、空间与形态模块进行解构和重组。其中，乘员安全保护是首要问题，也是设计创新的基本前提。在对传统内室和被动安全保护方式进行开拓性研究时，需要通过内室工业造型设计与碰撞安全、工程结构的研究进行深度融合和协同创新。
从工业设计的角度来看，目前汽车内室造型设计理论和方法主要集中在空间布局、造型语言、交互界面、感觉体验、材料彩工艺（CMF）等方面（孙彪等[4]，Lee等[5]，陈俊洁[6]，Zhang等[7]）。在
内室设计上，可以看到更炫酷的视觉或光影效果，更直观的信息显示界面，更丰富多变的空间布局、更新颖的内室造型形态等。然而，这些场景下乘员安全保护方式的解决方案和设计却出现滞后现象。虽然汽车内室中有关主动安全功能的实现和完善发展较快，如基于多重感觉通道的信息提示和预警，自动刹车系统、汽车避撞系统等，但在被动安全方面，一直沿用以安全带和安全气囊为主要保护方式的传统乘员约束系统。尽管传统约束系统也在不断发展，在很大程度上为乘员提供了积极保护，但其安装位置的局部性和作用方向的有限性，以及各种潜在的力学损伤或热损伤，不能完全覆盖所有工况下对内室乘员全面有效的保护，不足以满足未来自动驾驶情境下针对乘员的多种姿态和多种行为特征的新的保护需求。
安全气囊是一个由多个部件构成的，只有当碰撞条件达到设计条件时（如一定的速度撞击硬物），才会通过引爆而被打开，在其他危险情况下，如后碰、翻转、或低速碰撞等，都不一定导致安全气囊起爆。同时，安全气囊和安全带都安装在车内某些固定的位置，在气囊未覆盖的区域，人体有可能直接撞向内室硬壁面，因而其保护效果在方向上有一定的限制（Williams等[8]）。气囊的展开过程是一个动态过程，伴随着较高的瞬间压力和温度（Mohammad[9]），由此可能对乘员造成不必要的损伤，其中力学损伤比较常见，如腹部和胸部的损伤（Julie等[10]）。此外，还可能对乘员造成直接或间接的灼伤等热损伤，多见于手臂、脸部、眼睛等部位（Erpenbeck等[11]）。在下列情形下，普通气囊的伤害概率会升高：与标配气囊基于的标准人体尺寸有很大差异的过小尺度的乘员（Huber等[12]）
；在不佩戴安全带、单独使用气囊的情况下，对乘员造成伤害的概率会更高（Monkhouse 等[13]）。
国内外学者在改善乘员安全保护方式和效果方面进行了积极有益的探讨。如Susana等[14]专门探讨了一些特定人如老人、儿童、孕妇等不同人或异型尺度人的安全保护问题，并研发了相应的专用安全带。如图1所示。Klinich等[15]也进行了类似的研究。在此基础上，Huang等[16]的研究指出，需要建立传统约束系统的参数动态可调机制，包括气囊刚度、安全带和座椅的位置等。不过，在操控上难度不小，且仍然难以适应各种碰撞工况。
也有不少研究深入探讨了气囊和安全带在车内不同位置上的保护作用和效果，并开发了多种形式的气囊，如Wang等[17]、葛如海等[18]的研究，涉及侧面
第44卷  第8期 左恒峰，等：面向乘员安全保护的汽车内室设计新概念 97
图1  异型尺度人专用安全带
Fig.1 Special seat belt for occupants in abnormal sizes
气囊（Side Air Bag ）、气帘（Air Curtain ）以及多腔室气囊的采用，在一定程度上增强了保护效果。但是，大部分安全带的舒适度不高，很多乘员不愿意系安全带，造成损伤率提高。有研究将充气概念引入安全带，
比如，2012年，福特公司采用了后排乘客充气式安
全带[19]（充气是在一个动态的过程中完成的）
。其对小孩或小尺寸乘员的保护就比非充气式安全带的保护效果更为有效，造成的损伤也小（Stephen 等[20]）
，同时提高了安全带的舒适度。 以上这些尝试和努力都提升了对乘员的安全保
护性。然而，乘员约束系统，特别是安全气囊经历了
四代产品的发展和更新，但这种发展和更新都是渐进
性的（Incremental ），而不是根本性的（Radical ）或
跃迁式的改变，其造成的保护局限性和碰撞损伤情况
仍然问题较大（Khouzam [21]）
。不能保证在各种不同碰撞工况下将乘员的损伤降到最低。比如，在车辆翻滚、侧碰以及小偏置碰撞三种工况下（见图2），传
统约束系统存在不可忽视的保护缺陷。在这些工况
下，乘员可能越过传统安全气囊未能覆盖的边界区
域，进而滑过、偏离安全气囊，直接撞向内室顶棚、
门内板、立柱等刚性壁面，造成重大伤亡。
统计数据显示，翻滚事故每年导致的死亡人数在
欧洲、澳大利亚和中国分别达到20%、27%（Han    等[22]）和35%（王玮楠[23]）
。每年全球因道路翻滚安全事故造成的经济损失可达500亿美元（Liu 等[24]
）。侧碰造成的人员伤亡率约占35%（丁海建等[25]），25%小偏置碰撞事故案例占全部正面碰撞事故的比例在中国和欧洲分别为24%和27%（贾宏椿[26],Sherwood
等[27]）。翻滚事故中受伤最严重的部位主要是头部、颈部和胸部，累计占比超过了80%（王玮楠[23]）。在侧碰事故中，遭受严重损伤的区域主要是胸部、腹部以及骨盆等（Jiang 等[28]）。小偏置碰撞事故中乘员
损伤则集中在头部和胸部，占比分别为46%和24%（张俊南[29]）
。图3模拟了在翻滚工况下假人的运动状况。 张埔[30]基于仿真研究发现，在车辆发生翻滚时，车顶的变形会导致车身侵入量的增加，影响到乘员的生存空间进而导致伤亡。虽然车辆翻滚仅占交通事故的8%，但重伤和死亡人数却高达21%~31%（Zhang 等[31]）。安全带虽然可以防止乘员脱离座椅（Andrew 等[32]
）
，但只有当安全带和安全气囊共同使用时，乘员的受伤程度才能有效降低，而即便如此，传统约束系统仍然存在以下缺陷：三点式安全带对乘员头部和肩部的侧向约束效果不理想，无法在翻滚碰撞中对人的头部进行有效保护；车顶是传统安全气囊保护薄弱的地方；虽然有研究尝试采用专门的翻滚安全
气囊（陈慧[33]），但安全气囊在低碰撞强度的事故中，以高强度方式展开或以较低的展开阈值展开时，
易对乘员造成损伤；安全气囊在翻滚过程中由于某些原因导致延时展开，无法发挥其防护功能（黄硕[34]）
。总之，
侧碰                        翻滚                  小偏置碰撞
图2  几种特殊工况下传统乘员约束系统保护薄弱的情形
Fig.2 Insufficient protection of traditional occupant restraint system under special situations
图3  车辆翻滚时车内人员的运动状态
Fig.3 Illustration of occupant posture during the accident of rolling
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在翻滚发生时，乘员的头部与内室立柱、顶棚之间的二次碰撞损伤仅靠安全带和安全气囊还不能完全达到有效防护。
Zhang等[35]的研究发现，在车辆发生侧碰时，因侧面结构部件简单，变形和吸能的缓冲空间不够充分。发生25%小偏置碰撞时，重叠吸能区小，避开了纵梁碰撞缓冲区，乘员舱和机舱都在事故中溃缩（周英杰等[36]），车身侵入量大。这都使传统约束系统作用的空间变小。在侧碰时，即使有侧面气囊，但较远的乘员受安全气囊的保护较弱（Umale等[37]），并且躯干易从安全带中滑出（Shaimaa等[38]）。在某些特定条件下，比如某一特定的角度，乘员可能会滑过安全气囊撞向内室壁面或入侵车体。Dejun等[39]的研究发现，在小偏置碰撞时，当车体旋转角度过大时，座椅和安全带所提供的侧向约束力十分有限。在这些情形下，头部、颈部损伤的概率都非常高。此外，在侧碰和小偏置碰撞过程中，车身侵入量的增加可能导致车门变形，增加了安全系统的设计难度（张前斌等[40]），且气囊起爆机构的可靠性将受到不同程度的影响，使气囊可能无法正常展开（何蓉[41]）。侧碰发生过程中乘员的状态如图4所示。即使在有安全带的情形下，对乘员头部的保护依然是有限的。
总体来说，在车辆碰撞过程中，乘员的能量耗散方式对乘员伤害有重要影响。乘员保护方式和效果通
常基于两部分能量的合理分配：约束系统和车身内饰变形耗散的约束能（Restraint Energy），以及车体变形耗散的压溃能量（Ride-down）（张君媛[42]）。在侧碰、翻滚以及小偏置碰撞事故中，车体变形受限，压溃能量变小，约束系统的负担变重，其结果要么因约束系统刚度的强制增加导致乘员胸部、头部受损，要么约束系统刚度不增加，但乘员直接撞上内室壁面产生“硬接触”，同样造成胸部、头部因二次碰撞而受损。
特别需要注意的是，当前汽车内室中与乘员接触的表面如顶棚、门内饰板等均为“硬壁面”，基本上都是塑料、复合材料等刚性材料与结构，虽然表面包覆有织物、皮革（含麂皮）、橡胶等柔性材料，但这些包覆材料很薄，缓冲吸能的程度极为有限。同时，安全气囊存在延迟打开或未能展开的情形，或者即使展开了也带来各种潜在的力学损伤或热损伤。总之，基于传统材料与结构的汽车内室壁面和传统的乘员约束系统存在对乘员的保护不全面和易产生损伤的弊端。
未来智能交通环境（如无人驾驶汽车）将带来新的乘员保护问题，需要有新的思路和解决方案。在无人驾驶汽车内室中，乘员不再执行驾驶任务，人们有机会进行更多不同于传统内室中的活动。
一方面，乘坐姿态和车内环境、设施及形态将更加多样化（周青等[43]），如图5所示。当发生车辆碰撞时，复杂多样的乘坐环境和乘员姿态将会引起更高的碰撞伤害风险，比如发生不同朝向的、不同坐姿的、未约束的乘员之间的接触碰撞，对半躺乘员的脊椎形成轴向冲击，而座椅安全带或气囊对非标
准坐姿的乘员难以提供有效保护（Ji等[44]）。Timothy等[45]也指出，在多种坐姿和多方向的座椅布局的情形下，仅通过在有限位置与方向上起作用的传统安全带和安全气囊，将不足以达到有效的保护。
另一方面，一旦人从操控汽车与观察路面等一系列紧张任务中解放出来后，去从事其他日常生活、工作及娱乐活动时，其预警意识和应急反应水平会明显降低（当然，在完全无人驾驶的情境下，事实上我们也需要享受放松而不是紧张的状态）。在通常的情形下，一定的心理预警对碰撞损伤的预防或减弱是必要和有利的。而在完全自动驾驶状态，乘员完全沉浸于车内活动时，一旦发生紧急事件，“人-车-路”系统在
图4  车辆发生侧面碰撞时乘员的状态
Fig.4 Illustration of occupant posture during the accident of side collision
图5  未来智能交通环境下的概念内室呈现复杂多样的布局和乘客姿态Fig.5 Various layouts and occupant postures in concept vehicle interiors under future intelligent transportation circumstance
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运动感方面的心理协同度会降低，这种在缺乏预警的无意识状态下的碰撞伤害比有意识状态下的伤害可能会更严重。Nakayama等[46]指出，放松状态下颈部的损伤比警觉状态的损伤大。传统的乘员约束系统等被动安全保护措施已经不适应或不能充分满足这一新的变革（Smith[47]）。
由此可见，对自动驾驶环境下汽车新的乘员安全保护问题的研究必要且迫切。Farooq等[48]的研究探讨了在增加内室设施（如添加桌子）时如何对人员进行碰撞保护，其方法为采用弹出的临时充气气囊，覆盖桌子的硬材表面。这对传统的安全气囊来说是一个改善，但仍然未跳出与传统气囊相似的“弹出”和“动态充气”的概念。另据报道，麻省理工（MIT）自组装实验室（Self-Assembly Lab）与宝马公
司(BMW），基于“液体打印气体动力学”的新工艺研发了一种3D 打印的硅胶弹性充气材料。打印时将液化材料挤入凝胶槽，然后固化成型，从而实现可充气或放气的功能[49]。这一研究主要集中在材料和工艺上，关于这一概念在未来汽车内室中的应用，目前只提及了在安全气囊或座椅等方面的局部应用，并未面向汽车整体内室的壁面结构进行创新。当然，这从一个侧面说明了汽车内室与人体直接接触的界面从刚性到柔性转变的合理性。
Subit等[50]指出，自动驾驶系统的引入在保护效果方面对传统乘员约束系统提出了质疑。尽管未来的自动驾驶汽车通过对环境信息的快速感知、监测和控制反馈，可提升安全性，但即使是先进的避撞系统也不能在所有的情况下都可以立即将车辆停下来，而是将车辆减速以规避传统情形下因驾驶员的迟钝反应可能产生的严重后果（Josef等[51]）。
综上所述，目前的内室乘员约束系统仍处在渐进式改进的阶段，虽对乘员保护起到很大作用，但不能覆盖所有碰撞工况下的乘员保护，也存在若干力学或热学损伤，更不能适应未来自动驾驶车辆复杂多变的内室场景。
本文依照原型设计创新的理念，提出将充气结构引入汽车内室，建立基于充气式壁面结构的汽车内室新概念，开拓乘员保护的新途径，在传统被动安全措施的基础上，将为乘员二次碰撞提供更全面、更有效的保护。为汽车内室设计（尤其是无人驾驶汽车内室设计）提供新的思路。充气式壁面结构应用
于汽车内室的研究，国内外均未见同类报道，属于原创性概念，在工程科学与设计艺术相融合的创新设计理论和方法上，具有明显的理论意义和实践价值。
2 基于充气式壁面结构汽车内室设计的创
新点
2.1 乘员安全保护的变革性机制和效果
充气式壁面结构作为内室的空间界面。其不同于传统气囊主要体现在以下几个方面：常态下即为充气状态，而不是碰撞发生后再引爆弹出；由多气胞形成的充气式气胞壁面结构遍布整个内室，而不是在固定的某个位置；具有冗余特性，即多气胞壁面的气胞（）之间具有不连通性，一个气胞（）破坏不影响其他气胞（）的保护作用。这种多气胞形成的内室软体表面，可以达到全方位“软碰撞”效果，在各个方向上建立起更有效的“二次碰撞”的缓冲和阻尼，改变人与内室环境的接触和碰撞方式，形成新的内室乘员安全保护机制。基于这种内室界面，乘员在不同的姿态（如坐、卧、躺、倚等）下，也有望进行有效的保护，从而实现全方位、全时段的乘员保护。
2.2 从材料层面实现汽车内室绿环保并改善空气
质量通用自动驾驶汽车
影响汽车内室空气质量的主要因素是挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的释放。车内VOC主要来源于塑料、橡胶部件、织物、油漆材料、保温材料、黏合剂等。从材料的角度来看，采用VOC含量很低的环保材料或降低/抑制材料的VOC释放量是从源头上改善内室空气质量的根本途径。本文提出的充气式壁面结构将使用天然纤维增强树脂基生态复合材料。同时，由于内室大面积采用充气结构，降低了材料的种类和黏结剂的使用，可明显减少VOC的释放量，有助于从根本上增加汽车内室的绿环保性，对改善车内空气质量具有重要意义。
2.3 通过材料、形态与结构的创新助推汽车轻量化
的实现
从目前的文献资料来看，车身的轻量化研究较为活跃，而内室轻量化的研究还不太多。本文提出将充气式壁面结构这一新的形态与结构样式应用于汽车内室，部分替换一些比重大的刚性和实体材料，可以达到汽车整车的减重效果，采用充气式壁面结构实现轻量化的探索也尚未发现有类似报道，因此，这一思路在汽车轻量化方面，也是一个创新的举措。经初步计算，通过引入充气式壁面结构，汽车内室可以减重5%左右。
2.4 营造汽车内室全新的视觉景观和用户体验
随着自动驾驶和无人驾驶的兴起，乘员在内室的活动将变得更加丰富多彩。传统的内室视觉景观、环境界面以及整车用户体验都有可能也有必要进行新的设计探索。将充气式壁面结构引入内室设计将改变内室空间的视觉景观，并具有新功能的拓展潜力（可考虑在气囊结构的最外层界面植入新的信息化功能，如显示和交互，或增加氛围式照明），带来整个汽车内室的全新用户体验。
2.5 造型设计创新思维和方法上的新探索
本文提出的充气式壁面汽车内室从功能需求入