仪表板系统膝碰吸能的研究与应用
张胜锋1，连晓雨2
汽车仪表板东风延锋汽车座舱系统有限公司，武汉 430056
摘 要：为了提高C_NCAP汽车碰撞试验中大腿部位的得分，对仪表板子系统影响膝碰的影响因子进行了研究，并以项目为实例通过Knee mapping有限元仿真分析和仪表板子系统的膝部碰撞试验验证。结果表明：通过对仪表板膝碰区域的造型进行要求，仪表板内部结构预留足够的变形空间，并在仪表板内部设计溃缩吸能结构，能有效的降低大腿的伤害值。
关键词：膝部碰撞；大腿伤害；仪表板造型；仪表板变形空间；溃缩吸能结构Research and Application of Knee Impact Energy Absorption of Instrument Panel System
ZHANG Sheng-feng 1，LIAN Xiao-yu 2
Dongfeng Yanfeng Automotive Cokipit Systems Co., LTD, Wuhan 430056, China
Abstract: In order to improve the score of the thigh part in the C_NCAP automobile crash test, the influence factors of the dashboard subsystem on knee impact were studied, and one project was taken a
s an example through Knee mapping finite element simulation analysis and knee crash test verification of the dashboard subsystem . The results show that: through the requirements for the shape of the knee area of the instrument panel, enough deformation space is reserved for the internal structure of the instrument panel, and the collapse energy-absorbing structure is designed inside the instrument panel, which can effectively reduce the injury value of the thigh.
Key Words: Knee Collision; Thigh Injury; Instrument Panel Shape; Instrument Panel Deformation Space; Collapse Energy-Absorbing Structure
前 言
在中国新车评价规程（C-NCAP）中规定的正面偏置碰撞试验中假人大腿（膝部）伤害评价方法对车辆仪表板及其内部结构设计有较大指导意义。
本文从C-NCAP评价规程出发，研究仪表板
doi:10.16648/jki.1005-2917.2022.6.056
图2 仪表板下本体造型要求示意图
2.2 仪表板上下造型分界面下缘与踵点的高度差应不小于550mm，如图3所示。
图3 仪表板上下本体分界
2.3 仪表板两侧的X向落差应尽量少，以保证假人与仪表板接触后的姿态。驾驶员及前排乘员左右膝盖对应的仪表板碰撞点之间的X向落差应不超过19mm，或对应碰撞点之间的连线与Y方向之间的夹角（如图4所示）应不超过4°。
图4 仪表板膝部碰撞区域斜度要求示意图
造型及其内部结构对大腿伤害的影响，并通CAE 仿真分析和实物膝碰试验的有效验证，最终达到指导仪表板设计开发的目的。
1 仪表板膝部碰撞评价
膝部风险评价主要用来评价车辆碰撞过程中是否会对不同体位乘员膝部造成相应的损伤，主要是在膝部可能接触的区域内检查是否存在集中载荷和可变区域接触风险的情况。1.1 仪表板膝部碰撞区域
下面介绍一下具体评价流程，对于无膝部气囊的车辆，若膝部与仪表板有接触的情况下，按照膝部接触印迹划出评估区域，如图1所示：
图1 膝部评价区域划分示意图
1.2 仪表板膝部碰撞评价方法
对于假人的每条腿部，在评估区域内分别进行集中载荷与可变区域接触风险点检查。
1）集中载荷
检查是否存在这样的硬点或结构，并确认是否有将碰撞载荷进行分散或传递的措施。若无集中载荷风险点，对于驾驶员位置，将评价区域分为转向管柱中心两侧60mm的区域和其它区域。
2）可变区域接触
检查是否存在目标风险点。若存在，当整车碰撞试验中（正面100%&MPDB）大腿力大于3.8KN或者膝部位移大于6mm时，该罚分不能通过KM试验进行消除，直接生效。
2 膝碰区域仪表板造型要求
2.1 正面碰撞工况中，仪表板下本体的造型应保证驾驶员和前排乘员的腿部在前移过程中，膝盖
先于小腿与仪表板接触，如图2所示。
3 仪表板内部变形空间
在判断仪表板膝碰区域造型满足要求之后，对仪表板区域结构刚度分布进行检查，使用单腿膝碰CAE仿真计算，详细研究仪表板结构对膝碰结果的影响。
3.1 仪表板内部变形空间要求
仪表板膝部碰撞区域内，从仪表板表面往内 70mm的范围内不能布置刚度较大的部件，包括但不限于不可压溃的电子按钮及功能开关、仪表板加强筋、开口储物盒、手套箱边缘分缝、手套箱拉手等，避免出现驾驶员及前排乘员大腿载荷超标、膝部集中载荷及不稳定接触等问题。
3.2 CAE膝碰仿真分析
在进行仪表板造型和膝碰区域刚度分布检查后。CAE仿真计算中假人左腿按照整车试验前乘客侧假人的乘坐坐姿进行摆放，根据仿真结果表明，仪表板并不会造成过大膝盖滑动位置。如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。
图5 驾驶员侧膝碰分析结果图6 驾驶员左侧膝碰分析结果图7 驾驶员右侧膝碰分析结果
4 仪表板内部溃缩吸能结构
溃缩吸能机构是在传统零件的基础上增加了可溃缩变形的吸能部件。在车辆发生碰撞时，仪表板子系统通过溃缩吸能结构起到溃缩吸能的作用，对驾乘人员的腿部进行有效的保护，现针对转向柱护照、驾驶员侧下护板、手套箱总成的溃缩结构进行探究。
4.1 转向柱下护罩溃缩吸能结构
对于开发目标为2021版C-NCAP四星或四星
图8 乘员侧膝碰分析结果
图9 乘员侧左侧膝碰分析结果
图10 乘员侧右侧膝碰分析结果
以上的车型，在转向管柱下护罩和转向管柱之间，应设计缓冲结构，如图11所示，避免出现正碰过程中驾驶员膝盖撞上下护罩而集中载荷及不稳定接触的问题。缓冲结构应完全覆盖乘员可能的碰撞区域，其
中缓冲泡沫厚度应不小于12mm，背面有厚度不小于1mm的金属衬板，或者在碰撞中不会发生破裂的非金属衬板。缓冲发泡的密度建议在30g/L-50g/L之间。如图11所示。
图11 转向管柱下护罩溃缩吸能结构示意图
4.2 驾驶员侧下护板区域溃缩吸能结构
一般规定位于仪表板水平线以下的区域未膝部碰撞区域，为了保证驾驶员的膝部安全，在膝部前方下护板内侧布置吸能块。驾驶员侧的膝部吸能块表面距离假人的膝盖一般不超过10mm；该泡沫式吸能块为发泡PP（聚丙烯）粒子热压成型，根据性能要求的不同可选用不同密度的材料，为了满足低速碰撞的国标要求，一般采用较高密（60kg/m3）的吸能块。如图12所示。
4.3 手套箱溃缩结构
由于碰撞时的能量吸收需要时间过程，手套箱才能通过溃缩达到吸能的目的，因此膝部在完全停止前都会对手套箱产生一个切入量。若结构布置时在此范围内有硬点（如气囊模块、 空调、 CCB支架等）， 则腿部很可能受到严重伤害。
在膝部碰撞的安全保护中，为了减小乘客腿部受到的伤害，设计时会在右下部区域布置吸能支架，或者通过骨架/下饰板/手套箱等结构溃缩吸能 。
4.3.1 手套箱溃缩结构形式
手套箱储物盒在前后方向上，拆分出前后两个储物盒，前后两个储物盒通过自生长的卡扣进行连接。防火墙从车头方向以3m/s的速度向前位移100mm的过程中，单独拆卸出来的储物盒斗将会脱落达到吸能的目的。如图13所示：
图13 手套箱储物盒拆分的前后斗示意图图12 驾驶员侧吸能块
图14 手套箱溃缩要求示意图
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