車輛座椅系統(tǒng)防揮鞭傷性能的優(yōu)化方案綜述

韓 帥，孫 聰，師玉茹，張 聰

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

頸部揮鞭傷是一種特殊的頸椎、頸髓損傷，指由于身體劇烈加速或減速運(yùn)動而頭部的運(yùn)動不同步，致頸椎連續(xù)過度伸屈而造成的頸髓損傷[1]。追尾碰撞是造成頸椎傷害的主要因素，在追尾過程中，座位帶動軀干隨被撞車輛向前加速移動，由于頭頸相對自由,在慣性力作用下，頭部后移，頭頸發(fā)生水平移位，導(dǎo)致?lián)]鞭傷的發(fā)生。在各種交通事故中，頸部傷害比例高達(dá)70%，而在追尾碰撞中，乘員頸部損傷概率更高，其中大約90%的后碰撞頸部損傷是低速碰撞（△V≤25km／h）造成的[2]。如今，追尾碰撞發(fā)生率逐年提升，2006年交通事故數(shù)據(jù)分析顯示，交通事故總數(shù)中正面碰撞占18.5%，側(cè)面碰撞占27%，追尾碰撞發(fā)生頻率僅次于側(cè)面碰撞，其比例高達(dá)25.5%；同時在高速公路的交通事故中，追尾事故發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于其他各類碰撞，其比例高達(dá)44.86%[3]；2008年追尾事故造成的直接財產(chǎn)損失高達(dá)2.5 億元，占交通事故總損失的25.12%，高于正面碰撞的21.44%和側(cè)面碰撞的24.39%。

本文將基于揮鞭傷評價準(zhǔn)則，提出優(yōu)化策略，對現(xiàn)有的防揮鞭傷措施進(jìn)行分析比較，進(jìn)而進(jìn)一步認(rèn)證優(yōu)化策略的準(zhǔn)確性。

1 揮鞭傷評價準(zhǔn)則及優(yōu)化策略

《C-NCAP 管理規(guī)則（2012 版）》在原有試驗項目上增加鞭打試驗，即檢測追尾碰撞過程對乘員頸部造成的損傷程度[4]。2012 版管理規(guī)則的修改使得獲得五星評價的難度上升約20%，并且更全面、真實地反應(yīng)車輛在事故中對乘員的保護(hù)；2015 版管理規(guī)則將在2012 版的基礎(chǔ)上更加注重主動安全、碰撞形態(tài)、測量效果、安全考核四大領(lǐng)域。

基于座椅安全性能考慮，座椅結(jié)構(gòu)主要包括： 靠背、頭枕、坐墊、座椅總成與車身相連接的固定部件[4]。對于減輕揮鞭傷損傷，最直接方式是改進(jìn)頭枕，最有效方式是靠背、頭枕一體化設(shè)計?？勘持饕譃槿嵝晕苁胶蛣傂晕苁?，柔性吸能式靠背在發(fā)生低強(qiáng)度尾撞時對于減輕揮鞭傷效果顯著，但對于高強(qiáng)度碰撞柔性吸能式靠背會對乘員的約束能力降低，對乘員造成傷害。頭枕分為感應(yīng)式頭枕和預(yù)響應(yīng)式頭枕，感應(yīng)式頭枕是指在追尾碰撞事故中，通過乘客自身的重量作用在座椅上的啟動防護(hù)裝置，使得頭枕自動向前、向上移動（如Volvo公司的WHIPS 頭頸部保護(hù)系統(tǒng)）。預(yù)響應(yīng)式頭枕是安裝在汽車尾部的速度傳感器與加速度傳感器檢測到追尾碰撞即將發(fā)生時，控制模塊向頭枕發(fā)出向前、向上移動的指令 （如奔馳NECK-PRO 碰撞預(yù)響應(yīng)式頭枕技術(shù)）。

2 現(xiàn)有防揮鞭傷結(jié)構(gòu)性能對比及優(yōu)化方案

隨著對汽車安全性的深入研究，國內(nèi)外專家相繼提出了不同的汽車安全設(shè)計理念。根據(jù)作用形式不同，可分為頭枕保護(hù)和其他防護(hù)，根據(jù)動力提供裝置的不同，分為純機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)電一體化；根據(jù)響應(yīng)方式不同，分為傳統(tǒng)式主動式防護(hù)和主動式防護(hù)等等，下面是對現(xiàn)有幾種安全座椅的介紹。

2.1 主動式頭枕防護(hù)

現(xiàn)有的研究成果表明，在汽車受到追尾碰撞時，防止揮鞭傷的發(fā)生最首要的措施就是減小頭枕與頭部之間的距離。主動安全頭枕是在車輛檢測到后撞即將發(fā)生或后撞已經(jīng)發(fā)生時，可動頭枕部分在特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)作用下迅速向前上方移動，承接乘員頭部以防止其強(qiáng)烈的向后甩鞭效應(yīng)，在保證了乘員駕駛舒適性的同時，最大限度地保護(hù)了乘員的頸部安全。在汽車安全領(lǐng)域的研究中，已提出兩類主動式頭枕：一類是純機(jī)械式的機(jī)構(gòu)，另一類是機(jī)電一體式機(jī)構(gòu)[5]。

純機(jī)械式的頭枕機(jī)構(gòu)主要依靠追尾碰撞中人體的慣性作驅(qū)動整個防護(hù)機(jī)構(gòu)，通過觸發(fā)彈簧伸展或特定的連桿機(jī)構(gòu)使頭枕向前移動，承接乘員頭部，防止其向后甩鞭，這種主動頭枕機(jī)構(gòu)不需要特定的感應(yīng)裝置，將人體的慣性作為整個機(jī)構(gòu)的動力來源?，F(xiàn)有的純機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有如下兩種[6]：

專利中的一種主動式安全頭枕裝置[7]是依靠追尾發(fā)生時，身體對靠背的沖擊引發(fā)靠背和頭枕內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動，觸發(fā)頭枕內(nèi)部彈簧限位裝置，從而使頭枕彈出，縮小頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置雖然運(yùn)動可逆，但不可以自行收攏，需要施加外力來使其收攏。

第二種結(jié)構(gòu)是在追尾發(fā)生時，由于慣性作用，身體向后撞向靠背，通過靠背與頭枕間的空間連桿機(jī)構(gòu)，使頭枕向前上方移動，從而減小所受的傷害。該裝置相比較前者反應(yīng)時間較長，可能在頭枕起作用之前，揮鞭傷就已經(jīng)發(fā)生，而且沖擊慣性不同，觸發(fā)效果也會不同。

另一類主動式頭枕是機(jī)電一體式機(jī)構(gòu)，該主動頭枕將主動防護(hù)與被動防護(hù)思想想結(jié)合，通過對路況的檢測來判斷是否啟動防護(hù)機(jī)構(gòu)。路況檢測方面通過速度傳感器和加速度傳感器采集前后車之間的相對速度與加速度；特定的電腦控制系統(tǒng)根據(jù)實時采集的路況信息快速判斷是否即將發(fā)生追尾，同時將信息傳遞給執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊能夠根據(jù)判斷模塊傳遞的信息啟動乘員保護(hù)裝置以保護(hù)乘員安全。

可伸縮式主動頭枕機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求： ①伸展機(jī)構(gòu)應(yīng)有具有一定的方向引導(dǎo)；②在追尾碰撞中能夠承受乘員頭部對其施加的載荷；③其運(yùn)動過程可逆。根據(jù)該原則，目前已有的主動頭枕設(shè)計方案如下：

一種用于追尾碰撞頸部保護(hù)的主動頭枕機(jī)構(gòu)[8]，它由電機(jī)驅(qū)動特定的十字連桿機(jī)構(gòu)來將可動頭枕部分彈出。該裝置依靠汽車安全主動防護(hù)系統(tǒng)對路況環(huán)境的檢測和判斷，在追尾事故發(fā)生前，及時將連桿機(jī)構(gòu)展開，減小乘員頭部和頭枕之間的距離，防止其向后甩鞭；在危險狀況消除后，連桿機(jī)構(gòu)自動收攏。該裝置的優(yōu)點在于： 連桿機(jī)構(gòu)的展開程度越大，其展開頭枕的運(yùn)動速度越小，承受能力越強(qiáng)。其缺陷在于： 頭枕只能向前方運(yùn)動，不能調(diào)整頭枕彈出角度來準(zhǔn)確承接乘員頭部以防止產(chǎn)生揮鞭傷。

基于現(xiàn)有的主動頭枕結(jié)構(gòu)，提出了如圖1 所示的防揮鞭傷主動頭枕結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，它包括電動推桿、可調(diào)節(jié)滑道和可彈出枕體。頭枕內(nèi)設(shè)置伸縮控制單元，追尾發(fā)生前可快速響應(yīng)，并驅(qū)動伸縮保護(hù)枕體快速伸出一定距離(若過程中接觸頭部也會立即停止)，從而縮小了頭枕與頭部間的距離，降低頭部的向后甩鞭作用。該裝置在實現(xiàn)防揮鞭傷功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)簡單，可自由調(diào)節(jié)頭枕彈出角度，保護(hù)更加精確。

圖1 電動推桿式主動頭枕Fig.1 Electric pusher active head

2.2 其他防護(hù)措施

除可以通過上述主動頭枕的調(diào)節(jié)之外，還有很多防止揮鞭傷的措施，如通過改變調(diào)角器的剛度，裝置平動吸能座椅等。汽車在受到尾撞時，通過乘員或者汽車某一部件的慣性對座椅產(chǎn)生力的作用，使汽車座椅的防揮鞭損傷機(jī)構(gòu)及時發(fā)揮作用，從而保護(hù)乘員頸部減輕或免受傷害。以下介紹平動吸能座椅的防護(hù)原理。

平動吸能座椅是指在發(fā)生中低速碰撞時，汽車座椅可沿固定滑軌后移一定的距離，同時由于克服阻力而吸收一定的碰撞能量。其設(shè)計核心就是吸能機(jī)構(gòu)的設(shè)計[9]。設(shè)計吸能機(jī)構(gòu)時主要考慮的因素是最大程度地使吸收同等能量所需的吸能元件質(zhì)量減小。依據(jù)平動吸能座椅的設(shè)計要求，為了保證吸能裝置能夠在當(dāng)前的大多數(shù)汽車上應(yīng)用，裝置僅在滑軌部分增加了可平動吸能部件，而座椅的其他部件均不做任何改變。以下簡單描述常用的兩種吸收能量的裝置：

第一種是圓管撐裂吸能，首先將圓形鋼管在其軸線方向上固定在相對車身位置固定的導(dǎo)軌上面，而剛性錐形管則固定在相對于車身可以移動的導(dǎo)軌上。由此，當(dāng)汽車發(fā)生追尾碰撞時，隨著座椅的向后平動，變形管被撐裂開，能夠提供較好的平臺力。在設(shè)計過程中，需要在失效的一端加工引導(dǎo)槽。這樣可使得圓管受到拉應(yīng)力而失效大致是沿著圓管的軸向[9]，撐裂的裂紋沿著預(yù)定的方向裂開，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。該方案可針對不同的汽車參數(shù)，如車輛的載重，駕駛艙的空間大小和汽車行駛速度等，通過有限元分析的模擬實驗，合理地設(shè)置圓變形薄鋼管的抗拉強(qiáng)度極限，直徑和厚度的大小以及與剛性錐形管之間的摩擦系數(shù)等因素，以改變撕裂力的大小，從而改變汽車的平動位移。

第二種是鋼片拉彎吸能。鋼片拉彎吸能是發(fā)生尾撞時，移動的座椅拉動鋼片繞固定圓柱彎曲拉伸，從而獲得穩(wěn)定的平臺力。固定圓管和固定限制塊限制了鋼片的運(yùn)動，牽引圓柱與平動導(dǎo)軌相連。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是由于平臺力在鋼片發(fā)生彎曲時可迅速增加，穩(wěn)定時鋼片移動的距離相對于座椅緩沖過程中移動的距離而言可以忽略，因此可認(rèn)為平臺力在整個過程中保持不變。

基于對現(xiàn)有吸能裝置的研究，設(shè)計了一種依靠氣液緩沖器來吸收汽車碰撞能量的緩沖裝置；其吸能原理是： 進(jìn)程時液壓油流過節(jié)流孔產(chǎn)生粘滯阻尼，將沖擊能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，小部分壓縮氣室內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)換成緩沖器的內(nèi)能儲存；回程時，壓縮氣體膨脹釋放內(nèi)能，克服回程阻尼做功，將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而吸收能量。該裝置中的氣液緩沖器通過固定卡托件安裝在底座上，其活塞桿則與靠背相鉸接，碰撞發(fā)生時，該裝置能夠?qū)⒂扇梭w的慣性產(chǎn)生的能量傳遞給車座下方的氣液緩沖器。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是既彌補(bǔ)了氣彈簧彈性阻尼小的不足，又克服了液壓緩沖在短時間內(nèi)難以吸收大量能量的特點，二者的結(jié)合使其在汽車碰撞過程中吸收大量的能量，從而減少了對人體的損傷。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與生活水平的提高，汽車的安全性問題則引起更多的重視。汽車安全座椅則通過對頭枕，靠背等裝置的改進(jìn)，實現(xiàn)高效防止揮鞭傷的功能。文中提出的優(yōu)化方案在解決了防護(hù)單一、不能重復(fù)使用、不適合廣泛推廣等問題的同時，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，成本低，防揮鞭傷效果突出。此外，對汽車座椅系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究與改進(jìn)，提高汽車的安全性，對我國汽車的研發(fā)和生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

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[6] 林喆，杜匯良，周青.一種追尾碰撞主動防護(hù)頭枕結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].汽車技術(shù)，2011.

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[8] 清華大學(xué).一種用于追尾碰撞頸部保護(hù)的主動頭枕機(jī)構(gòu)[P].中國，200710175261.7.2009.

[9] 張曉偉.針對尾撞下乘員頸部損傷保護(hù)的平動吸能座椅性能分析[D].清華大學(xué)，2013.