顧海明,李世成,楊運生
(中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300)
揮鞭傷是交通事故中較為嚴重與持久的傷害之一,常發(fā)生在汽車追尾碰撞中。在車輛發(fā)生追尾時,乘員軀干隨座椅向前加速,而頭部因慣性作用相對滯后,因此頭部與軀干形成了相對運動,反映在頸部即導致頸部關節(jié)發(fā)生錯位。[1]根據(jù)國內(nèi)外相關統(tǒng)計,美國每年有大約 180萬起追尾碰撞事故,其中有28%造成頸部傷害;在日本,大約有 35%的追尾碰撞事故造成頸部傷害,[2]給個人生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟帶來了巨大的損失。2002年,歐洲率先成立了追尾碰撞中頸部揮鞭傷(鞭打試驗)研究小組開展相關研究。經(jīng)過 6年的發(fā)展,2008年,Euro-NCAP將汽車追尾碰撞頸部損傷評價列入法規(guī),2009年又提高了其比重。2013年,Euro-NCAP再度對揮鞭傷試驗進行了更新,增加了對后排座椅的考核。
本文從追尾碰撞中頸部損傷產(chǎn)生機理、鞭打試驗評價體系構(gòu)成、試驗波形、評價指標等方面入手,詳細研究分析了Euro-NCAP揮鞭傷試驗,并對新增加的后排座椅考核方法進行了重點解讀。
在追尾碰撞中,人體的頭部和頸部會發(fā)生急劇伸展和彎曲,使頸部組織承受過大的應力而出現(xiàn)損傷,進而導致頸部疼痛甚至腦震蕩現(xiàn)象的發(fā)生。由于頸部的運動過程類似于軟鞭鞭頭抽打的動作,因此得名鞭打試驗。整個追尾碰撞的過程中,乘員經(jīng)歷了軀干率先向前運動、頭部由于慣性滯后向前運動以及回彈運動3個過程,[3]如圖1所示。
圖1 追尾碰撞中乘員運動的3個階段Fig.1 3 stages of a passenger’s movement during a rearend collision
圖2 汽車座椅鞭打試驗Fig.2 Whiplash test in an automobile seat
針對上述損傷機理,揮鞭傷試驗即對追尾碰撞過程進行再現(xiàn),再現(xiàn)的過程中,采集假人頭頸部的傷害指標,進一步轉(zhuǎn)化為對汽車座椅安全性能的考核,如圖2所示。
在 Euro-NCAP評價體系中,鞭打試驗評價主要包括兩部分,即前排座椅的靜態(tài)評價及動態(tài)試驗、后排座椅的靜態(tài)評價。其中,座椅靜態(tài)評價主要對頭后間隙和頭枕高度等進行測量評分,而動態(tài)試驗則采用滑車試驗,將座椅及約束系統(tǒng)按照原車結(jié)構(gòu),固定在滑臺之上。滑車以指定的加速度波形發(fā)射,模擬追尾過程。試驗中使用 BioRID-Ⅱ假人,測量在碰撞過程中的頸部損傷。[4]前排座椅評價占據(jù) 2分,后排座椅評價占據(jù)1分。
在進行前排座椅的靜態(tài)測量時,首先將頭枕放置在中位,然后放置HPM(H點測量)裝置及HRMD(頭枕測量)裝置,測得此時的 Backset(頭后間隙)及 Height(高度),相當于對座椅的幾何參數(shù)進行量化評價,如圖3所示。
圖3 使用HRMD裝置進行前排座椅靜態(tài)測量Fig.3 Static measurement of front seat with a HRMD device
其次,Euro-NCAP考慮到駕駛員的安全意識問題,即駕駛員往往將調(diào)節(jié)頭枕位置忽略,故法規(guī)要求在 worse case,即頭枕放置在最低位置時,測量 Backset及 Height,且該項所占分數(shù)與中位相同,原始分各占1分。
座椅的動態(tài)評價,即將主駕座椅與約束系統(tǒng)按照原車結(jié)構(gòu),布置在移動滑車上,滑車按照一定的加速度波形發(fā)射,用以模擬追尾碰撞,在座椅上放置BioRID-Ⅱ假人并采集假人傷害值,如圖4所示。
圖4 駕駛員座椅動態(tài)鞭打試驗Fig.4 Dynamic whiplash test for driver seat
概括法規(guī)要求,動態(tài)試驗采用高、中、低 3種強度波形,低強度和高強度波形為梯形波,而中強度波形為三角波,3種強度波形加速度峰值分別為 5,g、10,g、7.5,g。相比較而言,中強度三角波變化較為急劇,峰值較高,攀升速度快,[5]因此一款座椅往往在中強度波形時的失分比高強度多。
在選定波形進行試驗前,首先要進行座椅位置調(diào)整及假人的定位。對座椅位置的要求可以歸納為:座椅滑軌置中,座椅高度置中,傾角放置于最接近水平的位置,頭枕高度置中,靠背角盡可能接近 25,°。假人定位主要依靠以下幾項關鍵數(shù)據(jù):骨盆角 26.5,°±2.5,°,H 點相對 HPM 前移 20,mm,頭后間隙為靜態(tài)測量值加15,mm,雙膝間距200,mm。
試驗后進行 BioRID-Ⅱ假人的傷害值采集,主要采集NIC、Nkm、頭部回彈速度、上頸部剪切力、拉力、轉(zhuǎn)矩、下頸部剪切力、拉力、T1加速度或頭枕接觸時間,共計 6項,每項滿分為 0.5分。通過對多款座椅的統(tǒng)計分析,Euro-NCAP將 5%位置的數(shù)值作為高性能限值,70%位置數(shù)值作為低性能限值,95%位置數(shù)值作為極限值,[6]傷害值小于高性能限值可以獲得滿分,大于低性能限值得 0分,若超過極限值,則所有得分全部取消。
這樣,動態(tài)評價得分為 9分,與靜態(tài)測量 2分相加,共計滿分 11分,按照線性插值的方式折算為 2分,計入鞭打試驗總分。
在 2013版 Euro-NCAP標準中,新增了對于后排座椅的靜態(tài)評價。這主要是因為目前許多車輛后排頭枕可以收起,如果后排乘員沒有及時調(diào)節(jié)頭枕,一旦發(fā)生追尾碰撞將十分危險。新版標準對后排座椅尺寸進行了約束,規(guī)定其必須符合合理的座椅結(jié)構(gòu)設計,還會對后排乘員造成一定的不適感,以提醒其及時調(diào)整頭枕高度。本文重點對后排座椅靜態(tài)評價方法進行分析。
標準對于后排座椅共規(guī)定了 3項測量內(nèi)容,分別是Effective Height(有效高度)、Backset(頭后間隙)及 Non-use Position(非使用位置)。對 3項內(nèi)容進行逐項打分,分別為:有效高度 1.5分,頭枕中位頭后間隙 1分,worse case頭后間隙0.5分,非使用位置1分。
3.3.1 Effective Height測量
首先調(diào)節(jié)后排座椅,要求與主駕座椅相同(若可調(diào))。然后安裝HPM及HRMD裝置,HPM裝置的定位與前排座椅定位過程完全一致,故不再贅述。完成后記錄 H點坐標,橫縱坐標分別標記為HPM X及HPM Z。
圖5 Effective Height示意圖Fig.5 Schematic diagram of Effective Height
根據(jù)Z向坐標CP Z尋找到假人頭部與頭枕的接觸點,繼而通過該點坐標計算得到頭枕交叉點IP的坐標,最終通過IP點坐標計算得到有效高度,如圖 5所示,計算公式見式 1~4。法規(guī)要求頭枕處于最低位置時,有效高度不小于 720,mm;處于最高位置時,不小于770,mm。
3.3.2 Backset測量
Backset的測量需要將 ΔCP X與(Δ CP X)LIMIT作比較,若小于極限值,則可以得分,頭枕中位狀態(tài)下可得 1分,worse case下可得0.5分,其計算方式如式5所示:
3.3.3 Non-use Position評價
①若頭枕為可自動回位頭枕,則由假人試坐,啟動汽車,觀察頭枕是否可以從非使用位置自動回位到使用位置。若可以,該項測試合格。②進行 60,°轉(zhuǎn)角測量。該項測量即測量在非使用狀態(tài)和使用狀態(tài)時頭枕平面的角度,兩者差距須在60,°以上,以引起乘坐人的注意。③使用 HPM 裝置分別測量使用狀態(tài)和非使用狀態(tài)下的軀干角,兩者差距必須在 10,°以上,目的也是通過感官提醒乘坐人員注意。④進行不適度的測量,這里將不適度通過兩個參數(shù)進行定義,HLE及頭枕厚度 S。在非使用狀態(tài)下,HLE即為頭枕最低點到 H點在軀干線方向上的投影長度。要求 HLE在 250~460,mm 之間,厚度 S必須在40,mm以上,如圖6所示,HLE計算方法見式6。
圖6 不適度幾何測量Fig.6 Geometric measurement of immoderation
若上述幾項內(nèi)容全部滿足,則非使用位置評價可以得到1分。這樣后排座椅滿分共計 4分,按照線性插值的方法折算為1分,計入鞭打試驗總分。
針對 Euro-NCAP追尾碰撞試驗,從試驗體系構(gòu)成、試驗波形選擇、評價指標以及后排座椅的靜態(tài)評價方法等方面入手,全面分析研究了揮鞭傷試驗方法,對其中的關鍵數(shù)據(jù)和關鍵步驟進行了詳細解讀,包括靠背角測量、骨盆角設置、頭枕位置放置等,對 Euro-NCAP試驗在中國的開展具有一定的指導作用。
縱觀揮鞭傷試驗的發(fā)展歷史,歐洲一直走在世界前列,包括前期事故數(shù)據(jù)的搜集分析、試驗方法的選取、指標限值的確定等。2013年,Euro-NCAP也率先考慮到后排座椅的安全性能,并試探性地將后排座椅的設計參數(shù)納入到試驗評分之中,一方面提醒后排乘員及時調(diào)整頭枕的位置,另一方面也敦促企業(yè)提高對后排座椅設計的重視程度。我國也于 2012年開展了追尾碰撞的相關試驗,但發(fā)展相對緩慢,通過對Euro-NCAP最新內(nèi)容的跟蹤研究,有助于我國相關汽車安全標準的改進與完善?!?/p>
[1]C-NCAP鞭打試驗初定標準探討[C]// The 8th Int.Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS),2010:395-398.
[2]商博,喬維高.汽車追尾碰撞中乘員頸部傷害的影響因素分析[J].上海汽車,2009(1):44-46.
[3]Thunnissen J,Wismans J,Ewing C L,et al.Human volunteer head-neck response in frontal flexion:a new analysis[R].SAE Technical Paper,1995,1995-11-01.
[4]Euro NCAP.Assessment protocol-adult occupant protection:European new car assessment programme(Euro NCAP),Version 6.0 [S].Europe:Euro NCAP,July 2013.
[5]婁磊,楊運生,張曉龍.鞭打試驗在歐洲、日本與中國[J].交通標準化,2010(18):37-41.
[6]Van Ratingen M,Ellway J,Avery M,et al.The Euro NCAP Whiplash Test[C]//21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles,2009.