Euro-NCAP追尾碰撞中頸部揮鞭傷試驗(yàn)方法研究

顧海明，李世成，楊運(yùn)生

(中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300)

0 引 言

揮鞭傷是交通事故中較為嚴(yán)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(shí)，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(yùn)動(dòng)，反映在頸部即導(dǎo)致頸部關(guān)節(jié)發(fā)生錯(cuò)位。[1]根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(gè)人生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yàn))研究小組開展相關(guān)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(jià)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(yàn)進(jìn)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(jī)理、鞭打試驗(yàn)評價(jià)體系構(gòu)成、試驗(yàn)波形、評價(jià)指標(biāo)等方面入手，詳細(xì)研究分析了Euro-NCAP揮鞭傷試驗(yàn)，并對新增加的后排座椅考核方法進(jìn)行了重點(diǎn)解讀。

1 追尾碰撞中頸部揮鞭傷產(chǎn)生機(jī)理

在追尾碰撞中，人體的頭部和頸部會(huì)發(fā)生急劇伸展和彎曲，使頸部組織承受過大的應(yīng)力而出現(xiàn)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致頸部疼痛甚至腦震蕩現(xiàn)象的發(fā)生。由于頸部的運(yùn)動(dòng)過程類似于軟鞭鞭頭抽打的動(dòng)作，因此得名鞭打試驗(yàn)。整個(gè)追尾碰撞的過程中，乘員經(jīng)歷了軀干率先向前運(yùn)動(dòng)、頭部由于慣性滯后向前運(yùn)動(dòng)以及回彈運(yùn)動(dòng)3個(gè)過程，[3]如圖1所示。

圖1 追尾碰撞中乘員運(yùn)動(dòng)的3個(gè)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(yàn)Fig.2 Whiplash test in an automobile seat

針對上述損傷機(jī)理，揮鞭傷試驗(yàn)即對追尾碰撞過程進(jìn)行再現(xiàn)，再現(xiàn)的過程中，采集假人頭頸部的傷害指標(biāo)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為對汽車座椅安全性能的考核，如圖2所示。

2 試驗(yàn)評價(jià)體系的構(gòu)成

在 Euro-NCAP評價(jià)體系中，鞭打試驗(yàn)評價(jià)主要包括兩部分，即前排座椅的靜態(tài)評價(jià)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、后排座椅的靜態(tài)評價(jià)。其中，座椅靜態(tài)評價(jià)主要對頭后間隙和頭枕高度等進(jìn)行測量評分，而動(dòng)態(tài)試驗(yàn)則采用滑車試驗(yàn)，將座椅及約束系統(tǒng)按照原車結(jié)構(gòu)，固定在滑臺之上?；囈灾付ǖ募铀俣炔ㄐ伟l(fā)射，模擬追尾過程。試驗(yàn)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(jià)占據(jù) 2分，后排座椅評價(jià)占據(jù)1分。

3 試驗(yàn)方法

3.1 前排座椅靜態(tài)測量

在進(jìn)行前排座椅的靜態(tài)測量時(shí)，首先將頭枕放置在中位，然后放置HPM(H點(diǎn)測量)裝置及HRMD(頭枕測量)裝置，測得此時(shí)的 Backset(頭后間隙)及 Height(高度)，相當(dāng)于對座椅的幾何參數(shù)進(jìn)行量化評價(jià)，如圖3所示。

圖3 使用HRMD裝置進(jìn)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(shí)，測量 Backset及 Height，且該項(xiàng)所占分?jǐn)?shù)與中位相同，原始分各占1分。

3.2 前排座椅動(dòng)態(tài)評價(jià)

座椅的動(dòng)態(tài)評價(jià)，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(dòng)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(dòng)態(tài)鞭打試驗(yàn)Fig.4 Dynamic whiplash test for driver seat

概括法規(guī)要求，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用高、中、低 3種強(qiáng)度波形，低強(qiáng)度和高強(qiáng)度波形為梯形波，而中強(qiáng)度波形為三角波，3種強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度波形時(shí)的失分比高強(qiáng)度多。

在選定波形進(jìn)行試驗(yàn)前，首先要進(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：骨盆角 26.5,°±2.5,°，H 點(diǎn)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(yàn)后進(jìn)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(shí)間，共計(jì) 6項(xiàng)，每項(xiàng)滿分為 0.5分。通過對多款座椅的統(tǒng)計(jì)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(dòng)態(tài)評價(jià)得分為 9分，與靜態(tài)測量 2分相加，共計(jì)滿分 11分，按照線性插值的方式折算為 2分，計(jì)入鞭打試驗(yàn)總分。

3.3 后排座椅靜態(tài)評價(jià)

在 2013版 Euro-NCAP標(biāo)準(zhǔn)中，新增了對于后排座椅的靜態(tài)評價(jià)。這主要是因?yàn)槟壳霸S多車輛后排頭枕可以收起，如果后排乘員沒有及時(shí)調(diào)節(jié)頭枕，一旦發(fā)生追尾碰撞將十分危險(xiǎn)。新版標(biāo)準(zhǔn)對后排座椅尺寸進(jìn)行了約束，規(guī)定其必須符合合理的座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還會(huì)對后排乘員造成一定的不適感，以提醒其及時(shí)調(diào)整頭枕高度。本文重點(diǎn)對后排座椅靜態(tài)評價(jià)方法進(jìn)行分析。

標(biāo)準(zhǔn)對于后排座椅共規(guī)定了 3項(xiàng)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(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行逐項(xiàng)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(diǎn)坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)分別標(biāo)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(biāo)CP Z尋找到假人頭部與頭枕的接觸點(diǎn)，繼而通過該點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到頭枕交叉點(diǎn)IP的坐標(biāo)，最終通過IP點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到有效高度，如圖 5所示，計(jì)算公式見式 1～4。法規(guī)要求頭枕處于最低位置時(shí)，有效高度不小于 720,mm；處于最高位置時(shí)，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(jì)算方式如式5所示：

3.3.3 Non-use Position評價(jià)

①若頭枕為可自動(dòng)回位頭枕，則由假人試坐，啟動(dòng)汽車，觀察頭枕是否可以從非使用位置自動(dòng)回位到使用位置。若可以，該項(xiàng)測試合格。②進(jìn)行 60,°轉(zhuǎn)角測量。該項(xiàng)測量即測量在非使用狀態(tài)和使用狀態(tài)時(shí)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(jìn)行不適度的測量，這里將不適度通過兩個(gè)參數(shù)進(jìn)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(diǎn)到 H點(diǎn)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(jì)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(xiàng)內(nèi)容全部滿足，則非使用位置評價(jià)可以得到1分。這樣后排座椅滿分共計(jì) 4分，按照線性插值的方法折算為1分，計(jì)入鞭打試驗(yàn)總分。

4 結(jié) 論

針對 Euro-NCAP追尾碰撞試驗(yàn)，從試驗(yàn)體系構(gòu)成、試驗(yàn)波形選擇、評價(jià)指標(biāo)以及后排座椅的靜態(tài)評價(jià)方法等方面入手，全面分析研究了揮鞭傷試驗(yàn)方法，對其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和關(guān)鍵步驟進(jìn)行了詳細(xì)解讀，包括靠背角測量、骨盆角設(shè)置、頭枕位置放置等，對 Euro-NCAP試驗(yàn)在中國的開展具有一定的指導(dǎo)作用。

縱觀揮鞭傷試驗(yàn)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(yàn)方法的選取、指標(biāo)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(shè)計(jì)參數(shù)納入到試驗(yàn)評分之中，一方面提醒后排乘員及時(shí)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(shè)計(jì)的重視程度。我國也于 2012年開展了追尾碰撞的相關(guān)試驗(yàn)，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(guān)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)與完善?！?/p>

［1］C-NCAP鞭打試驗(yàn)初定標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)生，張曉龍.鞭打試驗(yàn)在歐洲、日本與中國[J].交通標(biāo)準(zhǔn)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.