正面偏置碰撞中座椅剛度低對(duì)假人小腿傷害的影響

商恩義

（浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311228）

正面偏置碰撞中座椅剛度低對(duì)假人小腿傷害的影響

商恩義

（浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311228）

為研究汽車座椅剛度對(duì)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、假人小腿傷害的影響，對(duì)某款左舵車正面偏置碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和錄像進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在碰撞過程中，當(dāng)座椅剛度低導(dǎo)致假人產(chǎn)生下潛趨勢(shì)時(shí)，將增加假人腳掌發(fā)生側(cè)翻（內(nèi)翻或外翻）的可能性，致使假人小腿下部TI值失分。結(jié)合該車座椅的臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)座椅軌道結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，提高座椅剛度后假人下潛趨勢(shì)消失，假人腳掌不再發(fā)生側(cè)翻，假人小腿下部的TI值降低了26%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

主題詞：汽車偏置碰撞試驗(yàn)座椅剛度小腿傷害

1　前言

在中國(guó)新車星級(jí)評(píng)價(jià)程序（China New Car Assessment Program，C-NCAP）和歐洲新車評(píng)價(jià)程序（Euro-New car assessment program，Euro-NCAP）中，都規(guī)定了64 km/h正面40%偏置碰撞試驗(yàn)［1，2］。目前，在偏置碰撞試驗(yàn)中，假人小腿是失分重點(diǎn)部位。對(duì)于假人小腿的失分，普遍認(rèn)為與小腿與前方儀表板發(fā)生碰撞或腳踏板、擱腳板發(fā)生侵入有關(guān)，因此，解決小腿失分的方法通常是通過增加膝部氣囊或提高車輛前端碰撞區(qū)域的剛度來(lái)減少防火墻部位的侵入。事實(shí)上，在碰撞過程中，假人各部位的傷害程度與假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)密切相關(guān)，即當(dāng)假人發(fā)生下潛或產(chǎn)生下潛趨勢(shì)時(shí)都將造成假人小腿傷害增加，而假人下潛的發(fā)生除與座椅骨架整體結(jié)構(gòu)、座墊傾角有關(guān)外，也與座椅剛度低有關(guān)?；诖?，本文結(jié)合某款左舵車（下稱L車）在正面偏置碰撞試驗(yàn)中駕駛員假人（下稱假人）右小腿下部傷害指標(biāo)的優(yōu)化過程，研究座椅剛度偏低對(duì)假人小腿傷害的影響。

2　L車偏置碰撞試驗(yàn)中假人小腿的傷害

在正面偏置碰撞試驗(yàn)中，通常通過假人小腿上部和小腿下部載荷傳感器測(cè)量3個(gè)方向（x向、y向、z向）的力及x、y兩個(gè)方向的彎矩，用以評(píng)價(jià)假人小腿上部和小腿下部所受到的傷害，其中，x向?yàn)榍?、后方向，向前為正；y向?yàn)樽?、右方向，向右為正；z向?yàn)樯?、下方向，向下為正。C-NCAP中對(duì)假人小腿傷害的評(píng)價(jià)是通過小腿軸向力Fz和小腿脛骨性能指標(biāo)TI進(jìn)行，其中，F(xiàn)z對(duì)應(yīng)的高性能指標(biāo)和低性能指標(biāo)分別為2 kN和8 kN；TI對(duì)應(yīng)的高性能指標(biāo)和低性能指標(biāo)分別為0.4和1.3。L車在進(jìn)行偏置碰撞試驗(yàn)后，假人右小腿上部的Fz和TI、右小腿下部的Fz均未失分，而假人右小腿下部的TI值為0.467，已經(jīng)失分。為了獲得滿分，需要對(duì)失分的原因進(jìn)行分析，對(duì)當(dāng)前的約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析TI值過高原因

C-NCAP中TI按下式計(jì)算：

式中，Mr為合成彎矩，通過計(jì)算得到；（Mc）r為臨界彎矩，取為225 N·m；Fz為假人小腿軸向力（受拉為正）［3］，可直接測(cè)量得到；（Fc）z為z向臨界壓縮力，取為35.9 kN；Mx為繞x軸彎矩（膝蓋不動(dòng)、腳踝向左為正）；My為繞y軸彎矩（膝蓋位置向后、腳踝向前為正）。

依據(jù)式（1）和式（2）可得假人右小腿下部TI值，如圖1所示，建立Mx與My的對(duì)比關(guān)系如圖2所示。

由圖1可看出，TI值偏高，這主要是由于Mr偏大導(dǎo)致的。由圖2可看出，Mx與My相比，Mx基本為負(fù)，且絕對(duì)值最大值達(dá)到97.22 N·m，遠(yuǎn)大于My，因此可以確認(rèn)，試驗(yàn)中造成假人右小腿下部TI值偏高的主要原因是小腿下部Mx偏高。

2.2試驗(yàn)中彎矩偏高的原因分析

彎矩的產(chǎn)生是假人小腿軸向力與腳掌支撐點(diǎn)存在偏差造成的，彎矩將隨著假人小腿軸向力的變化和腳掌支撐點(diǎn)的改變而發(fā)生變化。當(dāng)踏板的侵入力增加較快，且假人腳掌受力點(diǎn)從腳掌前方偏離小腿軸心較大時(shí)，假人腳掌相對(duì)小腿將發(fā)生背曲（腳背上翻），My將瞬間增大；當(dāng)小腿的軸向力增加較快，腳掌支撐點(diǎn)向左或向右偏離小腿軸心較大，Mx絕對(duì)值升至較高時(shí)，假人腳掌相對(duì)小腿將發(fā)生側(cè)翻（內(nèi)翻或外翻）。假人腳掌發(fā)生側(cè)翻后，假人小腿軸向壓力Fz將瞬間減弱，Mx絕對(duì)值將得到瞬間緩解。但當(dāng)側(cè)翻達(dá)到假人腳踝的損傷容限（醫(yī)學(xué)上腳踝的最大活動(dòng)范圍）［4］時(shí)，Mx絕對(duì)值將繼續(xù)增大，且增大速度將更快。

因此，對(duì)于L車的正面偏置碰撞試驗(yàn)，依據(jù)圖2中Mx絕對(duì)值較大及曲線在80～100 ms之間出現(xiàn)凹坑，可以初步確認(rèn)碰撞過程中腳掌發(fā)生外翻，并且翻轉(zhuǎn)達(dá)到了腳踝的損傷容限。

2.3腳踝狀態(tài)分析

圖2中，Mx的突變發(fā)生在75 ms時(shí)刻，最大值出現(xiàn)在102 ms時(shí)刻，截取75 ms時(shí)刻和102 ms時(shí)刻腳踝部位錄像如圖3所示。由圖3b可看出，在102 ms時(shí)，假人右腳外翻明顯。因此，可以確認(rèn)假人右小腿下部TI超標(biāo)是假人右腳在碰撞過程中發(fā)生嚴(yán)重外翻所致。

3　試驗(yàn)中座椅剛度低對(duì)假人小腿傷害的影響

對(duì)比圖3a和圖3b可看出，除假人右腳發(fā)生外翻外，同時(shí)以中央通道的左側(cè)面為參照，坐墊前端下沿、座椅前后位置調(diào)節(jié)桿被下壓明顯，即在75～102 ms的碰撞過程中，座椅前端發(fā)生了嚴(yán)重變形，表明試驗(yàn)中座椅剛度偏低。

3.1臺(tái)車試驗(yàn)中座椅剛度低對(duì)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響

標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》中規(guī)定了“對(duì)整個(gè)車體向前施加一個(gè)不小于20g的水平縱向減速度，持續(xù)時(shí)間為30 ms”的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，并要求試驗(yàn)后的座椅骨架、座椅固定裝置、調(diào)節(jié)裝置、移位折疊裝置或其鎖止裝置均不應(yīng)失效，允許產(chǎn)生不會(huì)增加傷害程度的永久變形（包括斷裂）且能承受規(guī)定載荷。該試驗(yàn)中L車的座椅已經(jīng)通過了GB 15083—2006的試驗(yàn)檢驗(yàn)，強(qiáng)度上符合要求。對(duì)于座椅生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，當(dāng)座椅滿足GB 15083—2006的要求后便可供貨，但是，標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2006只是從試驗(yàn)中座椅本身應(yīng)具有的安全性方面考慮，規(guī)定了對(duì)座椅總成的強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法，并沒有要求放置假人。而實(shí)際碰撞中，座椅剛度影響著乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，因此，座椅的剛度對(duì)乘員傷害的影響不可忽略。

為了檢驗(yàn)L車所配座椅的剛度，除遵循標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2006的試驗(yàn)要求外，在座椅上安放了TNO 10假人，并再次進(jìn)行了動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后，截取了假人動(dòng)作前和向前移動(dòng)至最大位移時(shí)刻的錄像，如圖4所示。

由圖4b可看出，碰撞后座椅滑軌尾端成弓形，前端下降明顯，座椅滑軌由碰撞前的斜向上方變?yōu)檎w接近水平。另外，坐墊前端下降，假人臀部下沉，膝蓋上頂。由此表明，該座椅整體剛度偏低，尤其滑軌剛度較差，在碰撞中因滑軌發(fā)生彈性變形最終導(dǎo)致假人產(chǎn)生下潛趨勢(shì)。

3.2L車正面偏置碰撞試驗(yàn)中假人下潛趨勢(shì)判定

為分析L車正面偏置碰撞試驗(yàn)中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，截取了試驗(yàn)中75 ms時(shí)刻和102 ms時(shí)刻錄像，如圖5所示。由圖5可看出，相對(duì)門框上沿假人頭部位置發(fā)生了變化，由此可以判定碰撞試驗(yàn)中假人雖然沒有發(fā)生下潛，但下潛趨勢(shì)明顯。

3.3假人下潛（趨勢(shì)）對(duì)小腿傷害的影響

在實(shí)車正面偏置碰撞試驗(yàn)中，由于假人右腳放在加速踏板上，碰撞中前、后基本不動(dòng)，因此，當(dāng)假人向前及向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，假人大腿將產(chǎn)生推動(dòng)小腿向前同時(shí)相對(duì)小腿上端向下的運(yùn)動(dòng)，此過程中假人大腿受拉，小腿因腳下不能移動(dòng)而受壓，即膝滑移（小腿相對(duì)大腿的滑移量）為正。隨著碰撞的進(jìn)行，當(dāng)假人膝蓋撞擊到儀表板并沿儀表板向下擠時(shí)，假人大腿轉(zhuǎn)向受壓，假人小腿受到的壓力越來(lái)越大，且假人膝部與儀表板之間的接觸越來(lái)越不穩(wěn)定，此時(shí)假人小腿將可能發(fā)生擺動(dòng)，假人腳掌下的支撐點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生左右轉(zhuǎn)換。隨著假人小腿軸向壓力的不斷增大及腳掌支撐點(diǎn)的不穩(wěn)定，假人腳掌將可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

通過L車正面偏置碰撞試驗(yàn)過程中假人右腿的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)分析假人下潛（趨勢(shì)）對(duì)假人小腿傷害的影響。碰撞試驗(yàn)后假人右大腿和右小腿下部軸向力、膝滑移分別如圖6和圖7所示。

由圖6可看出，假人小腿下部所受軸向壓力在54 ms時(shí)開始增大，在64 ms時(shí)增速緩解；假人大腿所受軸向壓力曲線在60～63 ms之間出現(xiàn)凹坑，64 ms后受拉強(qiáng)度逐漸減弱并轉(zhuǎn)向受壓。假人小腿下部軸向壓力曲線和大腿軸向壓力曲線在82～100 ms之間均出現(xiàn)了明顯凹坑，即此期間假人大腿和小腿所受的軸向壓力出現(xiàn)瞬間緩解。

由圖7可看出，膝滑移在113 ms前一直為正值，且在約61～88 ms期間正向增速較快。在113 ms之后膝滑移為負(fù)，且最小負(fù)值僅為-0.6 mm，該現(xiàn)象表明，在碰撞過程中，假人小腿相對(duì)大腿沒有向后移動(dòng)，與儀表板相接觸的腿部主要是膝部，且假人大腿與小腿存在對(duì)折現(xiàn)象。

根據(jù)假人右小腿下部的Mx曲線（圖2）可知，在60 ms時(shí)，Mx開始正向增大；在74 ms時(shí)開始轉(zhuǎn)向，并沿負(fù)向增速明顯。Mx值正、負(fù)轉(zhuǎn)換表明在小腿軸向壓力作用下，假人右腳與加速踏板間的作用點(diǎn)不穩(wěn)定，發(fā)生了切換。在82 ms時(shí)，Mx出現(xiàn)了第1個(gè)較大的負(fù)向尖峰。

綜合上述分析可以確認(rèn)，試驗(yàn)中假人右腿的碰撞過程為：在60 ms時(shí)，假人右腿膝部與儀表板發(fā)生接觸，但接觸不穩(wěn)定；隨著假人開始下潛（趨勢(shì)），假人大腿對(duì)小腿的向前及向下擠壓使小腿軸向壓力急劇增大；在82 ms時(shí)，假人小腿軸向壓力達(dá)到了1.7 kN，右腳掌開始外翻；假人右腳掌外翻過程中，假人右小腿下部所受到的傷害均得到緩解，但當(dāng)翻轉(zhuǎn)達(dá)到腳踝的損傷容限后，假人右小腿下部所受傷害均再次增大，在102 ms時(shí)Mx絕對(duì)值達(dá)到最大值97.22 N·m。分析碰撞過程中假人小腿脛骨性能指標(biāo)TI值可知，在假人腳掌開始發(fā)生翻轉(zhuǎn)的第82 ms時(shí)刻，TI為0.424；在假人腳掌翻轉(zhuǎn)達(dá)到最大容限后的第102 ms時(shí)刻，TI為0.467，兩時(shí)刻的TI都超過了高性能指標(biāo)。即假人下潛將造成假人小腿Mx增大，當(dāng)假人發(fā)生下潛時(shí)，無(wú)論假人腳掌是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)，都可能造成假人小腿失分。

4　座椅剛度的改進(jìn)

由上述分析可知，假人小腿傷害失分是L車座椅剛度偏低所致，為保證假人小腿得分為滿分，需要對(duì)當(dāng)前約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為提高座椅剛度，對(duì)座椅軌道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，對(duì)軌道進(jìn)行了加厚處理。優(yōu)化后再次進(jìn)行了臺(tái)車試驗(yàn)，試驗(yàn)中假人向前運(yùn)動(dòng)至最大位移時(shí)刻的錄像截屏如圖8所示。

與圖4b相比，圖8中假人未出現(xiàn)下潛趨勢(shì)，即改進(jìn)后的座椅剛度得到了明顯提升。將改進(jìn)后的座椅安裝至L車上后再次進(jìn)行了正面偏置碰撞試驗(yàn)。圖9～圖11為座椅改進(jìn)前、后兩次試驗(yàn)中假人右大腿軸向力F′z、右小腿下部軸向力Fz和右小腿下部Mx的比較。

由圖9～圖11可看出，座椅剛度提升后，假人大腿軸向力在整個(gè)試驗(yàn)過程表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，即沒有出現(xiàn)膝蓋撞擊儀表板并沿儀表板前表面向前、向下擠壓產(chǎn)生壓力的情況；假人小腿軸向力曲線波動(dòng)減少，在接近80 ms時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)明顯的尖峰，且相對(duì)座椅改進(jìn)前峰值增大明顯，但對(duì)應(yīng)時(shí)刻的Mx的絕對(duì)值卻較小。該結(jié)果表明，在假人膝部與儀表板發(fā)生碰撞后，假人膝部與儀表板的接觸比較穩(wěn)定，且假人腳掌的支撐點(diǎn)集中在小腿軸心線上，因此不但假人腳掌未發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而且產(chǎn)生的Mx的絕對(duì)值也較小。

分析了座椅改進(jìn)前、后兩次試驗(yàn)中假人右小腿下部TI值的變化情況，如圖12所示。由圖12可看出，座椅改進(jìn)后的TI最大值為0.345，相比改進(jìn)前降低了0.122，且已低于高性能指標(biāo)，不再扣分，達(dá)到了約束系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。

5　結(jié)束語(yǔ)

為降低某款左舵車正面偏置碰撞試驗(yàn)中駕駛員假人右小腿下部傷害指標(biāo)值，對(duì)L車座椅剛度對(duì)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響進(jìn)行了研究，指出在偏置碰撞過程中，當(dāng)座椅剛度不足時(shí)，假人可能產(chǎn)生下潛趨勢(shì)，進(jìn)而會(huì)造成小腿下部Mx增大，TI值超過C-NCAP中規(guī)定的高性能指標(biāo)。為提高座椅剛度，對(duì)座椅軌道結(jié)構(gòu)和軌道材料進(jìn)行了改進(jìn)，座椅改進(jìn)后，假人小腿下部TI值比改進(jìn)前降低了0.122，且低于高性能指標(biāo)。

1中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.c-ncap.org.

2European New Car Assessment Program（E-NCAP）.（2013-03-01）.http//www.euroncap.com.

3USA Society of Automotive Engineers（USA SAE）.SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electronic Instrumentation，REV.MAR95.USA SAE，2003.

4陳海斌，王正國(guó)，Albert I King等，汽車碰撞事故中下肢的損傷容限與機(jī)制.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2010，1（4）：253～259.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

Influence of Seat Rigidity on Dummy's Tibia Injuries in Frontal Offset Crash Test

Shang Enyi
（Zhejiang Geely Automobile Institute Co.，Ltd，Key Research Laboratory of Zhejiang Provincial Automobile Safety Technology，Hangzhou 311228）

To investigate the influences of the seat rigidity on dummy's movement posture and tibia injuries，we analyze the test data and the video of left-side drive vehicle in frontal offset impact test，and find that，dummy will tend to descend when the seat rigidity is lower that will increase the possibility of the sole side flexion（inner side or outer side），causing the TI lose points.Combined with sled test result of this vehicle seat，the seat rail structure and material are optimized.The results show that the dummy's descending trend disappears when the seat rigidity is increased，and no sole side flexion occurs，TI value of the dummy's tibia declines by 26%，and complies with requirement of standard.

Automotive，Offset impact test，Seat rigidity，Tibia injuries

U467.1+4

A

1000-3703（2016）10-0044-04