正面碰撞試驗(yàn)中坐墊剛度均勻性對(duì)乘員傷害影響研究

商恩義 劉衛(wèi)國(guó) 周大永 韓剛

（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）

正面碰撞試驗(yàn)中坐墊剛度均勻性對(duì)乘員傷害影響研究

商恩義 劉衛(wèi)國(guó) 周大永 韓剛

（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）

為提高汽車座椅坐墊的安全性，對(duì)坐墊剛度前后一致和前高后低的兩款座椅進(jìn)行了臺(tái)車試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，坐墊剛度前高后低將會(huì)造成乘員骨盆發(fā)生“二次碰撞”，導(dǎo)致乘員的胸部加速度幅值和壓縮變形量增高，頸部張力增大，同時(shí)帶來(lái)安全氣囊觸底風(fēng)險(xiǎn)，最終造成乘員上半身的傷害相應(yīng)加重。因此在選配座椅時(shí)，應(yīng)盡可能選擇坐墊前、后剛度接近的座椅。

1 前言

汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯(lián)系在一起的重要內(nèi)飾部件,它直接影響到整車的舒適性和安全性[1]，因此，座椅的設(shè)計(jì)除了要滿足法規(guī)對(duì)乘員身體壓力分布、振動(dòng)特性、剛度和強(qiáng)度等性能要求，還要使座椅的結(jié)構(gòu)、剛度及坐墊傾角等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，以期在汽車發(fā)生碰撞時(shí)能夠有效緩解乘員受到的沖擊傷害。相關(guān)研究表明[2，3]，增大座椅坐墊傾角可以減輕乘員頭部和胸部的損傷值，但為了保證乘坐舒適性，坐墊與汽車駕駛區(qū)地面的夾角不應(yīng)偏大。此種情況下，為了提高座椅在碰撞過(guò)程中對(duì)乘員的約束作用，通常將座椅骨架設(shè)計(jì)成盆式結(jié)構(gòu)，且將坐墊前、后剛度設(shè)計(jì)成前高后低，該結(jié)構(gòu)雖然在碰撞中加大了對(duì)乘員骨盆的約束作用，但改變了人體通常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可能會(huì)對(duì)乘員身體局部帶來(lái)更嚴(yán)重的傷害。針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)坐墊剛度前、后均勻性差異對(duì)乘員傷害的影響進(jìn)行了研究。

2 坐墊剛度分析

目前，坐墊剛度曲線通常按照QC/T 55—93《汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)方法》中對(duì)靜剛度檢驗(yàn)要求的規(guī)定，并結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行測(cè)量，即實(shí)際測(cè)量中用正面碰撞試驗(yàn)用HybridⅢ50th假人臀部塊替代標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的坐墊加載板，如圖1所示。試驗(yàn)中，將下壓作用力直接加載在假人骨盆中間部位[4]。

因試驗(yàn)車型所選配座椅為盆式座椅（見(jiàn)圖2），其前端和后端的剛度差別較大，因此研究中將選取座椅前、后兩個(gè)位置進(jìn)行靜剛度測(cè)量。根據(jù)圖1，先將坐墊和靠背按照整車試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)好，然后放上假人臀部塊并對(duì)臀部塊的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)假人臀部塊時(shí)，先左右調(diào)節(jié)使假人臀部塊的左右中截面與坐墊前后方向的中截面重合，隨后前后移動(dòng)假人臀部塊，當(dāng)假人臀部H點(diǎn)[5]與座椅下加強(qiáng)橫梁在前后方向上相對(duì)應(yīng)時(shí)，將該位置確定為前測(cè)量位置；當(dāng)假人臀部后側(cè)邊緣與座椅靠背剛剛接觸時(shí)，將該位置確定為后測(cè)量位置。

試驗(yàn)加載速度為2.5 mm/s，加載方式為：加載到25 mm時(shí)釋放；加載到75 mm時(shí)釋放；加載到150 mm時(shí)釋放，記錄該過(guò)程中的力和位移曲線，并分析載荷為500 N時(shí)坐墊下陷量對(duì)應(yīng)值δ，然后通過(guò)式（1）計(jì)算出加載剛度ks。

每個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)測(cè)試3次，取其平均值記作座椅在該點(diǎn)區(qū)域的剛度并用于后續(xù)分析。

3 臺(tái)車試驗(yàn)研究

試驗(yàn)樣車為正在開發(fā)的A級(jí)車，初步選定駕駛員側(cè)座椅為盆式結(jié)構(gòu)、坐墊傾角均為14°的A、B兩款，A坐墊前、后剛度分別為23.2 N/mm和13.3 N/mm，前端剛度是后端的1.7倍，差別較大；B坐墊前、后剛度為27.4 N/mm和24.2 N/mm，基本一致。為了確定最有利于駕駛員側(cè)乘員保護(hù)的一款座椅，對(duì)A、B兩款座椅分別進(jìn)行了臺(tái)車試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)地反映不同產(chǎn)品之間存在的性能差異，兩次臺(tái)車試驗(yàn)由同一組試驗(yàn)人員按同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，并使用同一條減速度曲線、同一假人、相同的安全帶和安全氣囊配置。

對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)SAE J211做如下規(guī)定：假人x向加速度為前、后方向，向前為正；y向加速度為左、右方向，向右為正；z向加速度為上、下方向，向下為正。假人頸部x向剪切力Fx，頭向后胸向前為正；頸部z向張力Fz，受拉為正[6]。

3.1 骨盆數(shù)據(jù)分析

假人骨盆加速度傳感器位于骨盆后端腰椎下方位置。假人骨盆x向加速度曲線反映了安全帶腰帶和坐墊對(duì)假人x向的約束作用，以及可能出現(xiàn)的大腿膝部撞擊到儀表板產(chǎn)生的阻力。骨盆z向加速度的變化反映了假人腰椎對(duì)假人臀部的上提作用，而腰椎提臀的幅度與安全帶腰帶的作用力和坐墊剛度大小密不可分，因假人在前沖過(guò)程中，當(dāng)受到腰帶的約束作用后，將在上下方向上尋找突破點(diǎn)，當(dāng)座椅剛度過(guò)低時(shí)，假人臀部將產(chǎn)生下潛運(yùn)動(dòng)，此時(shí)臀部上提、胸部前撲的運(yùn)動(dòng)將被減弱，骨盆z向加速度偏低；當(dāng)座椅剛度偏高時(shí)，假人的臀部將向前上方運(yùn)動(dòng)，向前運(yùn)動(dòng)減速加快，整個(gè)假人的動(dòng)能將轉(zhuǎn)向假人胸部，假人胸部前撲速度將加快，提臀幅度將加大，骨盆z向加速度幅值將偏大。

坐墊剛度變化對(duì)假人最直接的影響就是對(duì)假人胸部前撲及提臀幅度的影響，表現(xiàn)為假人骨盆加速度的變化，且以z向加速度的變化為主。

兩款座椅臺(tái)車試驗(yàn)后，假人骨盆x向和z向加速度曲線如圖3所示，其中，為了使z向加速度曲線能夠直觀地反映假人臀部上提情況，z向加速度進(jìn)行了取反處理。

由圖3可看出，對(duì)于x向加速度，在約55 ms時(shí)刻，A座椅試驗(yàn)時(shí)x向加速度增幅突然加快，而B座椅試驗(yàn)時(shí)增幅過(guò)程相對(duì)平緩。在整個(gè)碰撞過(guò)程中，兩次試驗(yàn)的x向加速度最大幅值基本相等，但A座椅試驗(yàn)達(dá)到最大幅值時(shí)刻為73 ms，B座椅試驗(yàn)為103 ms，A座椅試驗(yàn)比B座椅試驗(yàn)提前了約30 ms。對(duì)于z向加速度，在約70 ms時(shí)，A座椅試驗(yàn)中z向加速度增幅發(fā)生突變，相對(duì)第2次試驗(yàn)不但達(dá)到最大幅值時(shí)刻提前了30 ms，而且加速度幅值也提高了10g。

兩次試驗(yàn)中骨盆加速度曲線產(chǎn)生差異的原因?yàn)椋诩偃讼蚯斑\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，腰帶將盡力將假人臀部約束在座椅上，當(dāng)坐墊剛度前、后相對(duì)均勻時(shí)，隨著安全帶腰帶作用的增強(qiáng)，假人骨盆x向和z向加速度絕對(duì)值都將均勻增加，直至臀部平穩(wěn)回彈、胸部前撲達(dá)到最大值，但此過(guò)程中胸部前撲幅度較小，變化不劇烈，所以z向加速度幅值較低。當(dāng)坐墊剛度前高后低或大腿膝部撞擊到儀表板時(shí)，骨盆x向的加速度將產(chǎn)生急劇增強(qiáng)的突變，該突變將導(dǎo)致假人將胸部提臀前撲速度加快，使假人骨盆z向加速度也產(chǎn)生突變，而此突變強(qiáng)度通常很大，常與x向加速度的幅值幾乎相等。但需要強(qiáng)調(diào)的是，在預(yù)緊限力式安全帶作用下，因大腿撞擊對(duì)骨盆加速度產(chǎn)生影響的情況已很少出現(xiàn)，一旦x向加速度有突變產(chǎn)生，通常只有坐墊剛度發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)比兩次試驗(yàn)結(jié)果可知，假人骨盆加速度的差異是坐墊前、后剛度存在均勻性差異造成的。鑒于A座椅試驗(yàn)中，當(dāng)骨盆撞擊到前端剛度較高部位時(shí)加速度曲線產(chǎn)生了明顯的突變，好似再次發(fā)生了撞擊，則將車體碰撞稱為“一次碰撞”，將座椅剛度差異造成的骨盆碰撞強(qiáng)度增強(qiáng)過(guò)程可稱為“二次碰撞”。

上述分析表明，在碰撞過(guò)程中，人體由于慣性繼續(xù)前沖，進(jìn)而將受到安全帶等約束系統(tǒng)的約束。在所有承受約束的部位中，臀部的承載能力最強(qiáng)，而座椅坐墊剛度前高后低恰恰能增強(qiáng)座椅對(duì)乘員臀部的約束作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)乘員的約束。因此，坐墊剛度前高后低在約束系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中可以考慮采用。

3.2 胸部傷害影響分析

兩款座椅臺(tái)車試驗(yàn)后，胸部x向加速度曲線如圖4所示，胸部壓縮變形量D曲線如圖5所示。

圖4中，在約55 ms時(shí)，兩次試驗(yàn)中胸部x向加速度曲線下降幅度均明顯增大，即該時(shí)刻后安全帶作用效果明顯增強(qiáng)。由于安全帶作用力為被動(dòng)力，安全帶作用效果增強(qiáng)表明假人胸部前撲明顯加快。其中，A座椅試驗(yàn)中曲線下降幅度更明顯，可以確認(rèn)A座椅試驗(yàn)中坐墊前端剛度突然增大對(duì)假人胸部形成了沖擊。

圖5中，由于A座椅試驗(yàn)中假人相對(duì)B座椅試驗(yàn)的前撲速度過(guò)快，導(dǎo)致安全帶對(duì)胸部的壓縮速度上升加快，同時(shí)，在安全氣囊作用階段，A座椅試驗(yàn)中假人胸部與氣囊的接觸更早且擠壓強(qiáng)度更大。最終，A座椅試驗(yàn)中假人胸部壓縮變形量最大值達(dá)到33.6 mm，而B座椅試驗(yàn)中最大值僅是30.3 mm，A座椅試驗(yàn)中最大胸部壓縮變形量比B座椅試驗(yàn)中高11%。該結(jié)果表明，如果該車型采用A座椅，胸部壓縮變形量的增加將對(duì)后續(xù)安全氣囊的優(yōu)化提出更高要求。

3.3 頸部傷害影響分析

兩款座椅臺(tái)車試驗(yàn)后，頸部受力情況如圖6所示。

由圖6a可看出，在約65 ms前后，兩款座椅臺(tái)車試驗(yàn)中假人與安全氣囊發(fā)生接觸，頸部剪切力Fx變化趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折，其中，A座椅試驗(yàn)中Fx轉(zhuǎn)折斜率和幅值變化均大于B座椅試驗(yàn)，即頭部與安全氣囊完全接觸后，A座椅試驗(yàn)中假人頭部撞擊速度偏高。

由圖6b可看出，A座椅試驗(yàn)中頸部張力Fz幅值達(dá)到2.3 kN，B座椅試驗(yàn)中為1.55 kN，A座椅試驗(yàn)中Fz幅值是B座椅試驗(yàn)中的1.5倍。C-NCAP中規(guī)定的頸部張力Fz高性能指標(biāo)為2.7 kN，A座椅試驗(yàn)中Fz幅值與之很接近，已經(jīng)對(duì)假人頸部造成一定傷害，且存在扣分風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 假人頭部傷害影響分析

兩款座椅臺(tái)車試驗(yàn)后，假人頭部合成加速度對(duì)比如圖7所示。

圖7中，A座椅試驗(yàn)中假人頭部合成加速度幅值明顯高于B座椅試驗(yàn)，A座椅試驗(yàn)中假人頭部性能指標(biāo)HIC=803（91～124 ms），而B座椅試驗(yàn)中HIC=181（90～126 ms）。C-NCAP中規(guī)定假人頭部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC的高性能限值為650，低性能限值為1 000，即HIC值低于650時(shí)為滿分，超過(guò)1 000時(shí)為零分。B座椅試驗(yàn)中假人頭部傷害較好，但A座椅試驗(yàn)中假人頭部將扣掉近一半分?jǐn)?shù)。

在C-NCAP中，頭部HIC計(jì)算式[7]如下：

式中，ar為頭部x、y、z3個(gè)方向合成加速度，t2-t1≤36 ms。

式（2）表明，頭部HIC的大小與t2-t1間最大平均加速度密切相關(guān)，而A座椅試驗(yàn)中，在91～124 ms內(nèi)ar維持在高值，即平均加速度值將較高，這是其HIC偏高的主要原因。

A座椅試驗(yàn)中假人頭部x、y、z3個(gè)方向加速度如圖8所示。

圖8中，頭部z向加速度幅值最高達(dá)44g，遠(yuǎn)高于通常的20g，是合成加速度值偏高的主要原因之一；另外，從頭部x向加速度曲線可以初步判斷，碰撞發(fā)生后第108 ms時(shí)頭部安全氣囊發(fā)生觸底，即碰撞后期頭部透過(guò)氣囊與轉(zhuǎn)向盤發(fā)生碰撞。該觸底碰撞導(dǎo)致頭部x向和z向加速度繼續(xù)增高并持續(xù)保值。

在整個(gè)碰撞過(guò)程中，假人頭部除了受到安全氣囊的作用力外，還將受到頸部的約束作用，即安全氣囊和頸部共同作用下產(chǎn)生頭部加速度，因此，頸部力和頭部產(chǎn)生加速度的合力之間有著必然聯(lián)系。HybridⅢ50th假人頭部質(zhì)量為4.54 kg，用假人頭部質(zhì)量分別乘以頭部x向和z向加速度，可以求得假人頭部x向和z向合力。建立頸部力與頭部合力間關(guān)系如圖9[8，9]所示。

圖9中，頸部z向張力和頭部z向合力比較接近，表明雖然A座椅試驗(yàn)中假人頭部z向加速度很大，但主要是由頸部張力作用產(chǎn)生。

分析安全氣囊的作用，將頭部x向合力與頸部x向剪切力、頭部z向合力與頸部Fz分別取差值，求得安全氣囊對(duì)假人頭部x向和z向的作用力，如圖10所示。

圖10中，在碰撞發(fā)生后第108 ms時(shí)，安全氣囊對(duì)假人頭部x向和z向的作用力均發(fā)生增強(qiáng)突變，可以進(jìn)一步確認(rèn)此時(shí)安全氣囊觸底[10]。從安全氣囊觸底前A座椅試驗(yàn)中安全氣囊x向作用力下降斜率較大可以確認(rèn)，在頭部撞上安全氣囊時(shí)安全氣囊的氣量較足、剛度較大，但后期還是觸底，表明安全氣囊作用有效時(shí)間短，且頭部撞擊速度高。對(duì)于A座椅試驗(yàn)中安全氣囊對(duì)假人頭部z向作用力，其為負(fù)值，表明氣囊對(duì)頭部z向作用方向向上，即A座椅試驗(yàn)中假人臀部回彈較快，對(duì)頭部產(chǎn)生回拉作用，導(dǎo)致面部與安全氣囊表面接觸面間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，此滑動(dòng)增大了頸部張力，降低了安全氣囊的保護(hù)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)正面碰撞試驗(yàn)時(shí)汽車座椅坐墊剛度均勻性對(duì)乘員傷害的影響進(jìn)行了研究，通過(guò)臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果表明，在約束系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，坐墊剛度前高后低有利于對(duì)乘員的約束，但當(dāng)坐墊前、后剛度均勻性相差較大時(shí)，將對(duì)骨盆造成“二次碰撞”，骨盆的二次碰撞將造成骨盆降速過(guò)快，乘員上半身前撲動(dòng)作加強(qiáng)，進(jìn)而造成乘員上半身的傷害相應(yīng)加重。因此，在選配座椅時(shí)，應(yīng)盡可能選擇坐墊前、后剛度接近的座椅。

1 張金換,杜匯良,馬春生等.汽車碰撞安全性設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社,2010.

2 葛如海,臧綾,王浩濤等.汽車坐墊傾角對(duì)正面碰撞乘員保護(hù)影響分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45（11）：230～234

3 商恩義.正面全寬碰撞試驗(yàn)中假人胸部損傷研究.汽車科技,2012（3）：18～21.

4 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).汽車座椅動(dòng)態(tài)舒適性試驗(yàn)方法.QC/T55-1993.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

5 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).User's Manual for the 50thPercentile Male HybridⅢTest Dummy，Version 1998.USA SAE,1998.

6 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1：Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron?ic Instrumentation,REV.MAR95.USA SAE,2003.

7 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心（天津）.C-NCAP管理規(guī)則（2012年版）.（2013-06-20）.http//www.c-ncap.org.

8 商恩義,張君媛,楊斌,等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車技術(shù),2010（10）：18～21.

9 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).J2052：Test Device Head Contact Duration Analysis.USA SAE, 1997.

10 Adult occupant protection rating：Frontal Impact-Driver &Passenger.http//www.euroncap.com：2～14.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年12月10日。

Research on the Influence of the Occupant’Injuries by Seat Cushion Stiffness Uniformity in the Frontal Impact

Shang Enyi,Liu Weiguo,Zhou Dayong,Han Gang
（Geely Automobile Research Institute,Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology,Hangzhou 311228）

To improve safety of vehicle seat cushion,sled experimental research on two types of seat was conducted, one with equal cushion stiffness on the front and rear seats,the other with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat.The results showed that the seat with higher cushion stiffness on the front seat and lower cushion stiffness on the rear seat easily cause“secondary impact”to passenger’s pelvis,leading to increase of passenger’s thorax acceleration amplitude and compression deformation,as well as increase of neck strain,meanwhile it also brings about the risk of air bag grounding,ultimately causing aggravation of injury of the passenger’s upper body.Therefore when matching seat,seats with similar stiffness on the front and rear cushion should be choosed.

Frontal impact,Seat cushion stiffness,Uniformity

正面碰撞 坐墊剛度 均勻性

U467.1+4

A

1000-3703（2017）07-0054-05