鞭打假人頸部標(biāo)定中OC轉(zhuǎn)角影響因素的研究

劉東春，鄭玉玉，王 旭，楊舒涵

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

BioRID Ⅱ假人是C-NCAP(中國新車評價規(guī)程)鞭打試驗指定使用的假人，用來評估汽車座椅的安全性能。按照2018版C-NCAP規(guī)定，使用BioRID Ⅱ假人完成5次試驗后，需要對其頸部進行標(biāo)定[1]。標(biāo)定試驗是保證假人生物擬合性的主要手段，用來確保假人在汽車碰撞時具備可靠的響應(yīng)能力，可以真實客觀地反映汽車的安全性能。

對BioRID Ⅱ假人頸部動態(tài)標(biāo)定試驗過程中有20多項技術(shù)指標(biāo)需要同時滿足要求，而且頸部標(biāo)定的影響因素比較多，導(dǎo)致頸部標(biāo)定成功率比較低。作者長時間的實際標(biāo)定經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)：頸部繞OC轉(zhuǎn)角指標(biāo)是決定標(biāo)定試驗成敗的關(guān)鍵指標(biāo)。本文用該指標(biāo)代表頸部標(biāo)定需求進行研究，重點分析其影響因素，以減少頸部標(biāo)定動態(tài)次數(shù)，同時也減少標(biāo)定對假人的傷害，提高BioRID Ⅱ頸部標(biāo)定的成功率[2-3]。

1 BioRID Ⅱ頸部結(jié)構(gòu)及標(biāo)定

1.1 BioRID Ⅱ頸部結(jié)構(gòu)

BioRID Ⅱ假人的脊柱是其核心部件，假人的脊柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。脊柱結(jié)構(gòu)包括7塊頸椎、12塊胸椎和5塊腰椎，與人體脊柱塊的數(shù)量完全相同，脊椎塊通過銷軸鏈接，在動態(tài)碰撞過程中可以轉(zhuǎn)動，碰撞后亦可以復(fù)位。

1.2 BioRID Ⅱ頸部靜態(tài)標(biāo)定

BioRID Ⅱ假人靜態(tài)標(biāo)定是檢查假人脊柱的曲率。首先將脊柱固定，并用專用夾具支撐假人脊柱，核查假人脊柱兩側(cè)螺釘扭矩；然后通過調(diào)整鋼絲繩的張緊程度，以使圖1中的各參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)：L1為[604,614]，L2為[570,580]，α為[29°,30°]，β為[36.5°,37.5°]，L3為[151,161]，L4為[199,209]。

1.3 BioRID Ⅱ頸部動態(tài)標(biāo)定

1.3.1 BioRID Ⅱ頸部動態(tài)標(biāo)定流程

假人頸部靜態(tài)標(biāo)定完成后，再進行動態(tài)標(biāo)定。其流程為：在溫度為19 ℃～25 ℃、相對濕度為10%～70%的環(huán)境中，將假人的上軀干(拆除假人四肢以及臀部)固定在迷你小滑臺上，然后用質(zhì)量為(33.55±0.1)kg的擺錘沖擊小滑臺，如圖2所示。其中，擺錘是由4根鋼絲繩懸掛，通過調(diào)節(jié)擺錘的高度來控制對假人的沖擊力，整個標(biāo)定過程是模擬汽車追尾碰撞對假人進行后碰試驗。

圖1 BioRID Ⅱ假人脊柱結(jié)構(gòu)

圖2 BioRID Ⅱ假人頸部標(biāo)定

1.3.2 BioRID Ⅱ頸部動態(tài)標(biāo)定評價指標(biāo)

BioRID Ⅱ頸部動態(tài)標(biāo)定評價指標(biāo)頸部繞OC轉(zhuǎn)角通過率較低，對其的具體要求為：25 ms～70 ms時間段內(nèi)達到極大值，且極大值區(qū)間為[11.5°,16.5°]；125 ms～135 ms時間段達到極小值，極小值區(qū)間為[-9°,2°]。極值發(fā)生的時間區(qū)間基本可以滿足，主要是兩個極值以及兩者的差值即跨度不容易滿足要求，因此本文重點以這三個值為研究目標(biāo)，分析其影響因素，進而指導(dǎo)標(biāo)定調(diào)整方向，提高成功率。

2 BioRID Ⅱ頸部動態(tài)標(biāo)定試驗分析

BioRID Ⅱ假人頸部動態(tài)標(biāo)定的主要影響因素有：擺錘速度、鋼絲繩張緊程度、阻尼大小、相鄰標(biāo)定時間間隔、環(huán)境溫度以及脊柱間橡膠緩沖塊等。而在實際標(biāo)定過程中，標(biāo)定試驗室溫度基本恒定在20.6 ℃～22.2 ℃范圍內(nèi)，小范圍的溫度變化對BioRID Ⅱ假人頸部標(biāo)定影響非常小,同時，脊柱間橡膠緩沖塊定期更換，所以本文對這兩個因素不作討論，主要討論其余4個影響因素。

為定量考察單一因素對OC轉(zhuǎn)角的影響，將假人靜態(tài)標(biāo)定后鋼絲繩和阻尼器的狀態(tài)作為鋼絲繩張緊程度和阻尼的基礎(chǔ)值，擺錘速度為4.75 m/s，相鄰標(biāo)定時間間隔為60 min，環(huán)境溫度為21 ℃作為其他三項各自的基礎(chǔ)值。每次試驗僅改變單一因子，其他因子保持基礎(chǔ)值不變；然后，使用同一個BioRID Ⅱ假人進行統(tǒng)一化試驗流程，并求取多次試驗標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值(記為C.V)來判定各因素對OC轉(zhuǎn)角的結(jié)果影響程度。

2.1 擺錘速度

將擺錘速度分別設(shè)定為4.70 m/s、4.75 m/s、4.80 m/s進行3次對比試驗，得到的頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與擺錘速度的關(guān)系如圖3所示，不同速度對OC轉(zhuǎn)角極值的影響如表1所示。由圖3和表1可知：隨著擺錘速度的增加，3次試驗極值及跨度也呈現(xiàn)出增大的趨勢，曲線雖有一定的差異，但差別不大；3次試驗OC轉(zhuǎn)角極大值、極小值及跨度的C.V分別為2.61%、-5.03%、1.4%，隨著擺錘速度增加，擺錘和小滑臺的碰撞能量亦增加，假人頭部向前甩動幅度變大導(dǎo)致OC極值及跨度偏大。

圖3 頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與擺錘速度的關(guān)系

2.2 鋼絲繩張緊程度

改變假人鋼絲繩的張緊程度進行5次試驗，用+n(n取值0，1，2)表示圖4中的銅螺柱1、3張緊n圈，銅螺柱2、4松開n圈；用-n表示螺柱1、3松開n圈，螺柱2、4張緊n圈。試驗得到的頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與鋼絲繩的關(guān)系如圖5所示，鋼絲繩不同狀態(tài)對OC轉(zhuǎn)角極值的影響如表2所示。

表1 不同速度對OC轉(zhuǎn)角極值的影響

圖4 BioRID Ⅱ頸部

圖5 頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與鋼絲繩的關(guān)系

鋼絲繩張緊圈數(shù)極大值(°)極小值(°)極值跨度(°)+212.68-3.9516.63+111.52-4.7716.28011.24-5.0916.33-110.86-4.8615.71-210.83-5.0915.92均值11.43-4.7516.17比值C.V(%)5.92-8.852.00

由圖5可知：+2時，OC轉(zhuǎn)角極大值最大，跨度亦最大；-2時，OC轉(zhuǎn)角極大值最??；隨著鋼絲繩前緊后松的程度逐漸增加，OC轉(zhuǎn)角極大值逐漸增大、跨度亦有變大的趨勢。這是由于鋼絲繩前緊后松之后，假人頭部在受到相同能量的沖擊后，向前可彎曲范圍變大，反方向調(diào)整鋼絲繩，假人向前可彎曲范圍變小。由表2可知：鋼絲繩調(diào)整對OC轉(zhuǎn)角的影響相對非常大，5次試驗其極大值、極小值及跨度的C.V分別為5.92%、-8.85%和2.00%。

2.3 阻尼大小

改變假人阻尼的大小進行5次試驗，用0表示初始狀態(tài)，用-0.5、-1、-1.5、-2表示松開的圈數(shù)。試驗得到頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與阻尼器的關(guān)系如圖6所示，阻尼閉合變化對OC轉(zhuǎn)角極值的影響如表3所示。

由圖6可知：阻尼器松開0.5圈，OC轉(zhuǎn)角極大值、跨度與初始狀態(tài)略有增大趨勢；而松開1圈，OC轉(zhuǎn)角極大值、跨度明顯變大；松開1.5圈，OC轉(zhuǎn)角極大值、跨度增大趨勢變緩，但變化在5次試驗中結(jié)果最明顯；松開2圈，OC轉(zhuǎn)角極大值變化不大，且有漸小趨勢。

由表3可知：阻尼松開0.5圈或者2圈時，OC轉(zhuǎn)角變化不明顯；而在阻尼松開1和1.5圈時，OC轉(zhuǎn)角變化非常明顯；5次試驗的OC轉(zhuǎn)角極大值、極小值及跨度的C.V值變化比較大，分別為8.74%、-19.98%和9.91%。

圖6 頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與阻尼器的關(guān)系

阻尼器松開圈數(shù)極大值(°)極小值(°)極值跨度(°)09.96-3.0613.02-0.510.53-3.2313.76-112.06-3.4215.48-1.512.62-4.6117.23-211.86-2.5814.44均值11.41-3.3814.79比值C.V(%)8.74-19.989.91

總體來講，減小阻尼，OC轉(zhuǎn)角極大值及跨度呈增加趨勢；增大阻尼，OC轉(zhuǎn)角極大值及跨度呈減少趨勢。但是這種規(guī)律是當(dāng)阻尼在一定的區(qū)間才有顯著的差異，而超出這個范圍，對OC轉(zhuǎn)角的影響又變小。

2.4 時間間隔

將相鄰試驗時間分別設(shè)為15 min、30 min、45 min和60 min進行4次對比試驗。得到的頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與時間間隔的關(guān)系如圖7所示，相鄰試驗時間間隔對OC轉(zhuǎn)角極值的影響如表4所示。

圖7 頸部繞OC轉(zhuǎn)角極值與時間間隔的關(guān)系

由如圖7可知:試驗間隔15 min時，OC轉(zhuǎn)角極大值明顯高于其他3次試驗；試驗間隔30 min和45 min兩次試驗曲線接近；試驗間隔60 min和45 min略有差異，但并不明顯。

由表4可知:4次不同的時間間隔導(dǎo)致的OC轉(zhuǎn)角極大值、極小值及跨度的變化C.V分別為4.18%、-6.10%和2.50%，數(shù)值也不小，可見時間間隔也是一個不可忽視的影響因素。相鄰試驗時間間隔太短，假人內(nèi)部的鋼絲繩以及皮膚沒有恢復(fù)到正常狀態(tài)，仍處于形變階段，其并不能真實反映假人的實際狀態(tài)，所以，試驗時間間隔務(wù)必60 min以上，才能保證試驗結(jié)果的客觀性和可信性。

表4 相鄰試驗時間間隔對OC轉(zhuǎn)角極值的影響

3 結(jié)論

本文首先對BioRID Ⅱ假人頸部結(jié)構(gòu)進行剖析，介紹靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定的過程。然后對頸部繞OC轉(zhuǎn)角指標(biāo)各主要影響因素進行單獨剖析。

(1) 阻尼對OC轉(zhuǎn)角極值影響尤為明顯，假人阻尼存在敏感區(qū)域，當(dāng)阻尼在該區(qū)域調(diào)整時，減小阻尼，OC轉(zhuǎn)角極值呈增加趨勢；增大阻尼，OC轉(zhuǎn)角極值呈減少趨勢，而超出這個敏感區(qū)域范圍，阻尼對OC轉(zhuǎn)角的影響又變小。

(2) 鋼絲繩張緊程度也是重要的影響因子，鋼絲繩前緊后松，OC轉(zhuǎn)角極值會變大；鋼絲繩前松后緊，OC轉(zhuǎn)角極值會減小。

(3) 隨著擺錘速度的增加，OC轉(zhuǎn)角極值呈正相關(guān)，由于擺錘速度要求的區(qū)間范圍較窄(4.70 m/s～4.80 m/s)內(nèi)，因此在3次比對試驗中并沒有呈現(xiàn)顯著的差異。

(4) 相鄰試驗時間間隔對試驗的影響也相對顯著，相鄰試驗時間太短，假人內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變還沒有恢復(fù)，并不能真實反映假人的實際狀態(tài)，因此相鄰試驗時間間隔在標(biāo)定過程中是不可忽視的因素。