某車型座椅鞭打性能改進(jìn)

李永攀, 趙海英,沈軍,張賀,張麗君

(北京汽車研究總院有限公司，北京 101300)

0 引言

追尾碰撞，俗稱鞭打事故，在交通事故中的比例逐漸增多。鞭打事故中造成的鞭打傷是指由于后方碰撞導(dǎo)致人體受到向前的加速度，而頭部在慣性力的作用下發(fā)生滯后，頸部產(chǎn)生像鞭子猛抽的動(dòng)作，鞭打效應(yīng)會(huì)造成頸脊骨傷害和腦震蕩[1]。為了更好地評(píng)價(jià)座椅在追尾事故中對(duì)人體頸部的保護(hù)效果，各個(gè)國(guó)家都出臺(tái)了相應(yīng)的安全法規(guī)和評(píng)定規(guī)程，歐洲的Euro-NCAP和美國(guó)汽車安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS都較早地將座椅鞭打性能納入了考核體系[2]。我國(guó)發(fā)布實(shí)施的2018版C-NCAP管理規(guī)則對(duì)座椅鞭打性能提出更高的要求。

本文作者以某車型座椅為研究對(duì)象，針對(duì)其在按照C-NCAP-2018進(jìn)行的鞭打試驗(yàn)，在其初始試驗(yàn)成績(jī)低于FEA(Finite Element Analysis)的狀況，通過分析影響鞭打試驗(yàn)性能的原因,制定改善措施，從而最終實(shí)現(xiàn)座椅實(shí)測(cè)鞭打得分高于FEA分析分值。

1 C-NCAP-2018版評(píng)價(jià)程序和評(píng)分原則

1.1 鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)程序

將座椅及夾具準(zhǔn)確地固定在滑車臺(tái)面上，如果座椅是新的從未被乘坐過的，則應(yīng)由(75±10) kg的人或裝置在座椅上試坐兩次，每次1 min。在安放HPM裝置(SAE J826-2008)前，所有座椅總成應(yīng)保持空載至少30 min。加速度波形在0～170 ms范圍內(nèi)，應(yīng)被精確控制以滿足試驗(yàn)要求。加速式臺(tái)車的速度變化量應(yīng)控制在Δv=(20.0±1.0) km/h，波形持續(xù)時(shí)間為ΔT=(103±3) ms[3]。具體見圖1。

圖1 試驗(yàn)波形

1.2 鞭打試驗(yàn)評(píng)分原則

鞭打試驗(yàn)最低得分為0 分，不會(huì)因罰分而減為負(fù)分。表1 為鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則[3]。

1.3 影響鞭打性能的座椅參數(shù)分析

表1 評(píng)分原則

(1)NIC值

頸部傷害值NIC 是枕骨鉸鏈相對(duì)于T1( 假人胸部)水平加頸部剪切力Fx。頸部剪切力只評(píng)價(jià)頭部相對(duì)于軀干向后的部分，即Fx值為正。當(dāng)NIC值超過15時(shí)，頸部承受輕微傷(AISI) 的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯增加，損傷程度由短期損傷擴(kuò)大到長(zhǎng)期損傷[4]。

(2)頸部拉力

頸部張力只評(píng)價(jià)拉伸部分，其值為正。

(3)頸部扭矩

頸部扭矩評(píng)價(jià)伸張和彎曲兩個(gè)方向：上頸部扭矩和下頸部扭矩。

1.4 常規(guī)優(yōu)化鞭打性能思路

通常通過降低座椅靠背對(duì)假人胸部的水平加速度峰值,降低胸部加速度與頭部質(zhì)心加速度差值，降低頸部所受載荷峰值等措施可有效提高座椅防鞭打傷害的性能。

2 FEA分析

(1)建立鞭打模型，包括座椅、假人、三點(diǎn)式安全帶以及B 柱和滑車4 部分，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，鞭打模型及分析結(jié)果曲線見圖2—圖3。

圖2 鞭打模型

圖3 分析結(jié)果曲線

其中頸部傷害值NIC曲線如圖4所示，可知其峰值為17.36g。

圖4 NIC曲線

(2)上頸部剪切力Fx曲線如圖5所示，可知其峰值為19.22 N。

圖5 上頸部剪切力Fx曲線

(3)上頸部拉力Fz曲線如圖6所示，可知其峰值為 287.21 N。

圖6 上頸部拉力Fz曲線

(4)上頸部扭矩My曲線如圖7所示，可知其峰值為14.41 N·m。

圖7 上頸部扭矩My曲線

圖8 下頸部剪切力曲線

圖9 下頸部拉力曲線

圖10 下頸部扭矩曲線

(8)如表2所示，F(xiàn)EA模擬分值為4.02。

表2 FEA得分

3 第一輪試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)分別選取時(shí)間為0、69、190 ms的座椅試驗(yàn)視頻截圖，如圖11—圖13所示。

(2)經(jīng)過第一輪試驗(yàn)，其結(jié)果曲線如圖14所示。

(3)第一輪試驗(yàn)得分如表 3所示(該評(píng)分表依據(jù)C-NCAP-2018版鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程)。

圖11 t= 0 ms

圖12 t=69 ms

圖13 t=190 ms

圖14 試驗(yàn)曲線

指標(biāo)試驗(yàn)值高性能限值低性能限值得分總分NIC16.72 mm/s28 mm/s230 mm/s21.21上頸部Fx0.39 N340 N730 N上頸部Fz600.04 N475 N1 130 N上頸部My16.91 N·m12 N·m40 N·m1.22下頸部F′x238.31 N340 N730 N下頸部F′z249.26 N257 N1 480 N下頸部M′y5.59 N·m12 N·m40 N·m1.50座椅靠背動(dòng)態(tài)張角13.8°≥25.5°0頭枕干涉頭部空間0Y0座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移2.3 mm≥20 mm03.93

(4)試驗(yàn)結(jié)論如下：

由表2—表3可知，座椅試驗(yàn)總分3.93較FEA分析得分4.02偏低；上頸部My和Fz兩項(xiàng)較FEA分值低, NIC值雖然比FEA有提升，但是距離滿分2分仍有較大提升空間。

原因分析: 頸部傷害值NIC 是通過頭部加速度和胸部加速度計(jì)算出來的，反映了頭和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即頭部加速度和胸部加速度之間相差越大，NIC值越大，頸部的損傷越嚴(yán)重。該試驗(yàn)頭部加速度觸發(fā)較晚，當(dāng)NIC處于峰值時(shí)胸部加速度較高，此時(shí)假人頭部后傾，頸部?jī)A斜較大，My和Fz值較高,導(dǎo)致得分偏低。

解決措施：可提升試驗(yàn)時(shí)人體在座椅靠背上的穿透性，增加人體胸部后移量。

4 優(yōu)化方案

考慮試驗(yàn)和FEA分值相差不大，座椅不進(jìn)行較大的改動(dòng)，對(duì)座椅靠背進(jìn)行優(yōu)化，具體方案如下：

(1)靠背面套固定鋼絲由整圈整體U形鋼絲改為分3段固定鋼絲，增加試驗(yàn)時(shí)人體傾入量(見圖15)。

圖15 鋼絲優(yōu)化

(2)靠背骨架上包覆的防異響無(wú)紡布，由全部包裹靠背骨架改為僅下部包裹無(wú)紡布(見圖16)。

圖16 包覆優(yōu)化

(3)靠背彈簧鋼絲橫向?qū)挾燃娱L(zhǎng)2 mm，降低彈簧鋼絲拉緊力(見圖17)。

圖17 彈簧優(yōu)化

(4)靠背骨架底部加焊固定支架，試驗(yàn)時(shí)減小骨架向后張角，變相增加靠背人體傾入量(見圖18)。

圖18 骨架優(yōu)化

5 第二輪優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述優(yōu)化方案，進(jìn)行第二次優(yōu)化試驗(yàn)，其試驗(yàn)得分如表4所示，可知優(yōu)化后座椅試驗(yàn)總分為4.37。

表4 第二輪試驗(yàn)得分

6 結(jié)論

依據(jù)優(yōu)化后的方案，較第一輪試驗(yàn)有明顯提高，也優(yōu)于FEA分析得分，其優(yōu)化方案效果明顯，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有座椅的改動(dòng)量并不大，更改投入少，改善周期快，可用于后續(xù)量產(chǎn)實(shí)施。