基于2021版和2015版C-NCAP的某駕駛員座椅鞭打試驗對比分析及改進

李勛 李永剛 王庭槐 曾強 劉宏達

摘? 要：通過對比2015版和2021版C-NCAP鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則，總結(jié)了兩個版本之間的異同點。搭載BioRID II假人模型對同一批次的某駕駛員座椅分別進行2015版和2021版C-NCAP鞭打試驗，并對比了在不同版本評價規(guī)程下試驗后假人頸部的傷害情況，找出失分的主要因素，為廠家進行駕駛員座椅設(shè)計提供了相對應的改進措施，以提高某駕駛員座椅在2021版C-NCAP鞭打試驗部分的得分。

關(guān)鍵詞：鞭打試驗;C-NCAP;座椅;頸部傷害

中圖分類號：U467? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2021）01-0075-07

Abstract： According to summarizing the differences and similarities of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015 whiplash test assessment rules and scoring principles， this paper used the BioRID II dummy model to study the whiplash test of the same batch driver's seat， compared with the neck injury of the C-NCAP 2021 and C-NCAP 2015. The research found out the main factors of losing points and provided the improvement measures for the driver s seat design of manufacturers in order to improve the whiplash test scores of driver s seat based on C-NCAP 2021.

Key Words： Whiplash Test ; C -ncap; Seat; Neck Injury

1? ? 引言

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車保有量持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計，2019年底全國私人轎車保有量13701萬輛，同比增加1112萬輛[1]，這給城市交通帶來巨大壓力，道路交通事故也隨之不斷上升。我國道路交通事故死亡人數(shù)居高不下，連續(xù)數(shù)年居于世界首位[2]。其中，最為常見的交通事故便是追尾碰撞事故，汽車追尾造成的死亡人數(shù)雖然在所有交通事故中占比小，但是因追尾受傷的人數(shù)卻占很高的比例，追尾事故所引起的頸部損傷占比達到30%左右，且這一比例中的5%是致命性的[3]。在車輛發(fā)生追尾的過程中，受到后車撞擊的影響，前車駕乘人員的軀干加速向前運動，但頭部因慣性作用會相對滯后，導致前車駕乘人員頭部向后轉(zhuǎn)動而造成頸部受傷，這類受傷的方式稱為“揮鞭傷”（Whiplash Injury）[4]。揮鞭傷是道路交通事故中最為嚴重的次要性傷害，這種損傷將引起多種且持續(xù)時間較長的病癥[5]，為了降低這種受傷的風險，C-NCAP在2012版中正式導入了鞭打試驗。隨后陸續(xù)出臺了更為嚴格的2015版C-NCAP、2018版C-NCAP和2021版C-NCAP鞭打試驗規(guī)程，2021版鞭打試驗較2018版僅增加了第二排鞭打試驗，其他試驗方法均保持不變。2021版鞭打試驗中的波形速度和波形脈寬較2015版均有提升，分數(shù)也由4分提高到5分。本文對比分析了同一批次駕駛員座椅在2021版和2015版鞭打試驗下假人的頸部損傷情況，找出了失分的主要因素，并對座椅結(jié)構(gòu)進行了改進，改進后座椅的鞭打性能得到顯著提升，為汽車座椅企業(yè)的座椅耐撞性設(shè)計改進提供參考。

2? ? 2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打試驗評價規(guī)程對比

按照試驗要求將座椅、BioRID II型假人、安全帶固定在加速臺車上以模擬追尾碰撞過程，試驗后通過測量假人的頸部傷害指標來對座椅的鞭打性能進行評價。2015版和2021版鞭打試驗總體評分表如表1所示，主要變化在于鞭打試驗的總分由4分提高到5分，其中上頸部和下頸部得分分別增加0.5分，NIC得分不變，座椅靠背動態(tài)張角從19°放寬至25.5°。

對比2015版和2021版鞭打試驗加速度波形曲線，主要有以下兩點變化：第一，針對波形脈寬而言，2021版中鞭打試驗的加速度波形脈寬為170ms，相對于2015版鞭打試驗要求的150ms，波形脈寬增加了20ms;第二，針對波形速度和波形持續(xù)時間而言，2021版中鞭打試驗的速度變化量應控制在△V=20.0km/h±1.0km/h，波形持續(xù)時間為△T =103ms±3ms[6]，相對于2015版鞭打試驗要求控制在△V=15.65km/h±0.8km/h，波形持續(xù)時間為△T=91ms±3ms[7]，速度增加了4.35 km/h，波形持續(xù)時間增加了12ms?？梢钥闯?，2021版鞭打試驗速度提升，持續(xù)時間增加，這就意味著鞭打試驗的碰撞能量也提高了。鞭打試驗得分比重增加，試驗條件更加苛刻，這將對汽車座椅的鞭打性能設(shè)計提出更高的要求。

3? ? 2021版C-NCAP和2015版C-NCAP鞭打試驗結(jié)果分析

3.1? ?座椅一致性確定

本次比對試驗選用的座椅為同批次產(chǎn)品以保證試驗結(jié)果的一致性。經(jīng)靜態(tài)測量后，從表2中可知，座椅H點、假人骨盆角、頭頂角、頭后間隙、頭枕高度的偏差均在誤差范圍內(nèi)，滿足比對試驗的一致性要求。

3.2? ?假人傷害指標計算

假人頸部傷害評價指標主要分為頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部載荷（Fx、Fz、My）和下頸部載荷（Fx、Fz、My）三大類，其中，頸部傷害指數(shù)NIC計算公式如式1所示：

下頸部扭矩My計算公式如式5所示：

3.3? ?試驗結(jié)果對比

按照2015版和2021版C-NCAP的試驗要求分別進行鞭打試驗，如圖1所示。試驗后假人頸部的各傷害指標對比如圖2—圖4所示。從圖中可以看出，假人頸部各傷害指標（2021版）的試驗值均超過2015版假人頸部各傷害指標。

假人頸部各傷害指標評分表如表3所示。2015版C-NCAP鞭打試驗得分為3.03分（總分為4分），在NIC和上頸部扭矩My這兩項分別扣掉0.47分和0.5分;2021版C-NCAP鞭打試驗得分為2.8分（總分為5分），NIC、上頸部扭矩My、下頸部Fx分別扣掉0.74分、1.21分、0.25分，該座椅在2021版試驗總分增加的情況下，得分卻比2015版還要低，可以看出，鞭打試驗失分主要在NIC和上頸部扭矩My這兩項上。

4? ? 座椅設(shè)計改進分析

為提高2021版鞭打試驗的得分，需找出NIC和上頸部扭矩My的影響因素，才能提出改進措施。下面主要分析NIC、上頸部扭矩My的影響因素，從而提出對應的改進措施，以減少失分。

4.1? ?NIC的影響因素及改進

NIC由頭部和胸部T1加速度決定，分為兩個分量：頭胸相對加速度、頭胸相對速度，如圖5所示。NIC峰值為16.15，峰值出現(xiàn)在73ms，該時刻頭胸相對加速度為14.19，頭胸相對速度為1.86。NIC值由假人頭胸相對加速度決定，降低頭胸相對加速度是減少NIC值最有效的方法。從圖6中可以看出，假人頭部、胸部加速度的變化趨勢基本相同，胸部加速度呈上下波動趨勢，而頭部加速度在80ms處呈直線上升，到120ms達到最大，呈單峰形式。在試驗開始后，由于慣性假人相對于座椅向后運動，胸部最先接觸到靠背，開始擠壓靠背中的泡沫材料，胸部加速度隨著泡沫材料的擠壓變形緩慢上升，直到無法發(fā)生形變后，與座椅剛性接觸，胸部加速度迅速上升，中間有所回落，到73ms后，座椅靠背無法抵御外力作用發(fā)生變形導致靠背張角急劇增加，此時假人胸部加速度迅速回落。在73ms處，頭部與頭枕仍未接觸，頭部加速度基本為0，此時的頭胸部相對加速度達到最大值，NIC值也在此時達到峰值。

可以通過以下途徑降低NIC值：第一，增加頭枕剛度，以增加頭部加速度;第二，合理設(shè)計靠背泡沫材料、靠背骨架的剛度，以減少胸部加速度;第三，設(shè)計合適的頭后間隙，讓假人頭部提前接觸頭枕，盡早產(chǎn)生頭部加速度，從而使頭、胸相對加速度減少，一般頭后間隙控制在20mm—40mm，能夠在NIC值上減少失分。

4.2? ?上頸部扭矩My的影響因素

如圖7所示，在試驗過程中，座椅靠背張角在120 ms時達到峰值后座椅靠背保持不變，頭和頭枕繼續(xù)往后運動，在130ms上頸部扭矩到達峰值后靠背角逐漸變小，這意味著座椅開始回彈，上頸部扭矩也隨之減小。在座椅靠背保持不變后，由于頭枕和靠背上部剛度太弱，導致頭部繼續(xù)向后運動，造成頸部過度伸張和彎曲，上頸部扭矩增大從而影響了上頸部扭矩的得分。

可通過以下途徑減少上頸部扭矩的失分：第一，增加頭枕或者靠背上部的剛度，這樣可以有效降低座椅變形對假人頸部彎曲所造成的影響;第二，合理設(shè)計頭枕高度，抑制頭部過快向后旋轉(zhuǎn)，可有效降低上頸部扭矩。

4.3? ?某座椅鞭打性能的改進

對座椅頭枕彎折桿的彎曲角度進行調(diào)整，通過減小彎曲角度以降低頭后間隙，改進后的座椅頭枕如圖8所示，經(jīng)過靜態(tài)測量后，從表4中可以看出，頭枕間隙由原來的49mm減少為31mm，假人頭部將更快與頭枕接觸，從而有效降低頸部傷害指標，提升座椅的鞭打性能。

對改進后的座椅按照2021版C-NCAP的試驗要求進行鞭打試驗，如圖9所示。改進前后假人頸部的各傷害指標對比如圖10—圖12所示。從表5可以看出，改進后假人頸部NIC值得分、上頸部得分、下頸部得分均較改進前有所提升。進一步分析可知，由于頭后間隙的減少，頭與頭枕接觸時刻由 83ms提前到51.70ms，頭部加速度提前產(chǎn)生，使得頭、胸相對加速度減少，NIC值也由16.15降低為13.50，得分由1.26上升為1.50分。同時，上頸部My由34.60N.m降低為30.90N，得分由0.29分增加為0.49分，下頸部得分由1.25提升為1.50分，總分由2.80增加到3.49，改進效果明顯。通過合理設(shè)計座椅頭枕的結(jié)構(gòu)有效提升了該座椅鞭打試驗性能。

5? ? 總結(jié)

本文對比分析了2015版和2021版C-NCAP版鞭打試驗評價規(guī)程和評分規(guī)則的區(qū)別，并對同一批次的駕駛員座椅分別進行兩個版本的鞭打比對試驗。通過試驗結(jié)果對比，分析了鞭打試驗中主要扣分項NIC以及上頸部My的影響因素，提出了改進措施，并對座椅頭枕結(jié)構(gòu)進行了改進，從而提升了假人頸部各傷害指標的得分，改善了該座椅的鞭打性能，這也為汽車座椅企業(yè)進一步提升座椅鞭打性能提供了工程實踐經(jīng)驗和設(shè)計參考方向。

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