汽車座椅揮鞭傷性能要求及提升方案

張程

（宜賓凱翼汽車有限公司汽車研究院）

揮鞭傷是在后撞車禍中的一種最常見(jiàn)的頸部傷害。C-NCAP（中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程）2021版的評(píng)價(jià)體系將于2021年正式實(shí)施，其性能要求增加后排揮鞭傷要求。參照前排座椅WHIPLASH（揮鞭傷）的有效高度及頭后間隙的設(shè)計(jì)要求，理論極限法推算出頭枕設(shè)計(jì)的安全位置，節(jié)約反復(fù)設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。針對(duì)某項(xiàng)目座椅鞭打摸底試驗(yàn)成績(jī)較差的情況，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足之處，進(jìn)行座椅優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到試驗(yàn)高分。

1 C-NCAP 2021版座椅揮鞭傷解讀

1.1 揮鞭傷試驗(yàn)

揮鞭傷試驗(yàn)要求按照C-NCAP 2021版的試驗(yàn)要求布置進(jìn)行，按照人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)將座椅總成和安全帶系統(tǒng)布置于試驗(yàn)移動(dòng)滑車上，試驗(yàn)臺(tái)車按照一定的加速度波形發(fā)射[1]。揮鞭傷試驗(yàn)布置圖，如圖1所示。

圖1 揮鞭傷試驗(yàn)布置圖

試驗(yàn)臺(tái)車速度以變化量為（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形發(fā)射，臺(tái)車上的新開(kāi)發(fā)座椅上布置BioRID（后碰試驗(yàn)假人）II型假人，經(jīng)過(guò)各種實(shí)時(shí)傳感器測(cè)量車輛后碰撞過(guò)程中，乘員頸部受到的傷害值情況。

新規(guī)程中，車輛的第二排座椅鞭打試驗(yàn)方法和前排座椅試驗(yàn)一樣，隨機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)車上第二排座椅的左側(cè)或右側(cè)位置放置BioRID II型假人。經(jīng)過(guò)各種實(shí)時(shí)傳感器測(cè)量車輛后碰撞過(guò)程中，測(cè)試乘員頸部受到的傷害值情況。

1.2 揮鞭傷評(píng)分規(guī)則

1.2.1 揮鞭傷得分準(zhǔn)則

評(píng)價(jià)規(guī)程規(guī)定座椅系統(tǒng)揮鞭傷試驗(yàn)的最高得分為5分。

安裝在測(cè)試假人上的傳感器采集測(cè)量技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過(guò)中央處理器計(jì)算得到傷害指數(shù)，揮鞭傷測(cè)量值指標(biāo)及分值分布，如表1所示。試驗(yàn)中假人傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)分為三組：第一組為通過(guò)頭部加速度、胸部加速度計(jì)算出頸部傷害指數(shù)，該組最高得分為2分；第二組為上頸部載荷和扭矩，該組最高得分為1.5分；第三組為下頸部載荷和扭矩，該組最高得分為1.5分[1]。

表1 測(cè)量指標(biāo)及分值

試驗(yàn)結(jié)果以假人傷害指數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)于每個(gè)傷害指數(shù)設(shè)定高性能限值和低性能限值，分別對(duì)應(yīng)最高分和0分。當(dāng)假人測(cè)試值在高低性能限值之間，試驗(yàn)使用線性插值的辦法計(jì)算分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)計(jì)算的單項(xiàng)得分保留到小數(shù)點(diǎn)后3位。

1.2.2 揮鞭傷扣分準(zhǔn)則

揮鞭傷扣分項(xiàng)目：

1）試驗(yàn)中座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角大于等于25.5°，試驗(yàn)成績(jī)將被扣2分；

2）頭枕干涉BioRIDII型假人頭部空間將被扣2分；

3）試驗(yàn)過(guò)程中座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移滑動(dòng)量大于20 mm，試驗(yàn)結(jié)果將被扣5分。

鞭打試驗(yàn)結(jié)果最低得分為0分，同時(shí)試驗(yàn)規(guī)則規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因罰分而使結(jié)果判定為負(fù)分。

2 前排座椅揮鞭傷失效分析

2.1 揮鞭傷試驗(yàn)失分分析

以某項(xiàng)目座椅進(jìn)行C-NCAP 2021版揮鞭傷摸底試驗(yàn)為例，如圖2所示。在90 ms時(shí)，假人頭部與座椅頭枕接觸，并在165 ms時(shí)出現(xiàn)分離情況。經(jīng)過(guò)摸底揮鞭傷成績(jī)只有4分，達(dá)不到設(shè)定分值要求。

圖2 C-NCAP揮鞭傷試驗(yàn)過(guò)程圖

2.2 揮鞭傷試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

對(duì)試驗(yàn)中假人頭部運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，頭部的反應(yīng)一般分為3個(gè)階段[2]：爬升階段→揮鞭階段→回彈階段。各階段時(shí)間分布為：0～90 ms為爬升階段：90～180 ms為揮鞭階段，180～200 ms為回彈階段。

2.2.1 爬升階段分析

試驗(yàn)爬升階段：車輛行駛中遭受后面車輛撞擊時(shí)，車輛會(huì)突然加速向前前進(jìn)，車內(nèi)乘客由于慣性的作用，身體軀干會(huì)沿著座椅靠背向上移動(dòng)產(chǎn)生爬升階段。頭部在前，軀干向后，頭部則遭受由軀干傳來(lái)的軸向力，乘客頭部相對(duì)于身體向后移動(dòng)。揮鞭傷事故發(fā)生時(shí)到90 ms，假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 爬升階段試驗(yàn)圖

2.2.2 揮鞭階段分析

頭部揮鞭階段：當(dāng)頭部隨身體軀干爬升出現(xiàn)后，乘客軀干被座椅靠背向前推擠；頭部由于慣性作用未向前而相對(duì)軀干向后仰倒，頭與軀干分別朝相反方向移動(dòng)，使上下頸部承受相反方向的剪力；頸椎呈現(xiàn)S型變化，在S型變化的后期由于靠背泡沫反彈，推動(dòng)軀干向前運(yùn)動(dòng)，而頭部還未反彈，此時(shí)產(chǎn)生C型變化；試驗(yàn)100～180 ms過(guò)程中假人頭部由于慣性產(chǎn)生了揮鞭階段，每20 ms假人姿態(tài)，如圖4所示。

圖4 頭枕?yè)]鞭階段運(yùn)動(dòng)圖

2.2.3 回彈階段分析

在后碰撞結(jié)束時(shí)，座椅泡沫由于物理性能出現(xiàn)反彈，出現(xiàn)回彈階段。頭枕積蓄的能量再傳給乘員，迫使乘員頭部加速回彈，發(fā)生后碰在回彈階段180 ms以后頭枕使假人頭部向前運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。在試驗(yàn)后碰撞的頸部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于碰撞中頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差異引起相鄰頸椎間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而造成了對(duì)頸部的傷害[3]。

圖5 頭枕回彈階段運(yùn)動(dòng)圖

揮鞭傷試驗(yàn)頭部運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析得出造成揮鞭傷失分的原因主要是座椅頭枕設(shè)計(jì)不合理和頭枕對(duì)假人頭部的支撐面不吻合。

3 前排座椅揮鞭傷解決方案

靠背剛度越小和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，鞭打試驗(yàn)得分越高，對(duì)座椅骨架的靠背剛度比其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響更明顯；頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則鞭打試驗(yàn)得分越高，其中，頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響更明顯；而頭枕越高和頭后間隙越小，則越有利于鞭打試驗(yàn)得分[4]。

3.1 頭枕高度和頭后間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)

頭后間隙設(shè)計(jì)合理，有利于使后碰時(shí)乘客頭部與頭枕的接觸時(shí)刻提前；座椅的頭枕高度設(shè)計(jì)越小，有利于支撐整個(gè)乘客頭部，降低頸部傷害值，提高鞭打得分[5]。座椅頭枕的高度和頭后間隙圖測(cè)試方式，如圖6所示。某項(xiàng)目車型座椅鞭打試驗(yàn)成績(jī)較差，分析原因發(fā)現(xiàn)頭枕高度偏大，引發(fā)頭枕上頸部上扭力增大而失分。試驗(yàn)驗(yàn)證頭后間隙及頭的高低直接影響假人頸部傷害值，影響鞭打得分；通過(guò)整改、優(yōu)化假人與頭枕距離關(guān)系，減小頭后間隙及抬高頭枕可以提高鞭打得分[6]。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目試驗(yàn)的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，座椅人機(jī)布置設(shè)計(jì)的頭枕高度A為0～30 mm，頭后間隙值B為20～45 mm，如圖7所示。

圖6 頭枕高度和頭后間隙圖

圖7 頭枕高度和頭后間隙設(shè)計(jì)值

性能好的座椅頭枕高度和假人頭頂基本平齊，頭后間隙也較小，而性能差的座椅頭枕高度剛過(guò)假人頭部的中部，頭后間隙也較大，試驗(yàn)狀態(tài)圖，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)狀態(tài)圖

性能好的座椅與頭部接觸時(shí)間較長(zhǎng)，能給頭部很好的保護(hù)[7]，而性能差的座椅由于頭與頭枕的接觸時(shí)間推后，導(dǎo)致頭部與頭枕接觸時(shí)有更多的能量需要頭枕吸收，這樣增加了對(duì)頭部的傷害。

3.2 頭枕剛度提升方案

座椅骨架頭枕部位的剛性，通常采用增加結(jié)構(gòu)和焊接強(qiáng)度的方式，提升座椅頭枕剛度。頭枕剛度的提升可減小座椅頭枕與靠背相對(duì)位移變化，減小頸部扭矩傷害值[6]；較大的頭枕接觸剛度和頭枕旋轉(zhuǎn)鉸剛度能有效降低追尾中對(duì)乘員頸部的傷害。

圖9示出某項(xiàng)目車型靠背骨架前期設(shè)計(jì)圖。該骨架在揮鞭傷摸底試驗(yàn)中出現(xiàn)低分值。

圖9 靠背骨架前期設(shè)計(jì)圖

改進(jìn)方案：在座椅靠背骨架的頭枕管的結(jié)構(gòu)背面增加焊接加強(qiáng)鈑金件（B410LA），左右兩側(cè)增加支撐鋼絲（10號(hào)鋼，直徑φ7 mm），增加靠背頭枕剛度。靠背骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如圖10所示。

圖10 靠背骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

隨著人們對(duì)汽車使用安全性的要求越來(lái)越高，乘客在汽車的使用中越來(lái)越重視汽車本身的被動(dòng)安全性。好的安全座椅將提升汽車本身的價(jià)值，同時(shí)也指引汽車座椅開(kāi)發(fā)的方向。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，頭枕的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和頭枕部位剛度提升能較好地提升鞭打得分，并且有利于車輛達(dá)到C-NACP 2021版5星要求，從而保護(hù)好乘客，在事故中減少對(duì)乘客頸部的傷害。