全球主流鞭打性能測評方法綜述及對比研究

梁銘豐 王凱 劉東春 黃浩

（中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司，廣州 511300）

主題詞：鞭打試驗NCAP測評方法對比研究

1 前言

揮鞭傷（Whiplash injury）是指在車輛的低速碰撞中，伴隨乘員頭頸運動發(fā)生的輕度軟組織損傷。這種損傷特別容易在停車中的車輛受到后方碰撞（追尾）的情況下發(fā)生。后方碰撞中乘員受輕傷的比例較多，死亡事故所占比小，但是由于發(fā)生頻率高，占保險金支付額度的比例大，社會成本也大。

據(jù)有關(guān)調(diào)查表明，揮鞭傷是在車輛事故碰撞中最常見的人體傷害，約10%的揮鞭傷會造成長期頸部損傷，約1%的揮鞭傷會造成不可恢復的傷害。頸部傷害雖不是致命傷，但疼痛和恢復治療卻長期伴隨著患者，導致巨大的社會性支出。

目前，美國、歐洲、日本、韓國等都先后出臺了追尾碰撞保護的評價規(guī)程。我國于2012年將座椅鞭打試驗評價納入C-NCAP中，隨著國內(nèi)行業(yè)對座椅防鞭打性能越來越重視，C-NCAP鞭打試驗評價前后經(jīng)過了2015版和2018版的改版，試驗工況條件及評價規(guī)則也越來越苛刻。

2 鞭打試驗方法對比

目前全球主流的新車評估規(guī)程（New Car Assessment Program,NCAP）都加入了鞭打性能測評項目，其中以Euro NCAP、C-NCAP的鞭打測評最有代表性。除了NCAP，美國公路安全保險協(xié)會（Insurance Institute for Highway Safety,IIHS）和中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）亦有自己的鞭打性能測評體系。綜合來看，各家測評機構(gòu)關(guān)于鞭打性能的測評試驗方法大體一致，都采用靜態(tài)、動態(tài)（均采用BioRIDⅡ假人）相結(jié)合的方法，差異在于試驗的波形和評分體系的區(qū)別。

2.1 前排座椅靜態(tài)評價試驗方法對比

各家測評機構(gòu)的鞭打測試主要由靜態(tài)和動態(tài)2部分構(gòu)成，并根據(jù)自己的測評體系分別對前排或前排和后排座椅進行測評。

2.1.1 座椅試驗狀態(tài)設(shè)置

首先，靜態(tài)評價需要對座椅進行試驗狀態(tài)設(shè)置，對于NCAP測評體系來說前排座椅的試驗狀態(tài)設(shè)置基本一致：對于前后可調(diào)節(jié)的座椅，座椅滑軌須調(diào)到行程中間位置，如果中間位置無鎖止擋位（如手動滑軌調(diào)節(jié)座椅）則向后調(diào)節(jié)到最接近中間位置的鎖止擋位；對于高度可調(diào)節(jié)的座椅，座椅高度需調(diào)節(jié)到中間位置，如果中間位置無鎖止擋位則往下調(diào)節(jié)到最接近中間位置的鎖止擋位，具體操作方法為使用三坐標測量設(shè)備獲取座椅某一特征點分別處于座椅最高和最低時的坐標值，取平均計算出向中值，然后調(diào)節(jié)座椅使該特征點坐標值逼近該中值。

除了上述座椅調(diào)節(jié)，更關(guān)鍵的是頭枕試驗位置的設(shè)置。對于上下可調(diào)的頭枕，需要調(diào)節(jié)到中間幾何位置（最高鎖止位置和最低位置中間），具體操作方法為：將靠背調(diào)節(jié)到頭枕桿豎直位置，使用三坐標測量設(shè)備獲取頭枕上某一特征點分別處于最高鎖止位置和最低位置時的坐標值，取平均計算出向中值作為中間幾何位置，然后調(diào)節(jié)頭枕高度使該特征點坐標接近該中值，如果沒有鎖止擋位，則向上調(diào)節(jié)10 mm頭枕，如果在此范圍內(nèi)無鎖止位置則向下調(diào)節(jié)到下一鎖止位置。對于前后可調(diào)的頭枕，同樣地計算出頭枕分別處于最前和最后之間的中間位置，如果該位置沒有鎖止擋位，則先向前調(diào)節(jié)10 mm，如果在此范圍內(nèi)無鎖止擋位則向后調(diào)節(jié)到下一鎖止位置。

對于IIHS和C-IASI的鞭打靜態(tài)測量，需將座椅前后調(diào)節(jié)到最后位置，高低調(diào)節(jié)到最低位置，頭枕調(diào)節(jié)方法與NCAP一樣調(diào)到中間位置。

2.1.2 座椅靜態(tài)測量

座椅調(diào)節(jié)完成后，按照規(guī)定擺放汽車座椅點測試裝置（H-Point Machine,HPM），并將座椅靠背調(diào)節(jié)到軀干角25°±1°；HPM裝置左右調(diào)平后放置頭枕測量裝置（Head Restrain Mesuring Device,HRMD），測量頭后間隙和頭枕高度2個指標參數(shù)（圖1）以及點坐標值。重復上述測量3次并取平均值，最終分別獲得點坐標、頭后間隙（Backset）以及頭枕高度（Height）3個參數(shù)。

圖1 頭枕高度和頭頂高度

2.1.3 Euro NCAP前排鞭打靜態(tài)評價最新改版

Euro NCAP自2022年1月份改版正式實施后，其前排鞭打靜態(tài)測量有較大的改動：

（1）引入“有效高度（Effective Height）”測量，替代原來的頭枕高度（Height）測量；

（2）取消使用HRMD頭型裝置測量頭后間隙（Backset），改用坐標測點的方式進行頭后間隙測量。另外，前排所有座椅（除結(jié)構(gòu)對稱外）均需進行測評。

具體測量方法如下：

（1）座椅按照上述2.1.1的要求調(diào)節(jié)到位（頭枕處于中間位置），然后按照規(guī)定擺放HPM裝置并將座椅靠背調(diào)節(jié)到軀干角設(shè)計值（若設(shè)計值＜20°，則設(shè)置為20°；若設(shè)計值＞30°，則設(shè)置為30°），若無設(shè)計值提供，則調(diào)節(jié)到25°±1°，最后測量點坐標（HPM,HPM），需注意HPM的胸部重塊由原來的2塊大、4塊小的變更為8塊小的（圖2）。

圖2 胸部重塊變更示意

通過公式計算504.5×cos(設(shè)計軀干角-2.6°)+203并與HPM相加得出CP，然后使用三坐標設(shè)備在座椅頭枕表面的中軸線上找出高度等于CP的點，確定為點（Contact Point），并記錄其坐標（CP,CP），如圖3。

圖3 CP點位置示意[3]

將頭枕調(diào)節(jié)到最高鎖止位置，接著通過公式計算88.5×sin(設(shè) 計軀干角-2.6°)+5并與CP相加得出IP，使用三坐標設(shè)備繼續(xù)在座椅頭枕表面的中軸線上找出坐標等于IP的點，確定為IP點（Intersection Point）并做好標記，如圖4。

圖4 IP點位置示意[3]

圖5 有效高度測量示意[3]

（3）計算頭枕處于中間試驗位置的頭后間隙Backset=CP-(504.5×sin( 設(shè) 計軀干角-2.6°)+71)。

另外，除了中間試驗位置，頭枕還需要調(diào)節(jié)到最壞幾何位置（Worst Case Geometry，上下最低，前后最后）進行測量：重復上述2.1.3試驗步驟，重新確定CP點和IP點的位置，最后通過測量或計算得出最壞幾何位置的有效高度Height和頭后間隙Backset用于最終評分。

2.1.4 前排座椅動態(tài)評價試驗方法對比

打動態(tài)評價方面，全球各家測評機構(gòu)均采用Bio-RIDⅡ假人作為測量工具進行動態(tài)評價，主要區(qū)別在于滑臺加速度波形以及最終評分標準的差異。

試驗設(shè)置方面，將BioRIDⅡ假人放置于完成靜態(tài)測量的座椅上，假人根據(jù)靜態(tài)測量得出的參數(shù)并按照表1中的要求進行調(diào)節(jié)。

表1 前排BioRID姿態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)換

試驗波形方面，除了Euro NCAP需要分別進行中強度波形和高強度波形外，其他測評機構(gòu)均采用一種類型的波形，僅在波形的峰值和持續(xù)時間上有差異，如表2。

表2 各測評機構(gòu)鞭打動態(tài)試驗波形

2.2 后排座椅靜態(tài)評價試驗方法對比

縱觀各家測評機構(gòu)，僅有Euro NCAP和C-NCAP對后排座椅鞭打性能進行測評，其中Euro NCAP后排鞭打為靜態(tài)測評，從2019年1月開始實施，直到目前仍未有較大的改動，而C-NCAP后排鞭打為動態(tài)測評，于2021版正式實施。

2.2.1 Euro NCAP后排鞭打試驗方法

Euro NCAP后排鞭打靜態(tài)評價主要由2方面構(gòu)成：頭枕幾何評價和非使用位置評價。

其中，頭枕幾何評價測量以下2個指標：（1）座椅頭枕處于中間試驗位置時的有效高度(H)和點與點的向距離(Δ)；（2）座椅頭枕處于最壞幾何位置時的有效高度(H)和點與點的向距離(Δ)。

非使用位置評價主要考察以下3個項目：（1）HPM軀干角變化量評價；（2）不舒適評價：頭枕下緣高度H和頭枕下緣厚度；（3）自動復位頭枕系統(tǒng)評價（若有此功能）；（4）頭枕轉(zhuǎn)動角度評價（若有此功能）。

2.2.1.1 Euro NCAP后排鞭打-座椅試驗狀態(tài)設(shè)置

對座椅的各項調(diào)節(jié)進行如下調(diào)整：滑軌前后調(diào)到最后；座椅高度調(diào)到最低；座墊傾角調(diào)到中間；其他舒適性配置（如小腿腿托、座墊長度調(diào)節(jié)、腰托等）均調(diào)到完全收回狀態(tài)。

后排頭枕調(diào)節(jié)到中間試驗位置，其定義和操作方法與2.1.1.1頭枕調(diào)節(jié)步驟一樣。對于后排座椅頭枕，市面上大部分車型都只有一檔鎖止位置，針對這種情況，分為以下2種情況處理：

（1）若頭枕處于最低位置時滿足ECE R17關(guān)于頭枕高度的要求（≥700 mm），如圖6；如果鎖止擋位處于最低位置向上10 mm范圍內(nèi)，則定義該鎖止擋位為中間試驗位置，否則定義最低位置為中間試驗位置。

圖6 ECE R17頭枕高度定義[8]

（2）若頭枕處于最低位置時頭枕高度＜700 mm，該鎖止擋位同時被定義為最高、最低和中間試驗位置。

2.2.1.2 Euro NCAP后排鞭打-靜態(tài)測量試驗方法

后排鞭打的頭枕幾何評價方法與前排靜態(tài)測量方法相同。先后按照規(guī)定確定點和點；測量頭枕處于中間試驗位置時的有效高度(H)和點與點的向距離(?CP)；測量頭枕處于中間試驗位置時的有效高度(H)和點與點的向距離(?CP)。

2.2.1.3 Euro NCAP后排鞭打-非使用位置評價試驗方法

非使用位置的定義是不滿足ECE R17頭枕高度要求（≤700 mm）的頭枕位置，此試驗方法主要目的是評價后排座椅系統(tǒng)是否有針對頭枕正確使用防錯功能，主要分為被動防錯和主動防錯2方面評價。其中被動防錯試驗方法主要考察頭枕在非使用位置是能否對乘員產(chǎn)生不舒適感從而迫使乘員去調(diào)節(jié)頭枕至正確使用位置，具體如下：

HPM軀干角變化量評價：將頭枕調(diào)節(jié)到非使用位置，按照規(guī)定正確擺放HPM裝置，測量出此時的軀干角，并于頭枕位于中間試驗位置是的軀干角相減。

不舒適評價：通過專用測量工具測量頭枕下緣厚度S，如圖7；使用三坐標測量頭枕下緣高度H，如圖8。

圖7 頭枕下緣厚度S示意[3]

圖8 頭枕下緣高度HLE示意[3]

2.2.2 C-NCAP后排鞭打試驗方法

C-NCAP后排鞭打為2021版C-NCAP規(guī)程新加的試驗內(nèi)容，C-NCAP也是唯一一家對后排座椅進行鞭打動態(tài)評價的測評機構(gòu)。整體來看與前排鞭打的試驗程序相近，只在座椅設(shè)置細節(jié)上存在差異。

2.2.2.1 C-NCAP后排鞭打-座椅靜態(tài)測量

與前排座椅類似，座椅先進行鞭打姿態(tài)調(diào)節(jié)：滑軌前后中間位置，座墊高度中間位置，頭枕最高鎖止位置。接著按照規(guī)定正確擺放HPM裝置，對于獨立座椅，將軀干角調(diào)節(jié)到設(shè)計值±1°，對于靠背不可調(diào)的后排座椅則直接進行下一步。下一步正確擺放HRMD頭型裝置，測量頭后間隙Backset，記錄此時HPM的軀干角和點坐標值（HPM，HPM）。

2.2.2.2 C-NCAP后排鞭打-動態(tài)試驗方法

將BioRIDⅡ假人放置于完成靜態(tài)測量的座椅上，假人根據(jù)靜態(tài)測量得出的參數(shù)并按照表3中的要求進行調(diào)節(jié)。

表3 后排BioRID姿態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)換

試驗波形方面，采用前排鞭打動態(tài)試驗相同波形。

3 鞭打試驗評分對比

3.1 前排座椅評分標準

3.1.1 靜態(tài)評分標準

鞭打靜態(tài)測量作為動態(tài)試驗的前期準備工作的一部分，C-NCAP和J-NCAP不將具體的測量結(jié)果列入評分，僅將HRMD與頭枕干涉作為罰分項列入最終評分中。而Euro NCAP、IIHS和C-IASI則對靜態(tài)測量結(jié)果單獨進行評分。

Euro NCAP靜態(tài)測量評分指標以及范圍如表4，頭枕有效高度低性能限值和高性能限值分別對應(yīng)1分和-1分，測量值處于中間的則采用線性插值法計算分數(shù)。而頭后間隙測量值≤45 mm，得1分，否則得-1分。取頭枕有效高度和頭后間隙二者較小的分數(shù)作為最終得分。

表4 Euro NCAP后排靜態(tài)測量指標限值

特別的，如果座椅在動態(tài)試驗中原始分大于3分，則最壞幾何得分列入總得分，其限值要求如表5，需要同時滿足頭枕有效高度≥790 mm和頭后間隙≤70 mm，最壞幾何評價項得1/分（表示前排座椅數(shù)量）。

表5 Euro NCAP后排靜態(tài)測量最壞幾何評價指標限值

IIHS和C-IASI靜態(tài)評分標準一致，根據(jù)頭枕高度和頭后間隙的靜態(tài)測量值所在的區(qū)域，得出優(yōu)秀、良好、一般、較差靜態(tài)評價結(jié)果（表6）。

表6 IIHS/C-IASI靜態(tài)評分[9]

3.1.2 動態(tài)評分標準

雖然各家測評機構(gòu)在鞭打動態(tài)試驗上均采用Bio-RIDⅡ假人進行測量，但在評分體系上直接參與評分的假人通道及高低限值均有差異，如表7。

表7 各測評機構(gòu)鞭打動態(tài)試驗評價指標采用情況

3.2 后排座椅評分標準

3.2.1 靜態(tài)評分標準

后排鞭打靜態(tài)測量僅有Euro NCAP進行評分，其評分有一前提：后排座椅中間乘坐位置必須滿足ECE R17頭枕高度要求，否則不予進行評價。其他參數(shù)評分要求如表8。

表8 Euro NCAP后排鞭打靜態(tài)測量評分規(guī)則

3.2.2 動態(tài)評分標準

C-NCAP后排鞭打動態(tài)評分項與前排鞭打動態(tài)評分項目及高、低性能限值保持一致，區(qū)別僅在于各項指標分數(shù)權(quán)重的區(qū)別，如表9。

表9 C-NCAP前排和后排鞭打動態(tài)試驗得分規(guī)則對比

4 結(jié)論及展望

目前我國C-NCAP、歐洲Euro NCAP、日本JNCAP、美國公路安全保險協(xié)會（IIHS）和中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）都擁有各自相對完善的鞭打性能測試評估試驗。

其中，Euro NCAP和C-NCAP的鞭打試驗規(guī)程有較大的改版：與之前相比，Euro NCAP靜態(tài)測量變更了測試方法，在其他主流測評機構(gòu)均使用HRMD頭型裝置測量頭后間隙的情況下，首次停止使用HRMD頭型裝置測量，改用三坐標測點設(shè)備結(jié)合公式計算的方法獲取頭后間隙、頭枕有效高度參數(shù)，改版后與其后排鞭打靜態(tài)評價試驗程序和測試原理保持高度一致；CNCAP將動態(tài)評價加入到2021版本的后排鞭打性能測評中，屬于全球首創(chuàng)獨樹一幟，與Euro NCAP的后排鞭打靜態(tài)評價相比，動態(tài)試驗可以更好地考察座椅系統(tǒng)在實際碰撞中對乘員頸部保護水平。

縱觀各家主流測評機構(gòu)的鞭打試驗程序，雖然在試驗方法、評價指標上存在諸多的差異，但其實其測評核心都是圍繞乘員在低速后碰中的頸部傷害進行評價。在不久的將來，Euro NCAP計劃于2027年將虛擬測評引入鞭打試驗工況中，使用仿真手段對鞭打工況進行補充或替代，C-NCAP也會在2025版中對后排鞭打試驗程序的細節(jié)（試驗方法，假人傷害指標等）上進行調(diào)整和優(yōu)化。隨著各家測評機構(gòu)的鞭打測評程序水平不斷地提升完善，為汽車企業(yè)和零部件企業(yè)鞭打性能提升指引方向，未來在降低因追尾事故對駕乘人員頸部造成的傷害方面定會繼續(xù)取得更大的進步。