全球主流鞭打性能測(cè)評(píng)方法綜述及對(duì)比研究

梁銘豐 王凱 劉東春 黃浩

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司，廣州 511300）

主題詞：鞭打試驗(yàn)NCAP測(cè)評(píng)方法對(duì)比研究

1 前言

揮鞭傷（Whiplash injury）是指在車(chē)輛的低速碰撞中，伴隨乘員頭頸運(yùn)動(dòng)發(fā)生的輕度軟組織損傷。這種損傷特別容易在停車(chē)中的車(chē)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(xiǎn)金支付額度的比例大，社會(huì)成本也大。

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

目前，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等都先后出臺(tái)了追尾碰撞保護(hù)的評(píng)價(jià)規(guī)程。我國(guó)于2012年將座椅鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)納入C-NCAP中，隨著國(guó)內(nèi)行業(yè)對(duì)座椅防鞭打性能越來(lái)越重視，C-NCAP鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)前后經(jīng)過(guò)了2015版和2018版的改版，試驗(yàn)工況條件及評(píng)價(jià)規(guī)則也越來(lái)越苛刻。

2 鞭打試驗(yàn)方法對(duì)比

目前全球主流的新車(chē)評(píng)估規(guī)程（New Car Assessment Program,NCAP）都加入了鞭打性能測(cè)評(píng)項(xiàng)目，其中以Euro NCAP、C-NCAP的鞭打測(cè)評(píng)最有代表性。除了NCAP，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（Insurance Institute for Highway Safety,IIHS）和中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)（C-IASI）亦有自己的鞭打性能測(cè)評(píng)體系。綜合來(lái)看，各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)關(guān)于鞭打性能的測(cè)評(píng)試驗(yàn)方法大體一致，都采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)（均采用BioRIDⅡ假人）相結(jié)合的方法，差異在于試驗(yàn)的波形和評(píng)分體系的區(qū)別。

2.1 前排座椅靜態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法對(duì)比

各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)的鞭打測(cè)試主要由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2部分構(gòu)成，并根據(jù)自己的測(cè)評(píng)體系分別對(duì)前排或前排和后排座椅進(jìn)行測(cè)評(píng)。

2.1.1 座椅試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置

首先，靜態(tài)評(píng)價(jià)需要對(duì)座椅進(jìn)行試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置，對(duì)于NCAP測(cè)評(píng)體系來(lái)說(shuō)前排座椅的試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置基本一致：對(duì)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(wú)鎖止擋位（如手動(dòng)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(duì)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(wú)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(biāo)測(cè)量設(shè)備獲取座椅某一特征點(diǎn)分別處于座椅最高和最低時(shí)的坐標(biāo)值，取平均計(jì)算出向中值，然后調(diào)節(jié)座椅使該特征點(diǎn)坐標(biāo)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(yàn)位置的設(shè)置。對(duì)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?xiàng)U豎直位置，使用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備獲取頭枕上某一特征點(diǎn)分別處于最高鎖止位置和最低位置時(shí)的坐標(biāo)值，取平均計(jì)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(diǎn)坐標(biāo)接近該中值，如果沒(méi)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(wú)鎖止位置則向下調(diào)節(jié)到下一鎖止位置。對(duì)于前后可調(diào)的頭枕，同樣地計(jì)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(méi)有鎖止擋位，則先向前調(diào)節(jié)10 mm，如果在此范圍內(nèi)無(wú)鎖止擋位則向后調(diào)節(jié)到下一鎖止位置。

對(duì)于IIHS和C-IASI的鞭打靜態(tài)測(cè)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(cè)量

座椅調(diào)節(jié)完成后，按照規(guī)定擺放汽車(chē)座椅點(diǎn)測(cè)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(cè)量裝置（Head Restrain Mesuring Device,HRMD），測(cè)量頭后間隙和頭枕高度2個(gè)指標(biāo)參數(shù)（圖1）以及點(diǎn)坐標(biāo)值。重復(fù)上述測(cè)量3次并取平均值，最終分別獲得點(diǎn)坐標(biāo)、頭后間隙（Backset）以及頭枕高度（Height）3個(gè)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(píng)價(jià)最新改版

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

（1）引入“有效高度（Effective Height）”測(cè)量，替代原來(lái)的頭枕高度（Height）測(cè)量；

（2）取消使用HRMD頭型裝置測(cè)量頭后間隙（Backset），改用坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行頭后間隙測(cè)量。另外，前排所有座椅（除結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)外）均需進(jìn)行測(cè)評(píng)。

具體測(cè)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(jì)值（若設(shè)計(jì)值＜20°，則設(shè)置為20°；若設(shè)計(jì)值＞30°，則設(shè)置為30°），若無(wú)設(shè)計(jì)值提供，則調(diào)節(jié)到25°±1°，最后測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)（HPM,HPM），需注意HPM的胸部重塊由原來(lái)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(guò)公式計(jì)算504.5×cos(設(shè)計(jì)軀干角-2.6°)+203并與HPM相加得出CP，然后使用三坐標(biāo)設(shè)備在座椅頭枕表面的中軸線上找出高度等于CP的點(diǎn)，確定為點(diǎn)（Contact Point），并記錄其坐標(biāo)（CP,CP），如圖3。

圖3 CP點(diǎn)位置示意[3]

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

圖4 IP點(diǎn)位置示意[3]

圖5 有效高度測(cè)量示意[3]

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

另外，除了中間試驗(yàn)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(jìn)行測(cè)量：重復(fù)上述2.1.3試驗(yàn)步驟，重新確定CP點(diǎn)和IP點(diǎn)的位置，最后通過(guò)測(cè)量或計(jì)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(píng)分。

2.1.4 前排座椅動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法對(duì)比

打動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方面，全球各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)均采用Bio-RIDⅡ假人作為測(cè)量工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，主要區(qū)別在于滑臺(tái)加速度波形以及最終評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的差異。

試驗(yàn)設(shè)置方面，將BioRIDⅡ假人放置于完成靜態(tài)測(cè)量的座椅上，假人根據(jù)靜態(tài)測(cè)量得出的參數(shù)并按照表1中的要求進(jìn)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(yàn)波形方面，除了Euro NCAP需要分別進(jìn)行中強(qiáng)度波形和高強(qiáng)度波形外，其他測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)均采用一種類(lèi)型的波形，僅在波形的峰值和持續(xù)時(shí)間上有差異，如表2。

表2 各測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形

2.2 后排座椅靜態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法對(duì)比

縱觀各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)，僅有Euro NCAP和C-NCAP對(duì)后排座椅鞭打性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，其中Euro NCAP后排鞭打?yàn)殪o態(tài)測(cè)評(píng)，從2019年1月開(kāi)始實(shí)施，直到目前仍未有較大的改動(dòng)，而C-NCAP后排鞭打?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)評(píng)，于2021版正式實(shí)施。

2.2.1 Euro NCAP后排鞭打試驗(yàn)方法

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

其中，頭枕幾何評(píng)價(jià)測(cè)量以下2個(gè)指標(biāo)：（1）座椅頭枕處于中間試驗(yàn)位置時(shí)的有效高度(H)和點(diǎn)與點(diǎn)的向距離(Δ)；（2）座椅頭枕處于最壞幾何位置時(shí)的有效高度(H)和點(diǎn)與點(diǎn)的向距離(Δ)。

非使用位置評(píng)價(jià)主要考察以下3個(gè)項(xiàng)目：（1）HPM軀干角變化量評(píng)價(jià)；（2）不舒適評(píng)價(jià)：頭枕下緣高度H和頭枕下緣厚度；（3）自動(dòng)復(fù)位頭枕系統(tǒng)評(píng)價(jià)（若有此功能）；（4）頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)角度評(píng)價(jià)（若有此功能）。

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

對(duì)座椅的各項(xiàng)調(diào)節(jié)進(jìn)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(zhǎng)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(yàn)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(duì)于后排座椅頭枕，市面上大部分車(chē)型都只有一檔鎖止位置，針對(duì)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(shí)滿(mǎn)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(yàn)位置，否則定義最低位置為中間試驗(yàn)位置。

圖6 ECE R17頭枕高度定義[8]

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

2.2.1.2 Euro NCAP后排鞭打-靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)方法

后排鞭打的頭枕幾何評(píng)價(jià)方法與前排靜態(tài)測(cè)量方法相同。先后按照規(guī)定確定點(diǎn)和點(diǎn)；測(cè)量頭枕處于中間試驗(yàn)位置時(shí)的有效高度(H)和點(diǎn)與點(diǎn)的向距離(?CP)；測(cè)量頭枕處于中間試驗(yàn)位置時(shí)的有效高度(H)和點(diǎn)與點(diǎn)的向距離(?CP)。

2.2.1.3 Euro NCAP后排鞭打-非使用位置評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

非使用位置的定義是不滿(mǎn)足ECE R17頭枕高度要求（≤700 mm）的頭枕位置，此試驗(yàn)方法主要目的是評(píng)價(jià)后排座椅系統(tǒng)是否有針對(duì)頭枕正確使用防錯(cuò)功能，主要分為被動(dòng)防錯(cuò)和主動(dòng)防錯(cuò)2方面評(píng)價(jià)。其中被動(dòng)防錯(cuò)試驗(yàn)方法主要考察頭枕在非使用位置是能否對(duì)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(píng)價(jià)：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(cè)量出此時(shí)的軀干角，并于頭枕位于中間試驗(yàn)位置是的軀干角相減。

不舒適評(píng)價(jià)：通過(guò)專(zhuān)用測(cè)量工具測(cè)量頭枕下緣厚度S，如圖7；使用三坐標(biāo)測(cè)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(yàn)方法

C-NCAP后排鞭打?yàn)?021版C-NCAP規(guī)程新加的試驗(yàn)內(nèi)容，C-NCAP也是唯一一家對(duì)后排座椅進(jìn)行鞭打動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)。整體來(lái)看與前排鞭打的試驗(yàn)程序相近，只在座椅設(shè)置細(xì)節(jié)上存在差異。

2.2.2.1 C-NCAP后排鞭打-座椅靜態(tài)測(cè)量

與前排座椅類(lèi)似，座椅先進(jìn)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(duì)于獨(dú)立座椅，將軀干角調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值±1°，對(duì)于靠背不可調(diào)的后排座椅則直接進(jìn)行下一步。下一步正確擺放HRMD頭型裝置，測(cè)量頭后間隙Backset，記錄此時(shí)HPM的軀干角和點(diǎn)坐標(biāo)值（HPM，HPM）。

2.2.2.2 C-NCAP后排鞭打-動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法

將BioRIDⅡ假人放置于完成靜態(tài)測(cè)量的座椅上，假人根據(jù)靜態(tài)測(cè)量得出的參數(shù)并按照表3中的要求進(jìn)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(yàn)波形方面，采用前排鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相同波形。

3 鞭打試驗(yàn)評(píng)分對(duì)比

3.1 前排座椅評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 靜態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

鞭打靜態(tài)測(cè)量作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作的一部分，C-NCAP和J-NCAP不將具體的測(cè)量結(jié)果列入評(píng)分，僅將HRMD與頭枕干涉作為罰分項(xiàng)列入最終評(píng)分中。而Euro NCAP、IIHS和C-IASI則對(duì)靜態(tài)測(cè)量結(jié)果單獨(dú)進(jìn)行評(píng)分。

Euro NCAP靜態(tài)測(cè)量評(píng)分指標(biāo)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(duì)應(yīng)1分和-1分，測(cè)量值處于中間的則采用線性插值法計(jì)算分?jǐn)?shù)。而頭后間隙測(cè)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?jǐn)?shù)作為最終得分。

表4 Euro NCAP后排靜態(tài)測(cè)量指標(biāo)限值

特別的，如果座椅在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)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(shí)滿(mǎn)足頭枕有效高度≥790 mm和頭后間隙≤70 mm，最壞幾何評(píng)價(jià)項(xiàng)得1/分（表示前排座椅數(shù)量）。

表5 Euro NCAP后排靜態(tài)測(cè)量最壞幾何評(píng)價(jià)指標(biāo)限值

IIHS和C-IASI靜態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一致，根據(jù)頭枕高度和頭后間隙的靜態(tài)測(cè)量值所在的區(qū)域，得出優(yōu)秀、良好、一般、較差靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果（表6）。

表6 IIHS/C-IASI靜態(tài)評(píng)分[9]

3.1.2 動(dòng)態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

雖然各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)在鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)上均采用Bio-RIDⅡ假人進(jìn)行測(cè)量，但在評(píng)分體系上直接參與評(píng)分的假人通道及高低限值均有差異，如表7。

表7 各測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用情況

3.2 后排座椅評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 靜態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

后排鞭打靜態(tài)測(cè)量?jī)H有Euro NCAP進(jìn)行評(píng)分，其評(píng)分有一前提：后排座椅中間乘坐位置必須滿(mǎn)足ECE R17頭枕高度要求，否則不予進(jìn)行評(píng)價(jià)。其他參數(shù)評(píng)分要求如表8。

表8 Euro NCAP后排鞭打靜態(tài)測(cè)量評(píng)分規(guī)則

3.2.2 動(dòng)態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

C-NCAP后排鞭打動(dòng)態(tài)評(píng)分項(xiàng)與前排鞭打動(dòng)態(tài)評(píng)分項(xiàng)目及高、低性能限值保持一致，區(qū)別僅在于各項(xiàng)指標(biāo)分?jǐn)?shù)權(quán)重的區(qū)別，如表9。

表9 C-NCAP前排和后排鞭打動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得分規(guī)則對(duì)比

4 結(jié)論及展望

目前我國(guó)C-NCAP、歐洲Euro NCAP、日本JNCAP、美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）和中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)（C-IASI）都擁有各自相對(duì)完善的鞭打性能測(cè)試評(píng)估試驗(yàn)。

其中，Euro NCAP和C-NCAP的鞭打試驗(yàn)規(guī)程有較大的改版：與之前相比，Euro NCAP靜態(tài)測(cè)量變更了測(cè)試方法，在其他主流測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)均使用HRMD頭型裝置測(cè)量頭后間隙的情況下，首次停止使用HRMD頭型裝置測(cè)量，改用三坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)設(shè)備結(jié)合公式計(jì)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(píng)價(jià)試驗(yàn)程序和測(cè)試原理保持高度一致；CNCAP將動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)加入到2021版本的后排鞭打性能測(cè)評(píng)中，屬于全球首創(chuàng)獨(dú)樹(shù)一幟，與Euro NCAP的后排鞭打靜態(tài)評(píng)價(jià)相比，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)可以更好地考察座椅系統(tǒng)在實(shí)際碰撞中對(duì)乘員頸部保護(hù)水平。

縱觀各家主流測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)的鞭打試驗(yàn)程序，雖然在試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)上存在諸多的差異，但其實(shí)其測(cè)評(píng)核心都是圍繞乘員在低速后碰中的頸部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)。在不久的將來(lái)，Euro NCAP計(jì)劃于2027年將虛擬測(cè)評(píng)引入鞭打試驗(yàn)工況中，使用仿真手段對(duì)鞭打工況進(jìn)行補(bǔ)充或替代，C-NCAP也會(huì)在2025版中對(duì)后排鞭打試驗(yàn)程序的細(xì)節(jié)（試驗(yàn)方法，假人傷害指標(biāo)等）上進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。隨著各家測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)的鞭打測(cè)評(píng)程序水平不斷地提升完善，為汽車(chē)企業(yè)和零部件企業(yè)鞭打性能提升指引方向，未來(lái)在降低因追尾事故對(duì)駕乘人員頸部造成的傷害方面定會(huì)繼續(xù)取得更大的進(jìn)步。