鞭打試驗中假人差異對試驗評價的影響

王鵬翔 李月明 商恩義 張毅

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，寧波 315336）

主題詞：鞭打試驗 中國新車評價規(guī)程 BioRID II 試驗評價

1 前言

中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，乘員保護部分規(guī)定有鞭打試驗項目。試驗中，在座椅上放置裝有若干傳感器的BioRID II假人，用以測量后碰撞過程中假人頸部損傷情況，試驗后，依據(jù)測量結(jié)果進行評價。2021年版C-NCAP管理規(guī)則[1]對于駕駛員座椅的評價分值為5 分，其評價數(shù)據(jù)包括3 組：由頭部加速度、胸部T1（第1 節(jié)胸椎位置）加速度計算出的頸部傷害指數(shù)（Neck Injuries Criteria，NIC）；上頸部載荷和扭矩；下頸部載荷和扭矩。另外，也指定了部分罰分項。

鞭打試驗實施幾年來，經(jīng)常出現(xiàn)C-NCAP官方試驗評價結(jié)果與主機廠評價結(jié)果間存在差異的問題。以本文研究人員所在試驗室為例，在之前幾套座椅的鞭打試驗中，試驗得分一直低于官方結(jié)果，但在近期一款座椅使用新BioRID II假人進行試驗后，試驗得分偏高，分差達到總分值的10%，由此推斷參與試驗假人之間的差異對試驗結(jié)果產(chǎn)生了影響。假人作為一種擬人裝置，其使用周期的不同將導(dǎo)致各關(guān)節(jié)、結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生差異。當(dāng)前，所使用假人只要滿足標定要求便認可試驗結(jié)果，而標定試驗可能無法完全規(guī)避假人使用周期差異產(chǎn)生的影響。鑒于此，本文通過對試驗室內(nèi)使用周期不同的2個假人進行對比試驗，探討假人使用周期不同對2021年版C-NCAP 管理規(guī)則中關(guān)于駕駛員座椅的3 組評價數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

2 試驗過程

試驗室現(xiàn)有2 個BioRID II 假人，為同一版本，結(jié)構(gòu)完全相同，其差別為假人B1已使用2年1個月，假人B2僅使用約2個月。本文研究中，為盡可能減少試驗樣件差異帶來的影響，所有試驗采用同一款座椅，為減少人為因素影響，相同操作環(huán)節(jié)均由相同人員執(zhí)行。

2.1 假人標定

試驗前對假人B1和B2進行了動態(tài)標定，將假人擺放在滑臺上，用擺錘以一定速度沖擊滑臺，其中，設(shè)擺錘接觸滑臺瞬間為0時刻。標定結(jié)果如表1所示[2]。

標定過程中，除保證輸入條件外，還要關(guān)注假人頭部、頸部和T1的轉(zhuǎn)角，以及頸部彎矩、T1峰值加速度和對應(yīng)的時刻。表1中，2個假人標定均合格，且各項結(jié)果比較接近，如上頸部彎矩均接近上限，下頸部彎矩均接近下限，可以正常使用。標定項中各部位轉(zhuǎn)角的測量位置如圖1所示。

圖1 標定轉(zhuǎn)角測量位置

表1 假人標定結(jié)果

2.2 假人擺放位置的確定

建立車輛坐標系，設(shè)前后方向為X向，向后為正。根據(jù)2021 版C-NCAP 管理規(guī)則假人擺放要求，假人H點應(yīng)調(diào)節(jié)到目標點鉛垂方向（HZTP）±10 mm、前后水平方向（HXTP）±5 mm 的區(qū)域內(nèi)。該目標點位于由H 點測量裝置（H-Point Machine，HPM）測量3 次取平均值所確定的H點(HX,HZ)前方20 mm處。另外，2020年版歐洲新車評價規(guī)程（European New Car Assessment Program，E-NCAP）[2]要求假人H 點應(yīng)在HXTP±10 mm 范圍內(nèi)。為了滿足2款法規(guī)要求，將假人擺放位置靠后，試驗假人X向坐標指定為HXTP+5 mm，采用假人B1、B2 的2 次試驗分別用B1R和B2R表示，將假人擺放位置靠前，試驗假人X向坐標指定為HXTP-5 mm，采用假人B1、B2的2次試驗分別用B1F和B2F表示。

2.3 假人擺放

在C-NCAP中，A.8.7條款規(guī)定了“駕駛員座椅鞭打試驗程序”，重點指定了試驗前測量、試驗條件的設(shè)定，以及座椅調(diào)整、H 點及頭后間隙的確定、頭枕干涉頭部空間的調(diào)節(jié)、假人的安裝定位等操作步驟，上述操作過程中主要使用三坐標測量裝置、HPM 裝置和頭枕測量裝置（HeadRest Measuring Device，HRMD）。B1F試驗假人擺放如圖2所示。

圖2 B1F試驗假人定位結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

按臺車試驗速度要求進行4次鞭打試驗，結(jié)果如表2 所示。表2 中：B1F 試驗結(jié)果較B1R 高0.2 分，其中，NIC 得分高0.18 分；B2F 試驗結(jié)果較B2R 高0.3 分，其中，NIC得分高0.25分。2組試驗對比結(jié)果表明，假人擺放位置靠前時得分會偏高，偏高得分點為NIC 得分，B2假人平均得分比B1假人平均得分高13.4%。

表2 4次鞭打試驗結(jié)果

4 次試驗錄像截圖如圖3 所示。圖3 中，各次試驗座椅完好，過程中靠背無失穩(wěn)現(xiàn)象，座椅差異對試驗結(jié)果不會產(chǎn)生明顯影響。各次試驗中假人運動同步，很難分析各時刻假人狀態(tài)差異。對于試驗結(jié)果的差異需要結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析。

圖3 4次試驗錄像截屏

依據(jù)SAE J211-1的規(guī)定建立假人坐標系：對于頸部剪切力Fx，頭向后，胸向前為正；對于頸部軸向力Fz，頭向上，胸向下為正；對于頸部彎矩My，下頜向胸部為正；對于頭部和胸部加速度，x向為前后方向，向前為正[3]。

3.1 頸部傷害指數(shù)分析

4 次試驗中，假人NIC 差異明顯：同一乘坐位置時，B2得分均高于B1，平均高0.41分。

3.1.1 NIC的計算過程

NIC 是由枕骨關(guān)節(jié)相對于T1 的x向加速度和速度的相對值計算而得。

相對加速度為：

NIC為：

式中，NICmax為用于評價的頸部傷害指數(shù)最大值；THRC(End)為頭部離開頭枕時間。

3.1.2 假人擺放前后位置差異對NIC的影響

3.1.3 不同假人間NIC差異分析

圖4 4次試驗中和及

3.2 上頸部載荷分析

4次試驗上頸部Fx曲線如圖5所示。圖5中：4條曲線正向部分互有交錯，一致性較好；在負向部分，B1R曲線整體值略偏小，其他3條曲線在上升和下降過程中互有交錯。在2021 版C-NCAP 管理規(guī)則中，頸部剪切力只評價頭部相對于軀干向后的部分，即Fx的幅值。4次試驗中，上頸部Fx幅值最小為14 N，最大為20 N，其值較接近，與扣分的高性能限值340 N相比可忽略?？傮w而言，4條曲線無明顯規(guī)律。

圖5 4次試驗上頸部Fx

4 次試驗上頸部軸向力Fz曲線如圖6 所示。圖6中，4條曲線同步性較好。4條曲線的Fz幅值中，最小為378 N，最大為459 N，平均為429 N，最大幅值與最小幅值之間差值為51 N，但就B1和B2假人的影響而言并無規(guī)律。

圖6 4次試驗上頸部Fz

4次試驗上頸部伸張彎矩My曲線如圖7所示。圖7中，4條曲線在下降和上升過程中互有交錯，趨勢相同，但重合度較差。B1F 和B2F 中假人上頸部My的幅值均低于B1R和B2R，即假人乘坐位置靠前上頸部My更好，但B1和B2假人之間基本無差別。

圖7 4次試驗上頸部My

3.3 下頸部載荷分析

4 次試驗下頸部剪切力Fx曲線如圖8 所示。圖8中，4 條曲線在上升和下降過程中互有交錯，無明顯規(guī)律。B1F 和B2F 試驗中下頸部Fx幅值分別為203 N 和207 N，較接近；B1R和B2R試驗中下頸部Fx幅值分別為249 N和224 N，偏差略大。綜合4次試驗數(shù)據(jù)和曲線比對結(jié)果，假人乘坐位置靠前下頸部剪切力Fx小，數(shù)據(jù)結(jié)果差異與假人無關(guān)。

圖8 4次試驗下頸部Fx

4 次試驗下頸部軸向力Fz曲線如圖9 所示。圖9中，在約第80～120 ms 時間段內(nèi)，B1F 和B1R 試驗下頸部Fz曲線同步，且存在雙峰；B2F 和B2R 試驗下頸部Fz曲線同步，且在170 N上下出現(xiàn)平臺化。4次試驗中，同種工況下的Fz曲線沒有一致性，但同一假人不同工況下的Fz曲線一致性較好。B1F和B1R試驗中，下頸部Fz幅值分別為385 N 和383 N，基本相同；B2F 和B2R 試驗中，下頸部幅值Fz分別為178 N和170 N，差別不大。綜合數(shù)據(jù)和曲線，假人不同對下頸部軸向力Fz存在較大影響。

圖9 4次試驗下頸部Fz

4次試驗下頸部伸張彎矩My曲線如圖10所示。圖10 中，4 條曲線在下降和上升過程中互有交錯，無明顯規(guī)律。幅值方面，B1F 和B2F 中假人上頸部My均低于B1R和B2R試驗，即假人乘坐位置靠前下頸部時伸張彎矩My傷害小。另外，下頸部My曲線以及圖7 中下頸部剪切力Fx曲線的同步性也進一步表明下頸部軸向力Fz曲線之間存在差異的真實性。

圖10 4次試驗下頸部My

4 問題討論

4.1 頸部結(jié)構(gòu)探討

BioRID Ⅱ假人的頸部結(jié)構(gòu)如圖11a 所示，主要由枕骨、椎骨和下頸部載荷傳感器通過螺栓連接而成，頸部前后通過鋼絲繩連接而成。其中，胸部T1 傳感器安裝在下頸部載荷傳感器兩側(cè)。如圖11b所示，頸部右側(cè)前后鋼絲繩為獨立結(jié)構(gòu)，頸部左側(cè)前后共用一條鋼絲繩，該鋼絲繩通過位于胸椎靠上位置的旋轉(zhuǎn)阻尼組件形成回環(huán)。旋轉(zhuǎn)阻尼器組件如圖11c所示，導(dǎo)向輪上有鋼絲繩槽，鋼絲繩繞在槽內(nèi)，通過鋼絲繩頂絲擠壓鎖死。在鋼絲繩的拉動下，導(dǎo)向輪可以轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動阻尼通過導(dǎo)向輪頂絲進行調(diào)節(jié)，以滿足標定條件下的各轉(zhuǎn)角及彎矩要求。頂絲用于固定軸的位置，也可防止軸與軸套間的相對運動。該結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動阻尼調(diào)節(jié)頭部和頸部各轉(zhuǎn)角和彎矩，但導(dǎo)向輪相對導(dǎo)向輪軸的轉(zhuǎn)動阻尼通過調(diào)節(jié)頂絲控制，一旦一側(cè)的鋼絲繩拉力達到一定程度或在一定外力持續(xù)作用下，可能出現(xiàn)導(dǎo)向輪相對輪軸的相對滑動與鋼絲繩拉力被緩解的可能，該結(jié)果將造成下頸部載荷傳感器發(fā)生抖動，進而造成假人頸部Fz幅值被削平及胸部T1的測量結(jié)果出現(xiàn)波動。

圖11 BioRID Ⅱ假人頸部結(jié)構(gòu)

4.2 標定要求探討

在BioRID Ⅱ假人標定要求中，主要關(guān)注假人頭部、頸部轉(zhuǎn)角和頸部彎矩，無頸部軸向力要求，且在上頸部和下頸部的標定要求中，上頸部的幅值范圍為7.7～17.8 N·m，下頸部的幅值范圍為-23.5～-15 N·m，標定中下頸部的彎矩載荷大于上頸部的彎矩載荷。在鞭打試驗結(jié)果中，由表2 可以看出，上頸部的彎矩載荷大于下頸部，且基本為下頸部彎矩載荷的2 倍。另外，不同假人在相同試驗條件下出現(xiàn)了上、下頸部軸向力Fz的明顯差異。

5 結(jié)束語

本文通過將2 個使用周期相差近2 年的BioRID II假人進行4 次鞭打試驗，以及對BioRID II 的標定要求、頸部結(jié)構(gòu)進行探討，得到以下結(jié)論：

a.在鞭打試驗中，使用周期不同的假人之間存在的差異可使評價結(jié)果產(chǎn)生0.5分以上的偏差；

b.目前通過調(diào)節(jié)頂絲調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動阻尼的方式有可能導(dǎo)致頸部軸向力幅值產(chǎn)生偏差，進而導(dǎo)致胸部T1加速度產(chǎn)生較大波動；

c.BioRID II 假人的標定方法和標定維度的完整性有待進一步探討。