基于鞭打性能的座椅靠背型面優(yōu)化方法

摘要：為降低追尾時(shí)的揮鞭傷危害，提出一種座椅靠背型面優(yōu)化方法，論述該方法對(duì)頭后間隙的影響機(jī)制?；谠摲椒▽?duì)某款座椅的鞭打性能進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)CNCAP規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法對(duì)座椅造型的影響程度較小，優(yōu)化目標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，假人頸部傷害值降低16.6%，上頸部載荷與下頸部載荷顯著降低。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)安全；頸部損傷；鞭打試驗(yàn)；汽車(chē)座椅

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0155-05

Abstract：To reduce the damage of whiplash injury in low speed rear-end collision， an optimization method of seat back modeling surface is proposed and its influencing mechanism on headback clearance is discussed. Based on the method， the whiplash performance of a certain seat is optimized and verified through experiments according to CNCAP procedure. The results show that the proposed method has less influence on seat modeling， the optimization objective is in good agreement with the experiment results， and the injury value of dummy neck decreases by 16.6%，a significant reduction for both upper neck load and lower neck load.

Keywords：vehicle safety；neck injury；whiplash test；vehicle seat

0引言

在汽車(chē)交通事故中，追尾事故約占30%［1-2］，其中乘員頸部受到傷害的幾率可達(dá)70%以上［3］。追尾事故中，乘員頭部的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于軀干存在滯后性，頸部先受到拉伸然后加速甩向前方，由此產(chǎn)生的頸部傷害稱(chēng)為揮鞭傷［4-6］。揮鞭傷表現(xiàn)為頸椎骨骼損傷及頸部軟組織挫傷，并發(fā)癥多、潛伏期長(zhǎng)，可能對(duì)乘員造成永久傷害。為降低揮鞭傷的危害，CNACP將低速后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)鞭打試驗(yàn)）作為汽車(chē)安全的重要評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

汽車(chē)座椅結(jié)構(gòu)對(duì)揮鞭傷具有顯著影響。鄭祖丹等［7］采用正交試驗(yàn)方法研究了頭后間隙、頭枕高度、泡沫剛度及調(diào)角器剛度對(duì)揮鞭傷的靈敏度，結(jié)果表明頭后間隙對(duì)頸部損傷影響較大。商恩義等［8］提出一種低速追尾頭部受力分析方法，并結(jié)合鞭打試驗(yàn)對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。陳長(zhǎng)亮等［9］采用CAE方法對(duì)某款電動(dòng)座椅鞭打性能進(jìn)行了分析，表明靠背剛度、靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、頭枕剛度、頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、頭枕位置等均對(duì)揮鞭傷產(chǎn)生顯著影響。張紹偉等［10］結(jié)合CAE及深度學(xué)習(xí)長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一種基于座椅結(jié)構(gòu)特性的揮鞭傷預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

正確合理的座椅設(shè)計(jì)是降低揮鞭傷危害的有效途徑。由于座椅為軟硬材料耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)同時(shí)影響舒適性、靜態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度等指標(biāo)，在設(shè)計(jì)階段提高座椅的鞭打性能仍是一個(gè)難點(diǎn)。本文提出一種座椅靠背型面優(yōu)化方法改善座椅頭后間隙，并采用CNCAP鞭打試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為提高座椅鞭打性能提供一種有效的途徑。

1CNCAP鞭打試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)程序

CNCAP試驗(yàn)規(guī)則［11］中，鞭打試驗(yàn)分為靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)碰撞兩部分。靜態(tài)測(cè)量中，將座椅調(diào)節(jié)至規(guī)定的位置，采用SAE J826假人和ICBC HRMD頭模測(cè)量座椅的H點(diǎn)及頭后間隙，假人軀干角規(guī)定為25°。動(dòng)態(tài)碰撞中，將座椅固定在滑車(chē)上，安裝BioRID Ⅱ假人，以一定的加速度波形發(fā)射滑車(chē)，通過(guò)BioRID Ⅱ假人上的傳感器采集人體受力情況。其中，BioRID Ⅱ假人的H點(diǎn)及頭后間隙與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的換算關(guān)系如下：BioRID Ⅱ假人H點(diǎn)x向前移20mm，允許±5mm的偏差；頭后間隙增加15mm，允許±2mm的偏差；軀干角規(guī)定為26.5°。

1.2評(píng)價(jià)規(guī)則

前排座椅鞭打試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，滿分為5.0分。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3組，分別為頸部傷害值NIC、上頸部載荷、下頸部載荷，滿分分別為2.0分、1.5分、1.5分。其中，頸部傷害值NIC為無(wú)單位量綱值，反映頸椎流體腔內(nèi)流體流變壓力梯度對(duì)頸部軟組織造成的傷害［12］，上、下頸部載荷Fx+、Fz+、頸部轉(zhuǎn)距My反映關(guān)節(jié)錯(cuò)位、韌帶損傷及骨折等對(duì)頸部造成的傷害［13-14］。NIC值的計(jì)算方式如下：

式中：aT1x為假人T1胸椎加速度；aHx為假人頭部枕骨加速度。

2靠背型面優(yōu)化方法

2.1優(yōu)化方法

現(xiàn)有研究表明，頭后間隙對(duì)座椅鞭打性能有顯著影響［15］。隨著頭后間隙的減小，假人頭部與座椅的接觸時(shí)間減小，頭部與胸部間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的程度降低，NIC值、頸部剪切力Fx、頸部轉(zhuǎn)矩My減低，座椅鞭打性能顯著提高。設(shè)計(jì)上一般采用主動(dòng)式安全頭枕或增大頭枕厚度減小頭后間隙；然而前者成本較高，后者對(duì)座椅造型影響較大。本文提出一種座椅靠背型面優(yōu)化方法，通過(guò)調(diào)節(jié)靠背腰部型面減小頭后間隙，在不增加成本的情況下降低了對(duì)座椅造型的影響。

如圖1（a）所示，某座椅H點(diǎn)為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為L(zhǎng)H0。將座椅靠背向前轉(zhuǎn)動(dòng)，若忽略座椅靠背對(duì)假人的支撐作用，假人姿態(tài)保持不變，則頭后間隙減小至LH1，如圖1（b）所示。實(shí)際上，由于座椅靠背對(duì)假人的支撐作用，假人姿態(tài)發(fā)生改變，軀干角減小至θ1，H點(diǎn)在x方向前移Δx至O1，頭后間隙變?yōu)長(zhǎng)H2，如圖1（c）所示。其中：

式中：L0為H點(diǎn)至假人頭部距離；LB表示座椅靠背的支撐作用。由以上討論，對(duì)H點(diǎn)為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為L(zhǎng)H0的座椅，通過(guò)旋轉(zhuǎn)靠背位置并降低靠背對(duì)假人的支撐作用LB，則可在H點(diǎn)及軀干角不變的情況下將頭后間隙減小至LH1。

圖1座椅頭后間隙與靠背關(guān)系

座椅靠背結(jié)構(gòu)一般如圖2所示，包含靠背骨架、發(fā)泡、面套及頭枕。靠背骨架為框架式金屬結(jié)構(gòu)，中間位置為彈簧鋼絲。發(fā)泡為聚氨酯，裝配在靠背骨架外側(cè)。面套為仿皮聚氯乙烯，包覆在發(fā)泡上。頭枕通過(guò)內(nèi)嵌的金屬導(dǎo)桿固定在靠背骨架上。當(dāng)靠背骨架剛度一定時(shí)，座椅靠背對(duì)假人的支撐作用主要受發(fā)泡影響。一般采用滲透率γ反映發(fā)泡對(duì)假人的支撐程度。

如圖3（a）所示：建立坐標(biāo)系，以座椅H點(diǎn)為原點(diǎn)，以軀干角方向?yàn)閤軸方向，則滲透率γ可表示為

式中：Ld為假人中心位置陷入靠背的距離；Lm為靠背型面中心位置距骨架的距離。

對(duì)于H點(diǎn)為O0，軀干角為θ0，頭后間隙為L(zhǎng)H0的座椅，座椅靠背型面優(yōu)化方法如下。

1）建立圖3（a）所示坐標(biāo)系，計(jì)算滲透率γ0。

2）保持假人姿態(tài)不變，轉(zhuǎn)動(dòng)座椅靠背，將頭后間隙調(diào)節(jié)至優(yōu)化目標(biāo)值LH1。

3）根據(jù)滲透率γ0，針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)后的座椅靠背建立靠背型面優(yōu)化基準(zhǔn)線l。如圖4所示，座椅中間截面上，Ls為SAE J826假人靠背曲線，Lp為靠背發(fā)泡截止線，則

4）根據(jù)型面優(yōu)化基準(zhǔn)線l及側(cè)翼造型線掃掠型面并調(diào)整光順，得到優(yōu)化后的靠背型面如圖5所示。

5）校核優(yōu)化后滲透率γ1，控制γ1相對(duì)于γ0的偏差在±2.5%以內(nèi)。

采用以上方法優(yōu)化后的靠背型面，假人滲透率與優(yōu)化前基本一致，可以認(rèn)為優(yōu)化前后座椅靠背對(duì)假人的支撐作用相同，H點(diǎn)及軀干角保持不變。

2.2優(yōu)化實(shí)例

某前排駕駛員座椅參數(shù)如表2所示。建立頭后間隙優(yōu)化目標(biāo)值為5mm，采用以上方法對(duì)靠背型面進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后假人滲透率如圖6所示。優(yōu)化前后，座椅靠背型面位置最大偏差為4.6mm。因此，相較于直接加厚頭枕，采用靠背型面優(yōu)化方法可顯著降低對(duì)座椅造型的影響程度。

3改善效果驗(yàn)證

對(duì)靠背型面優(yōu)化前后的座椅，根據(jù)CNCAP管理規(guī)則進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

靜態(tài)測(cè)量結(jié)果如表3所示，靠背型面優(yōu)化后，頭后間隙實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值吻合較好。動(dòng)態(tài)碰撞結(jié)果如表4所示?？勘承兔鎯?yōu)化后，頸部傷害值NIC得分提高20.8%。優(yōu)化前后NIC值、頭部枕骨加速度aHx、T1胸椎加速度aT1x如圖8所示。在63ms時(shí)，NIC值曲線達(dá)到峰值，優(yōu)化后aHx較優(yōu)化前提高1.78g，降低了假人頭部與胸部間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，NIC值降低16.6%。優(yōu)化前后上頸部載荷及下頸部載荷得分均為1.5分。優(yōu)化后，假人上頸部拉力、下頸部剪切力、下頸部拉力及下頸部轉(zhuǎn)矩分別降低20.6%、38.3%、17.5%、49.7%，這是由于頭后間隙減小，假人頭部更早與座椅接觸，頭部向后甩動(dòng)的程度減緩導(dǎo)致的。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種座椅靠背型面優(yōu)化方法，通過(guò)優(yōu)化座椅靠背型面降低了座椅頭后間隙，提高了座椅的鞭打性能且對(duì)座椅造型影響較小。針對(duì)某款座椅，采用CNCAP鞭打試驗(yàn)并對(duì)該優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：頭后間隙優(yōu)化值與實(shí)測(cè)值吻合較好；優(yōu)化后假人NIC值得分提高，上頸部拉力、下頸部剪切力、下頸部拉力及下頸部轉(zhuǎn)矩均有顯著降低。

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收稿日期：20230424

第一作者簡(jiǎn)介：降皓鑒（1991—），男，河北邯鄲人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)內(nèi)飾及智能化座艙設(shè)計(jì)，jianghaojian@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.031