座墊約束對(duì)大角度坐姿乘員的保護(hù)功能研究

【摘要】為研究正面碰撞中座墊約束對(duì)大角度坐姿乘員的保護(hù)作用，針對(duì)后排座椅靠背傾角45°坐姿乘員，分別采用10°、27°座墊角度、帶氣囊座墊進(jìn)行了滑臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：正面碰撞中，座墊氣囊對(duì)大角度坐姿乘員沒(méi)有保護(hù)作用；座墊角度由10°增大至27°時(shí)，處于大角度坐姿的后排乘員第十二胸椎（T12）的軸向力可下降約40%；最大胸部變形量位于帶扣側(cè)，隨著座墊角度增大，最大胸部變形部位向下方移動(dòng)且最大胸部變形量增大，當(dāng)座墊角度達(dá)到27°時(shí)，最大變形量可超出高性能限值16.9%。因此，對(duì)于后排零重力座椅，座墊角度應(yīng)在10°～27°范圍內(nèi)選擇以平衡胸椎和胸部損傷，胸椎軸向力偏大時(shí)增大角度，胸部變形量偏大時(shí)減小角度。

關(guān)鍵詞：大角度坐姿 座墊角度 座墊氣囊 胸椎T12 胸部變形量

中圖分類號(hào)：U467.1+4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240219

Research on the Protection Function of Seat Cushion Restraint

to Occupant in Wide-Angle Sitting Posture

Shang Enyi， Li Kun， Xi Bobo， Li Yueming

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Key Laboratory of Intelligent Vehicle Comprehensive Safety， Ningbo 315336）

【Abstract】In order to study the protective effect of seat cushion restraint for occupant in reclined sitting in front impact，the sled tests were carried out with 10° and 27° seat cushion， seat cushion with airbag respectively to. The results show that the cushion airbag has no protective effect on occupant in reclined sitting. When the seat cushion angle is increased from 10° to 27°， the thoracic axial force of the 12th thoracic vertebrae （T12） in the rear occupant in reclined sitting can decrease by about 40%. The maximum chest deflection is located on the buckle side， and it transfers to bottom and increases with the increase of the seat cushion angle. When the seat cushion angle reaches 27°， the maximum deflection can exceed the high performance limit by 16.9%. Therefore the seat cushion angle should be selected between 10° and 27° to balance the thoracic and chest injuries for the rear zero gravity seat. The angle should be increased when the T12 axial force is too large， and the angle should be reduced when the chest deflection is too large.

Key words： Reclined sitting， Seat cushion angle， Seat cushion airbag， Thoracic T12， Chest deflection

【引用格式】 商恩義， 李琨， 習(xí)波波， 等. 座墊約束對(duì)大角度坐姿乘員的保護(hù)功能研究[J]. 汽車工程師， 2025（3）： 20-26.

SHANG E Y， LI K， XI B B， et al. Research on the Protection Function of Seat Cushion Restraint to Occupant in Wide-Angle Sitting Posture[J]. Automotive Engineer， 2025（3）： 20-26.

1 前言

伴隨著汽車的智能化快速轉(zhuǎn)型，可將座椅靠背調(diào)節(jié)至45°或60°等大角度，使乘員處于放松狀態(tài)的零重力座椅開(kāi)始陸續(xù)在部分乘用車上配置，但整車制造商僅建議乘員在停車休息的情況下采用大角度坐姿，主要原因是大角度坐姿下乘員在碰撞過(guò)程中的損傷機(jī)理、保護(hù)方案等研究還不成熟，相關(guān)的法規(guī)還不完善[1]。如正面碰撞過(guò)程中，相對(duì)于25°靠背傾角坐姿下的乘員主要表現(xiàn)為前撲，大角度坐姿下的乘員將發(fā)生嚴(yán)重下潛，而下潛造成的損傷及保護(hù)措施仍處在研究中。

針對(duì)不同坐姿下乘員的乘坐舒適性及碰撞損傷，黃青陽(yáng)[2]等研究了自動(dòng)駕駛等級(jí)提高條件下駕駛?cè)笋{駛姿勢(shì)的變化規(guī)律，陳滿[3]等研究了座椅靠背傾角對(duì)人體振動(dòng)的響應(yīng)，指出適度增大靠背傾角可以降低座椅對(duì)振動(dòng)的傳遞率和總加權(quán)吸收功率，但過(guò)多增大靠背傾角會(huì)導(dǎo)致座椅的振動(dòng)傳遞率出現(xiàn)不規(guī)則上升而降低舒適性。陸劍雄[4]等研究了坐姿理論與座椅設(shè)計(jì)原則，指出良好坐姿的必要條件是將最適當(dāng)?shù)膲毫Ψ植加诟骷棺倒侵g的椎間盤上。Pankoke等[5]通過(guò)仿真研究了與振動(dòng)相關(guān)的脊柱載荷。李琨等[6]通過(guò)THOR AV假人有限元模型研究了不同坐姿下乘員的損傷，指出大角度坐姿下第十二胸椎（胸椎T12）軸向壓縮力對(duì)乘員安全產(chǎn)生較大威脅。

對(duì)于正面碰撞中乘員下潛問(wèn)題，目前的解決方案之一是增大安全帶腰帶的作用強(qiáng)度，但同時(shí)將對(duì)腹部器官造成嚴(yán)重?cái)D壓損傷，且骨盆減速過(guò)快也將導(dǎo)致胸椎受軀干擠壓加重。其他解決方案還包括采用座墊氣囊或增大座墊角度來(lái)緩解或避免后排乘員下潛，故針對(duì)后排大角度坐姿乘員，本文通過(guò)座椅滑臺(tái)試驗(yàn)，從乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和所受傷害兩方面探討座墊角度變化及座墊氣囊對(duì)乘員的保護(hù)作用。

2 后排乘員大角度坐姿滑臺(tái)試驗(yàn)

THOR AV假人是全球首款為自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)發(fā)的大角度坐姿假人，雖然法規(guī)試驗(yàn)中尚未正式采用，但可參考THOR第50百分位假人應(yīng)用。THOR AV假人頭部、胸部、骨盆均安裝有三向加速度傳感器，胸部變形量通過(guò)4只IR-TRACC（Infra-Red Telescoping Rod for the Assessment of Chest Compression）傳感器進(jìn)行測(cè)量，頸部和胸椎T12位置安裝有載荷傳感器。建立假人加速度和載荷坐標(biāo)系[7]：x向?yàn)榭v向，y向?yàn)闄M向，z向?yàn)榇瓜?。?duì)于加速度，x向向前為正，y向向右為正，z向向下為正。受拉時(shí)假人頸部載荷Fz為正；頭向前、胸向后時(shí)彎矩My為正，稱為彎曲彎矩，反之稱為伸張彎矩。對(duì)于胸部變形量，胸骨遠(yuǎn)離胸椎為正。對(duì)于胸椎T12載荷，受拉時(shí)F_zT12為正，骨盆不動(dòng)胸部向前時(shí)彎矩M_yT12為正。

制定試驗(yàn)方案，以開(kāi)發(fā)中的某款車型為研究平臺(tái)，滑臺(tái)加速度采用該車50 km/h正面碰撞試驗(yàn)中B柱下x向加速度，座椅采用該車后排座椅，安全帶均采用預(yù)緊限力式安全帶，型號(hào)為L(zhǎng)L-59 N·m，安全帶上固定點(diǎn)位于座椅靠背上，其他配置方案如表1所示。

試驗(yàn)過(guò)程如圖1和圖2所示，座墊角度為10°時(shí)的試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中，第60 ms前，頭部與頭枕相對(duì)位置關(guān)系表明假人下潛幅度大，第80 ms時(shí)安全帶肩帶已滑向帶扣側(cè)肩部，第120 ms時(shí)假人發(fā)生扭轉(zhuǎn)。座墊角度為27°的試驗(yàn)3中假人胸部抬起幅度偏大。

3 不同座墊角度下乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

THOR AV假人骨盆加速度的變化反映了骨盆減速過(guò)程，F(xiàn)zT12反映軀干與臀部間的拉伸與擠壓，MyT12反映軀干相對(duì)臂部的翻轉(zhuǎn)強(qiáng)度。因此，通過(guò)骨盆加速度和胸椎T12載荷可以研究座墊角度差異對(duì)乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響。

3.1 座墊角度對(duì)骨盆加速度的影響

試驗(yàn)過(guò)程假人骨盆加速度如圖3所示，帶有座墊氣囊的試驗(yàn)2和試驗(yàn)3中，骨盆x向加速度axp在座墊氣囊展開(kāi)過(guò)程中均有正向加速過(guò)程，且兩條曲線全程趨于平緩，試驗(yàn)3中axp強(qiáng)度相對(duì)更低。與x向相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)2和試驗(yàn)3中骨盆z向加速度azp均大于試驗(yàn)1中的azp。試驗(yàn)結(jié)果表明，座墊氣囊在展開(kāi)過(guò)程存在明顯的抬腿拉扯骨盆過(guò)程，且能緩解約束過(guò)程中骨盆受到的沖擊，但對(duì)骨盆下潛的阻止作用偏弱。座墊角度抬升對(duì)假人下潛的限制作用較強(qiáng)，其作用下azp較大，axp相對(duì)較小，假人軀干翻轉(zhuǎn)時(shí)間較早。

3.2 座墊角度對(duì)胸椎T12載荷的影響

如圖4所示，F(xiàn)zT12基本全程為負(fù)，即T12位置全程受壓，其中：試驗(yàn)1最大壓力達(dá)到8.2 kN，且為雙峰；試驗(yàn)2中增加座墊氣囊后，最大壓力為7.8 kN，略有緩解；試驗(yàn)3在試驗(yàn)2基礎(chǔ)上將座墊角度調(diào)整為27°后，壓力下降至4.8 kN，降低約40%。如圖5所示，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中MyT12接近，試驗(yàn)3中MyT12全程高于試驗(yàn)1和試驗(yàn)2約50 N·m。試驗(yàn)結(jié)果表明，座墊氣囊對(duì)臀部的約束不足以影響乘員軀干的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，而座墊角度越大，乘員軀干翻轉(zhuǎn)越快，越有利于緩解大角度坐姿造成的下潛。

4 座墊約束的保護(hù)功能分析

后排乘員的主要損傷部位是頭部、頸部和胸部，本文針對(duì)上述部位對(duì)乘員保護(hù)的影響進(jìn)行探討。

4.1 座墊約束對(duì)乘員頭部損傷的影響

在《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》[8]的正面碰撞試驗(yàn)中，通過(guò)頭部合成加速度計(jì)算頭部傷害指數(shù)HIC15。在頭部發(fā)生二次碰撞的情況下，通過(guò)HIC15對(duì)頭部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，高性能限值為500，低性能限值為700。3次試驗(yàn)假人頭部的HIC15分別為338（第98.8～113.8 ms）、271（第98.1～113.1 ms）和161（第91.7～106.7 ms），傷害值均較小，且依次減小。

正面碰撞中假人頭部橫向加速度ay較小，可忽略，縱向加速度ax和垂向加速度az如圖6所示，az幅值相對(duì)較大，而試驗(yàn)3中ax和az幅值均偏低。假人頭部傷害來(lái)自內(nèi)力和外力，外力由頭部與安全氣囊或其他內(nèi)飾碰撞產(chǎn)生，內(nèi)力由頸部施加[9-11]。3次試驗(yàn)中假人頭部與外部無(wú)任何接觸，傷害均由頭部在慣性作用下前向揮鞭作用產(chǎn)生的內(nèi)力造成，HIC15依次遞減表明座墊氣囊及增大座墊角度緩解了乘員頭部的前向揮鞭幅度，其中，增大座墊角度對(duì)揮鞭的緩解作用較大。

4.2 座墊約束對(duì)乘員頸部損傷的影響

4.2.1 頸部上軸向力

《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》中頸部載荷Fz高性能限值為2.7 kN，3次試驗(yàn)中假人Fz如圖7所示，最大值依次為2. 55 kN、2.54 kN和1.83 kN，均小于高性能限值，且座墊角度越大，頸部Fz越小，試驗(yàn)3頸部載荷相對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2頸部載荷平均下降了28%。座墊氣囊對(duì)頸部軸向力沒(méi)有影響。

4.2.2 頸部上彎矩

在《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》中，頸部彎矩只評(píng)價(jià)伸張彎矩。乘員在正常坐姿下，在正面碰撞初期，頭部平動(dòng)，胸部翻起前撲，頸部表現(xiàn)為伸張。滑臺(tái)試驗(yàn)假人頸部彎矩My如圖8所示，均較小，試驗(yàn)3最大伸張彎矩為3.8 N·m，高性能限值為42 N·m，僅為高性能限值的9%。3次試驗(yàn)最大彎曲彎矩分別為40.1 N·m、31.8 N·m和32.8 N·m。試驗(yàn)結(jié)果表明，后排乘員大角度坐姿下，相對(duì)于座椅靠背傾角為25°時(shí)的坐姿，碰撞初期乘員下潛緩解了胸部前撲強(qiáng)度，伸張彎矩較小，整個(gè)碰撞過(guò)程中，頸部彎矩主要表現(xiàn)為彎曲彎矩。

4.3 乘員胸部損傷探討

C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)胸部評(píng)價(jià)中，胸部壓縮變形量為主要失分點(diǎn)，高性能限值為35 mm，低性能限值為60 mm。THOR AV假人胸部4個(gè)變形量測(cè)量位置如圖9所示，評(píng)價(jià)針對(duì)最大壓縮變形量進(jìn)行[12]。

試驗(yàn)中假人胸部變形量如圖10所示，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中最大壓縮變形量分別為34.8 mm和38.4 mm，位于帶扣側(cè)上方，試驗(yàn)2相對(duì)試驗(yàn)1增加了10.3%，但變形趨勢(shì)一致。試驗(yàn)3最大壓縮變形量為40.9 mm，位于帶扣側(cè)下方，相對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2平均增加了11.7%，超出高性能限值16.9%。相對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，試驗(yàn)3中座墊角度由10°調(diào)整為27°后，乘員下潛幅度減小，前期胸部壓縮變形量減小，而后在骨盆回撤、軀干加速前撲過(guò)程中，隨著安全帶腰帶松弛上拉，在帶扣側(cè)下方胸部位置出現(xiàn)更強(qiáng)的壓縮過(guò)程。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

考察試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性及乘坐位置兼容性，按照試驗(yàn)3約束條件開(kāi)展試驗(yàn)4，試驗(yàn)3中采用乘員側(cè)后排座椅，試驗(yàn)4中采用駕駛員側(cè)后排座椅。試驗(yàn)4錄像截屏如圖11所示，試驗(yàn)4與試驗(yàn)3對(duì)應(yīng)時(shí)刻假人姿態(tài)基本一致。

試驗(yàn)4與試驗(yàn)3的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12所示，所有曲線均基本吻合，即2次試驗(yàn)具有較好的一致性，滑臺(tái)試驗(yàn)研究的結(jié)果真實(shí)反映了座墊角度變化對(duì)后排大角度坐姿乘員的保護(hù)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分別對(duì)10°、27°座墊角度及帶座墊氣囊的大角度座椅進(jìn)行滑臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)后排座椅靠背傾角45°下座墊對(duì)乘員的約束功能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：后排乘員處于座椅靠背傾角45°的大角度坐姿時(shí)，頭部和頸部傷害均較??；座墊氣囊對(duì)乘員保護(hù)無(wú)改善作用；胸椎壓力普遍較高，應(yīng)關(guān)注；座墊角度由10°增大至27°，乘員胸椎T12最大壓力由8 kN左右可下降約40%；隨著座墊角度增大，胸部最大變形位置由帶扣側(cè)胸部上方轉(zhuǎn)移至下方且胸部最大變形量增大，座墊角度由10°提升至27°時(shí)增大約11.7%，超出高性能限值16.9%。綜上，座墊角度應(yīng)根據(jù)可接受的胸椎及胸部變形損傷在10°～27°范圍內(nèi)選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]" "唐洪斌， 孫振東， 丁曉東， 等. 智能汽車被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)發(fā)展方向探究[J]. 汽車技術(shù)， 2023（7）： 17-23.

TANG H B， SUN Z D， DING X D， et al. Exploration on the Future Development Direction of Passive Safety Standards for Intelligent Vehicles[J]. Automobile Technology， 2023（7）： 17-23.

[2]" "黃青陽(yáng)， 金曉萍， 張怡康. 自動(dòng)駕駛等級(jí)提高條件下駕駛?cè)笋{駛姿勢(shì)變化規(guī)律分析[J]. 汽車工程， 2023， 45（3）： 382-392.

HUANG Q Y， JIN X P， ZHANG Y K. Analysis of Driver Driving Posture Change under the Condition of Automatic Driving Level Improvement[J]. Automotive Engineering， 2023， 45（3）： 382-392.

[3]" "陳滿， 趙清海， 楊景周. 考慮座椅靠背傾角對(duì)人體振動(dòng)的響應(yīng)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2023， 40（2）： 77-83.

CHEN M， ZHAO Q H， YANG J Z. Study on Response of Seat Back Tilt Angle to Human Body Vibration[J]. Journal of Mechanical Design， 2023， 40（2）： 77-83.

[4]" "陸劍雄， 張福昌， 申利民. 坐姿理論與座椅設(shè)計(jì)原則及其應(yīng)用[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2005， 4（6）： 620-625.

LU J X， ZHANG F C， SHEN L M. Theory of Sitting Posture and Principles of Chair Design and Their Application[J]. Journal of Jiangnan University （Natural Science Edition）， 2005， 4（6）： 620-625.

[5]" "PANKOKE S， HOFMANN J， WLFEL H P. Determination of Vibration-Related Spinal Loads by Numerical Simulation[J]. Clinical Biomechanics， 2001， 16（S1）： 45-56.

[6]" "李琨， 劉玉濤， 周大永， 等. 基于THOR-AV假人有限元模型的不同坐姿乘員損傷分析[J]. 汽車工程師， 2023（6）： 39-44.

LI K， LIU Y T， ZHOU D Y， et al. Analysis of Occupant Injuries with Different Sitting Posture Based on THOR-AV Dummy Finite Element Model[J]. Automotive Engineer， 2023（6）： 39-44.

[7]" "SAE International. Instrumentation for Impact Test–Part1–Electronic Instrumentation： SAE J211-1[S]. Warrendale， PA， USA： SAE International， 2022.

[8]" "中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司. C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）[S/OL]. （2024-04-28）[2024-07-18]. https：//www.c-ncap.org.cn/guicheng/cncap？columnId=cb6014a591dd4b2fb7192367fec9012bamp;childindex=1.

China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.. C-NCAP Management Regulation （2024 Edition）[S/OL]. （2024-04-28）[2024-07-18]. https：//www.c-ncap.org.cn/guicheng/cncap？columnId=cb6014a591dd4b2fb7192367fec9012bamp;childindex=1.

[9]" "商恩義. E-NCAP正碰試驗(yàn)中假人頭部傷害主觀評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)， 2014， 5（1）： 47-51.

SHANG E Y. Improving the Subjectivity Assessment Method of the Dummy Head Injury in the E-NCAP Frontal Impacting Tests[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2014， 5（1）： 47-51.

[10] 商恩義， 李月明， 習(xí)波波， 等. C-NCAP中THOR 50th假人頭部氣囊觸底評(píng)價(jià)方法探討[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)， 2021， 12（2）： 180-185.

SHANG E Y， LI Y M， XI B B， et al. Discuss on the Assessment Method of Airbag Bottoming-out by the THOR 50th Dummy Head in C-NCAP[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2021， 12（2）： 180-185.

[11] 商恩義， 張君媛， 楊斌， 等. 正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù)， 2010（10）： 18-21.

SHANG E Y， ZHANG J Y， YANG B， et al. Research on the Analysis Method of the Dummy’s Head and Thorax Stress in the Frontal Impact Test[J]. Automobile Technology， 2010（10）： 18-21.

[12] SHANG E Y， ZHOU D Y， YAN D D， et al. Study on Thorax Certification Evaluation Strategy of THOR-50M Dummy[C]// Proceedings of China SAE Congress 2019： Selected Papers. Singapore： Springer， 2019.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年7月18日。